一种模拟与光子计数信号采集系统的制作方法

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种四通道模拟与光子计数信号采集系统。

背景技术：

臭氧在大气中的含量极小，却发挥着极为重要的作用，一方面，臭氧层阻挡了强紫外辐射到达地面，保护了地球上的生命，另一方面，臭氧是一种强氧化剂，通过其氧化作用可以去除大气中许多痕量污染气体，同时也在许多大气污染物的转化中扮演着重要角色。

大气中的臭氧含量可以通过激光雷达进行监测与预报，臭氧探测激光雷达的信号获取方法一般为直接测量其后向散射信号的强度，激光雷达后向散射信号较弱，其信号是以距离平方呈反比快速减小。激光雷达信号采集系统通常以光电倍增管为探测器，常用采集方法包括模拟方式或光子计数方式，其中，模拟方式适合相对较强的光信号，而对于PMT输出的为一个个离散的光子脉冲时，较微弱的光信号很难获得较高的信噪比，需要用光子计数方式来采集，若采用模拟方式或光子计数方式，系统测量的动态范围比较小，无法获得较高的测量性能以满足系统较远距离的控制要求。

为了提高臭氧激光雷达采集系统的动态范围，需要将模拟方式和光子计数方式融合，这种方法对PMT输出的信号同时采用模拟和光子计数的方式进行采集，近场信号采用模拟信号，远场信号采用光子计数信号，再将两种信号拼接成完整的结果。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种提高臭氧激光雷达采集动态范围的采集系统，且该采集系统稳定性强，信号噪音小。

本实用新型提供的一种模拟与光子计数信号采集系统，包括：

一种模拟与光子计数信号采集系统，包括：

探测器单元，其输出端输出至少四个通道的电流信号；

信息采集单元，包括模拟信号采集通道和光子脉冲采集通道，将所述电流信号隔离、放大和转换；

其中，所述模拟信号通道包括：

第一电压跟随电路，与所述探测器单元连接；前置放大器，与所述第一电压跟随电路连接，经所述前置放大器输出单端信号；差分放大器，单端信号经所述差分放大器耦合输出差分信号，并由ADC模数转换器转换为数字信号输出；

所述光子脉冲采集通道包括：

第二电压跟随电路，与所述探测器单元连接；两级放大器，与所述第二电压跟随电路连接；电压比较器，与所述两级放大器连接，将经两级放大器后的电压与基准电压比对；

信息处理单元，与所述信息采集单元通过FMC连接器连接，将经所述信息采集单元后的模数转换结果与光子计数的电压比较结果进行处理并存储；所述信息处理单元包括主芯片及与主芯片连接的存储器及各电压源。

可选地，还包括与所述主芯片连接的运行代码的FLASH存储器。

可选地，所述主芯片通过PCIE通信接口与PC机连接。

可选地，所述ADC模数转换器包括ADC芯片，所述ADC芯片为采样率105MSPS,14位的AD9253。

可选地，所述电压比较器包括D/A芯片和电压比较芯片。

可选地，所述两级放大器分别为第一级脉冲信号放大器LMH6702MF和第二级放大器THS3202DGN。

可选地，还包括信号触发单元，所述信号触发单元输出触发信号，通过触发信号通道输入至信息采集单元。

可选地，所述信号触发单元与信号采集单元连接，将检测到的激光器触发信号输出至信号采集单元。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型可以同时通过模拟采集电路和光子采集电路的

方式进行信号采集，近场信号采用模拟信号，远场信号采用光子计数信号，再将两种信号拼接完整。其中模拟信号采集至少四个通道的电流信号并通过信号采集单元隔离、放大和转换，具体包括：第一电压跟随电路，与探测器单元连接，实现采集电路和探测器的阻抗匹配、隔离和提高驱动性能；前置放大器与第一电压跟随电路连接，经前置放大器后输出单端信号；单端信号经差分放大器耦合输出差分信号，并由ADC模数转换器转换为数字信号后输出；光子脉冲采集通道包括：第二电压跟随电路与探测器单元连接；两级放大器与第二电压跟随电路连接；电压比较器与两级放大器连接，将两级放大器后的电流信号与基准电压比对。信息采集单元通过FMC连接器与信息处理单元连接，将经过信息采集单元后的模数转换结果与光子计数的电压比较结果信息处理后存储，上述系统提高了臭氧激光雷达采集系统的动态范围，增强了信号稳定性，降低了系统噪音，测得的数据更准确。

