一种星载大气激光雷达PMT探测装置的制作方法

一种星载大气激光雷达pmt探测装置
技术领域
[0001]
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种星载大气激光雷达pmt探测装置。


背景技术：

[0002]
激光雷达是一种新型的主动式遥感仪器，上世纪六十年代，激光雷达(light detection and ranging-lidar)一出现，很快被应用于主动距离测量、风场测量、大气遥感等领域。
[0003]
大气探测激光雷达的探测目标为大气中的分子、气溶胶、云层等，不仅需要处理高空大气稀薄分子的弱回波，还必须处理云层的强回波以及云层下方的低空气溶胶回波，根据探测目标特性和其存在高度分布，其回波能量有6个数量级的差异。在激光雷达研制过程中，大动态、高灵敏的微弱信号探测及处理技术成为一个亟需解决的技术难题。
[0004]
要实现大动态、高灵敏的微弱信号探测，高性能的光电探测器是必备条件，目前可实现光子量级的成熟探测器主要有雪崩光电二极管(apd)和光电倍增管(pmt)两类。apd具有体积小、重量轻，工作电压低的特点，而且响应速度快，动态范围大，抗干扰能力强，但内增益不够高，暗电流较大，使得其探测微弱信号的能力受到限制。相比而言，pmt虽然尺寸稍大，但是增益比apd高很多，而且本身的暗电流相对较小，探测灵敏度极高，能够探测光子量级的微弱信号。因此，pmt与apd相比在大气激光探测领域具有一定的优势，大气激光雷达pmt探测装置的研制需求也更加迫切。


技术实现要素：

[0005]
本发明是为了解决解决星载大气激光雷达接收光信号高灵敏、大动态、高线性度的探测问题,提供一种星载大气激光雷达pmt探测装置，增益链路采用跨阻放大器、高低增益通道协同、多级放大器级联的增益链结构，同时采用模拟去除探测通道直流偏置的方法，用以提升探测灵敏度与动态范围；pmt分压电路每级电阻分别并联电容，尤其是后三级电容容值呈锥形递增设计，保证了pmt探测器输出信号的线性度，本发明具有较高的环境适应性，并且可以在实际使用中做相应的系统备份，既适用于星载、机载和一般的地面大气激光雷达，同样可以适用于其它激光雷达系统以及微弱光信号探测场合。
[0006]
本发明提供一种星载大气激光雷达pmt探测装置，包括依次电连接的pmt探测模块、放大调理模块、滤波器模块，与放大调理模块电连接的直流偏置调节模块和与pmt探测模块电连接的高压模块；
[0007]
pmt探测模块用于探测接收光信号，pmt探测模块用于将光信号进行光电转换形成电流信号，pmt探测模块用于将电流信号输出至放大调理模块，放大调理模块用于接收电流信号，放大调理模块用于将电流信号进行电压转换放大及去除直流偏置形成高增益电压信号和低增益电压信号，放大调理模块用于将高增益电压信号和低增益电压信号输出至滤波器模块，滤波器模块用于接收高增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出高增益模拟信号，滤波器模块用于接收低增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出低增益模拟信
号，直流偏置调节模块用于根据当前探测信号的直流分量产生抵消因背景光带来直流偏置的同样幅值与相位的直流偏置调节模拟信号，直流偏置调节模块用于将直流偏置调节模拟信号输出至放大调理模块，高压模块用于为pmt探测模块提供可调节的偏置高压并向外界输出高压遥测信号；
[0008]
放大调理模块包括与pmt探测模块电连接的跨阻放大器，与跨阻放大器分别级联的第一级高增益放大器、第一级低增益放大器，与第一级高增益放大器电连接的第二级高增益放大器和与第一级低增益放大器电连接的第二级低增益放大器，第二级高增益放大器、第二级低增益放大器均与直流偏置调节模块电连接；
[0009]
跨阻放大器用于接收电流信号并进行电压转换及电压初步放大，第一级高增益放大器用于进行高增益进一步放大，第一级低增益放大器用于进行低增益进一步放大，第二级高增益放大器和第二级低增益放大器用于根据直流偏置调节模块提供的模拟信号去除直流偏置并分别输出高增益电压信号和低增益电压信号。
[0010]
本发明所述的一种星载大气激光雷达pmt探测装置，作为优选方式，滤波器模块包括用于接收高增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出高增益模拟信号的第一滤波器和用于接收低增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出低增益模拟信号的第二滤波器，第一滤波器与第二级高增益放大器电连接，第二滤波器与第二级低增益放大器电连接；