2.本实施例提供的ADC模数转换器采用ADC芯片，具体为四通道采样率为105MSPS,14位的AD9253，前置放大器输出单端信号经差分放大器耦合输出差分信号后，由ADC模数转换器转换为数字信号后输出，解决了前置放大器输出的单端信号与ADC模数转换器不匹配导致通用性差的问题。

3.本实施例提供的光子脉冲信号经由电压跟随电路及两级放大器后，输入至电压比较器，内设有10-Bit D/A转换电路和电压比较电路，D/A转换电路产生进行光子计数比较的基准电压，光子脉冲电压与该基准电压比对后，将结果输入至信息处理单元主芯片，经处理后对远场信号计数，采集上述方式成本更低，同时也避免了噪音对远场信号的干扰和消减。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型模拟与光子计数系统结构框图；

图2为信息处理单元的结构框图；

图3为光子计数比较电路图；

图4为差分放大器电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供的一种模拟与光子计数信号采集系统，参见图1所示，包括系统前部探测器单元，本实施例中探测器为光电倍增管，其输出端输出的电流信号通过设于信息采集单元上的4个信号采集通道输入，经信息采集单元1隔离、放大、采集、转换后进入信息处理单元2，信息处理单元2实现对信息采集单元1的信号采集控制，并通过PCIE通信接口35实现与上位机数据通信。

信息采集单元1包括模拟信号采集通道和光子脉冲采集通道两个采集通道，具体地，模拟信号采集通道包括：模拟输入信号经第一电压跟随电路，该第一电压跟随电路为一级电压跟随电路10，后经过三级前置放大电路11输出单端信号，单端信号经差分放大器12耦合输出差分信号，并由ADC模数转换器13转换为数字信号后输出，其中，三级前置放大器11和一级电压跟随电路10采用50MHz的低噪声电压反馈放大器AD827AQ，差分放大器12采用低噪声大带宽的高速放大器ADA4930，ADC芯片采用四通道采样率为125MSPS，14位的AD9253，其中，差分放大电路参见图4所示。

具体地，光子脉冲采集通道包括：4个通道的输入信号先后经过一级电压跟随电路20、两级放大电路21，进入电压比较器22，电压比较器22内设有D/A芯片和电压比较芯片，D/A芯片设置基准电压，输入电压与该基准电压比对后，将结果输出至信息处理单元2的主芯片33比较结果，以实现光子计数，其中，一级电压跟随放大器20和第一级脉冲信号放大器采用大带宽高速运算放大器LMH6702MF，第二级放大器采用双通道大带宽的THS3202DGN，第一级由LMH6702实现两倍反相放大，第二级由THS3202实现10倍以上同相放大，电压比较器22采用ADCMP600BRJZ，电压比较器的基准电压由D/A芯片AD5317RBRUZ提供，其中电压比较器参见图3所示。

经过信息采集单元的模数转换结果和光子计数电路的电压比较结果输入信息处理单元进行信息处理，信息处理单元主要由主芯片FPGA及其外围电路组成，如图2所示，外围电路包括存储采集数据的DDR3电路，存储运行代码的FLASH电路，JTAG编程接口，差分时钟电路和电压源；各电压源的电源电路包括：核电压1.0V、I/O电压3.3V，2.5V、1.5V、辅助电压1.8v，2.0V，PCIE接口电压1.0V和1.2V，DDR3电压1.5V、0.75V；FPGA芯片采用Xilinx的XC7K325T-2FFG676C，DDR3采用Micron的MT41J128M16-16，差分时钟选用以LVDS形式输出200MHz的NX7032C0200.000000，FPGA的BPI FLASH芯片采用1Gb的PC28F00AP30TF芯片。

需要说明的是，共采系统还包括信号触发单元，信号触发单元与信号采集单元连接，将检测到的激光器触发信号输出至信号采集单元1。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。