[0011]
直流偏置调节模块包括电连接的第一数字模拟转换器、第一放大器，电连接的第二数字模拟转换器、第二放大器，第一放大器与第二级高增益放大器电连接，第二放大器与第二级低增益放大器电连接。
[0012]
本发明所述的一种星载大气激光雷达pmt探测装置，作为优选方式，跨阻放大器提供基础增益50v/a，第一级高增益放大器放大倍数为40倍，第一级低增益放大器放大倍数为4倍，第二级高增益放大器和第二级低增益放大器为减法放大器；
[0013]
第一滤波器和第二滤波器均使用无源低通贝塞尔滤波器，滤波器阶数为5阶、截止频率为3
±
0.5mhz；
[0014]
第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器包括spi接口的12bit数字模拟转换器，第一放大器、第二放大器为输出信号范围为-2～+2v的轨到轨放大器。
[0015]
本发明所述的一种星载大气激光雷达pmt探测装置，作为优选方式，pmt探测模块包括与跨阻放大器电连接的pmt探测器和与pmt探测器电连接的分压电路，分压电路与高压模块电连接，pmt探测器为光电倍增管。
[0016]
本发明所述的一种星载大气激光雷达pmt探测装置，作为优选方式，分压电路包括与pmt探测器倍增级对应的多级分压电路，每级分压电路均包含分压电阻，每个分压电阻都分别并联电容且排列在后部的电容容值为锥形递增。
[0017]
本发明所述的一种星载大气激光雷达pmt探测装置，作为优选方式，pmt探测器为倍增级10级、响应波长范围为230～870nm的光电倍增管，分压电路为10级、每级分压电阻为330k、前七级电容为0.1uf/500v、后三级电容容值为锥形递增。
[0018]
本发明所述的一种星载大气激光雷达pmt探测装置，作为优选方式，高压模块包括用于接收外部spi指令并输出高压模拟信号的第三数字模拟转换器、与第三数字模拟转换器电连接的接收高压模拟信号并向pmt探测模块输出线性高压的高压电源、与高压电源电
连接的多级电阻分压和与多级电阻分压电连接用于输出高压遥测信号的放大器，高压电源与pmt探测模块电连接。
[0019]
本发明所述的一种星载大气激光雷达pmt探测装置，作为优选方式，高压模拟信号为0～2.4v，线性高压为0～-1200v，多级电阻分压为12级功率电阻分压，高压遥测信号为0～4.096v。
[0020]
本发明所述的一种星载大气激光雷达pmt探测装置，作为优选方式，还包括与pmt探测器连接用于将pmt探测器的温度变化转换为温度遥测信号输出的温度采集模块和用于电源转换并提供低压电源的低压电源模块；
[0021]
温度采集模块包括与pmt探测器连接的温度传感器和与温度传感器电连接的包含数字模拟转换器的温度调理电路；
[0022]
低压电源模块包括依次电连接的电源输入装置、电源保护装置和电压变换装置。
[0023]
本发明所述的一种星载大气激光雷达pmt探测装置，作为优选方式，温度传感器测温精度为
±
0.1℃，温度遥测信号为0～5v；
[0024]
当温度传感器探测到pmt探测器工作温度超过50℃时，温度调理电路向外界输出温度遥测信号，高压模块根据外部spi指令切断高压模块的电源。
[0025]
放大调理模块采用跨阻放大器与高低增益通道协同、多级放大器级联的增益链结构，跨阻放大器提供基础增益，用于对光电转换后电流信号的高增益电流电压转换放大；后两级放大器级联实现电压的进一步放大，第二级放大器为减法放大器，用于去除因背景光带来的直流偏置，从而提升探测的动态范围；滤波器模块用于带外噪声的抑制，同时不对信号产生非线性影响；直流偏置调节模块根据当前探测信号的直流分量，产生同样幅值与相位的模拟信号，送入放大调理模块；高压模块用于为pmt探测器提供可调节的偏置高压；温度采集模块用于将pmt探测器的温度变化实时、精密转换为相应的电信号输出；低压电源模块用于电源转换，为pmt探测装置提供所需要的各种低压电源。
[0026]
pmt探测器为光电倍增管，前七级电容为0.1uf/500v，后三级电容容值呈锥形递增设计，保证了pmt探测器输出信号的线性度。
[0027]
放大调理模块，跨阻放大器提供基础增益50v/a，实现电流到电压的转换放大；后两级放大器实现电压放大，高增益通道放大倍数为40倍，低增益通道放大倍数为4倍；其中，第二级放大器为减法放大器，用于去除因背景光带来的直流偏置，提升探测的动态范围；
[0028]
滤波器模块，采用无源低通贝塞尔滤波器，滤波器阶数为5阶，截止频率为3mhz
±
0.5mhz。
[0029]
本发明具有以下优点：
[0030]
(1)本发明pmt探测装置增益链路采用跨阻放大器、高低增益通道协同、多级放大器级联的增益链结构，同时采用模拟去除探测通道直流偏置的方法，用以提升探测灵敏度与动态范围；
[0031]
(2)本发明pmt探测装置的pmt分压电路每级电阻分别并联电容，尤其是后三级电容容值呈锥形递增设计，保证了pmt探测器输出信号的线性度；
[0032]
(3)本发明pmt探测装置具有较高的环境适应性，并且可以在实际使用中做相应的系统备份，以满足星载环境下的辐射、热、电磁兼容等要求；
[0033]
(4)本发明pmt探测装置适用于星载、机载和一般的地面大气激光雷达，同样可以
适用于其它激光雷达系统以及微弱光信号探测场合。
附图说明
[0034]
图1为一种星载大气激光雷达pmt探测装置实施例1组成结构示意图；
[0035]
图2为一种星载大气激光雷达pmt探测装置实施例2组成结构示意图。
[0036]
附图标记：
[0037]
1、pmt探测模块；11、pmt探测器；12、分压电路；2、放大调理模块；21、跨阻放大器；22、第一级高增益放大器；23、第一级低增益放大器；24、第二级高增益放大器；25、第二级低增益放大器；3、滤波器模块；31、第一滤波器；32、第二滤波器；4、直流偏置调节模块；41、第一数字模拟转换器；42、第一放大器；43、第二数字模拟转换器；44、第二放大器；5、高压模块；51、第三数字模拟转换器；52、高压电源；53、多级电阻分压；54、放大器；6、温度采集模块；61、温度传感器；62、温度调理电路；7、低压电源模块；71、电源输入装置；72、电源保护装置；73、电压变换装置。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0039]
实施例1
[0040]
如图1所示，一种星载大气激光雷达pmt探测装置，包括依次电连接的pmt探测模块1、放大调理模块2、滤波器模块3，与放大调理模块2电连接的直流偏置调节模块4和与pmt探测模块1电连接的高压模块5；
[0041]
pmt探测模块1用于探测接收光信号，pmt探测模块1用于将光信号进行光电转换形成电流信号，pmt探测模块1用于将电流信号输出至放大调理模块2，放大调理模块2用于接收电流信号，放大调理模块2用于将电流信号进行电压转换放大及去除直流偏置形成高增益电压信号和低增益电压信号，放大调理模块2用于将高增益电压信号和低增益电压信号输出至滤波器模块3，滤波器模块3用于接收高增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出高增益模拟信号，滤波器模块3用于接收低增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出低增益模拟信号，直流偏置调节模块4用于根据当前探测信号的直流分量产生抵消因背景光带来直流偏置的同样幅值与相位的直流偏置调节模拟信号，直流偏置调节模块4用于将直流偏置调节模拟信号输出至放大调理模块2，高压模块5用于为pmt探测模块1提供可调节的偏置高压并向外界输出高压遥测信号；
[0042]
放大调理模块2包括与pmt探测模块1电连接的跨阻放大器21，与跨阻放大器21分别级联的第一级高增益放大器22、第一级低增益放大器23，与第一级高增益放大器22电连接的第二级高增益放大器24和与第一级低增益放大器23电连接的第二级低增益放大器25，第二级高增益放大器24、第二级低增益放大器25均与直流偏置调节模块4电连接；
[0043]
跨阻放大器21用于接收电流信号并进行电压转换及电压初步放大，第一级高增益放大器22用于进行高增益进一步放大，第一级低增益放大器23用于进行低增益进一步放大，第二级高增益放大器24和第二级低增益放大器25用于根据直流偏置调节模块4提供的模拟信号去除直流偏置并分别输出高增益电压信号和低增益电压信号。
[0044]
实施例2
[0045]
如图2所示，一种星载大气激光雷达pmt探测装置，包括依次电连接的pmt探测模块1、放大调理模块2、滤波器模块3，与放大调理模块2电连接的直流偏置调节模块4和与pmt探测模块1电连接的高压模块5；
[0046]
pmt探测模块1用于探测接收光信号，pmt探测模块1用于将光信号进行光电转换形成电流信号，pmt探测模块1用于将电流信号输出至放大调理模块2，放大调理模块2用于接收电流信号，放大调理模块2用于将电流信号进行电压转换放大及去除直流偏置形成高增益电压信号和低增益电压信号，放大调理模块2用于将高增益电压信号和低增益电压信号输出至滤波器模块3，滤波器模块3用于接收高增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出高增益模拟信号，滤波器模块3用于接收低增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出低增益模拟信号，直流偏置调节模块4用于根据当前探测信号的直流分量产生抵消因背景光带来直流偏置的同样幅值与相位的直流偏置调节模拟信号，直流偏置调节模块4用于将直流偏置调节模拟信号输出至放大调理模块2，高压模块5用于为pmt探测模块1提供可调节的偏置高压并向外界输出高压遥测信号；
[0047]
pmt探测模块1包括与跨阻放大器21电连接的pmt探测器11和与pmt探测器11电连接的分压电路12，分压电路12与高压模块5电连接，pmt探测器11为光电倍增管；
[0048]
分压电路12包括与pmt探测器11倍增级对应的多级分压电路，每级分压电路均包含分压电阻，每个分压电阻都分别并联电容且排列在后部的电容容值为锥形递增；
[0049]
pmt探测器11为倍增级10级、响应波长范围为230～870nm的光电倍增管，分压电路为10级、每级分压电阻为330k、前七级电容为0.1uf/500v、后三级电容容值为锥形递增；
[0050]
放大调理模块2包括与pmt探测模块1电连接的跨阻放大器21，与跨阻放大器21分别级联的第一级高增益放大器22、第一级低增益放大器23，与第一级高增益放大器22电连接的第二级高增益放大器24和与第一级低增益放大器23电连接的第二级低增益放大器25，第二级高增益放大器24、第二级低增益放大器25均与直流偏置调节模块4电连接；
[0051]
跨阻放大器21用于接收电流信号并进行电压转换及电压初步放大，第一级高增益放大器22用于进行高增益进一步放大，第一级低增益放大器23用于进行低增益进一步放大，第二级高增益放大器24和第二级低增益放大器25用于根据直流偏置调节模块4提供的模拟信号去除直流偏置并分别输出高增益电压信号和低增益电压信号；
[0052]
跨阻放大器21提供基础增益50v/a，第一级高增益放大器22放大倍数为40倍，第一级低增益放大器23放大倍数为4倍，第二级高增益放大器24和第二级低增益放大器25为减法放大器；
[0053]
滤波器模块3包括用于接收高增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出高增益模拟信号的第一滤波器31和用于接收低增益电压信号进行带外噪声抑制后向外界输出低增益模拟信号的第二滤波器32，第一滤波器31与第二级高增益放大器24电连接，第二滤波器32与第二级低增益放大器25电连接；
[0054]
第一滤波器31和第二滤波器32均使用无源低通贝塞尔滤波器，滤波器阶数为5阶、截止频率为3
±
0.5mhz；
[0055]
直流偏置调节模块4包括电连接的第一数字模拟转换器41、第一放大器42，电连接的第二数字模拟转换器43、第二放大器44，第一放大器42与第二级高增益放大器24电连接，
第二放大器44与第二级低增益放大器25电连接；
[0056]
高压模块5包括用于接收外部spi指令并输出高压模拟信号的第三数字模拟转换器51、与第三数字模拟转换器51电连接的接收高压模拟信号并向pmt探测模块1输出线性高压的高压电源52、与高压电源52电连接的多级电阻分压53和与多级电阻分压53电连接用于输出高压遥测信号的放大器54，高压电源52与pmt探测模块1电连接；
[0057]
高压模拟信号为0～2.4v，线性高压为0～-1200v，多级电阻分压53为12级功率电阻分压，高压遥测信号为0～4.096v；
[0058]
第一数字模拟转换器41、第二数字模拟转换器43包括spi接口的12bit数字模拟转换器，第一放大器42、第二放大器44为输出信号范围为-2～+2v的轨到轨放大器；
[0059]
还包括与pmt探测器11连接用于将pmt探测器11的温度变化转换为温度遥测信号输出的温度采集模块6和用于电源转换并提供低压电源的低压电源模块7；
[0060]
温度采集模块6包括与pmt探测器11连接的温度传感器61和与温度传感器61电连接的包含数字模拟转换器的温度调理电路62；
[0061]
低压电源模块7包括依次电连接的电源输入装置71、电源保护装置72和电压变换装置73；
[0062]
温度传感器61测温精度为
±
0.1℃，温度遥测信号为0～5v；
[0063]
当温度传感器61探测到pmt探测器11工作温度超过50℃时，温度调理电路62向外界输出温度遥测信号，高压模块5根据外部spi指令切断高压模块5的电源。
[0064]
pmt探测模块1用于对接收光信号的光电转换，并将转换后的电流信号送入放大调理模块2；放大调理模块2采用跨阻放大器与高低增益通道协同、多级放大器级联的增益链结构，跨阻放大器提供基础增益，用于对光电转换后电流信号的高增益电流电压转换放大；后两级放大器级联实现电压的进一步放大，第二级放大器为减法放大器，用于去除因背景光带来的直流偏置，从而提升探测的动态范围；滤波器模块3用于带外噪声的抑制，同时不对信号产生非线性影响；直流偏置调节模块4根据当前探测信号的直流分量，产生同样幅值与相位的模拟信号，送入放大调理模块；高压模块5用于为pmt探测器提供可调节的偏置高压；温度采集模块6用于将pmt探测器的温度变化实时、精密转换为相应的电信号输出；低压电源模块7用于电源转换，为pmt探测装置提供所需要的各种低压电源。
[0065]
实施例3
[0066]
如图2所示，一种星载大气激光雷达pmt探测装置，包括：pmt探测模块1、放大调理模块2、滤波器模块3、直流偏置调节模块4、高压模块5、温度采集模块6、低压电源模块7。pmt探测模块1用于对接收光信号的光电转换，并将转换后的电流信号送入放大调理模块；放大调理模块2采用跨阻放大器与高低增益通道协同、多级放大器级联的增益链结构，跨阻放大器提供基础增益，用于对光电转换后电流信号的高增益电流电压转换放大；后两级放大器级联实现电压的进一步放大，第二级放大器为减法放大器，用于去除因背景光带来的直流偏置，从而提升探测的动态范围；滤波器模块3用于带外噪声的抑制，同时不对信号产生非线性影响；直流偏置调节模块4根据当前探测信号的直流分量，产生同样幅值与相位的模拟信号，送入放大调理模块；高压模块5用于为pmt探测器提供可调节的偏置高压；温度采集模块6用于将pmt探测器的温度变化实时、精密转换为相应的电信号输出；低压电源模块7用于电源转换，为pmt探测装置提供所需要的各种低压电源。
[0067]
本实施例中的pmt探测模块1，由pmt探测器11与分压电路12组成。pmt探测器11选用的是日本hamamatsu公司的r9880u-01，其光电倍增级为10级，响应波长范围为230nm～870nm；分压电路12由所选的pmt探测器11决定为10级，其供电为-1000v，每级电阻为330k，每级电压约100v。为提高pmt探测器11输出信号的线性度，需要在每级电阻分别并联电容。其中，前七级电容为0.1uf/500v，后三级电容容值呈锥形递增设计。
[0068]
本实施例中的放大调理模块2，跨阻放大器21选用ad公司的ad829sq提供基础增益50v/a，实现电流到电压的转换放大；后两级放大器选用ad公司的ad811sq实现电压放大，高增益通道为40倍放大，低增益通道为4倍放大，整个增益链路高增益通道增益为2000v/a,低增益通道增益为200v/a；第二级放大器为减法放大器，用于去除回波信号的直流偏置，提升探测的动态范围。
[0069]
本实施例中的滤波器模块3，采用无源低通贝塞尔滤波器，滤波器阶数为5阶，截止频率为3mhz
±
0.5mhz。
[0070]
本实施例中的直流偏置调节模块4，采用ti公司的12bitdactlv5638mjgb与ad公司的放大器ad8041sq联合实现-2v～+2v的模拟信号输出，该信号输入至放大调节模块2第二级放大器的反向端，并与正向端信号做减法运算，用于去除回波信号的直流偏置。
[0071]
本实施例中的高压模块5，由高压遥控电路以及高压遥测电路组成。选用ti公司的12bitdac tlv5638mjgb接收外部的spi遥控指令，使其输出0v～2.4v的模拟信号来控制高压电源41mnsx1100s线性输出0v～-1200v；输出高压经过12个100k的功率电阻分压、放大器ad8041sq调理后输出0～4.096v的高压遥测信号；
[0072]
本实施例中的温度采集模块6，采用高精度温度传感器ad590mh，其测温精度为
±
0.1℃，温度变化率为1ua/k，通过选用温漂系数极小的放大器op200az将ad590mh输出的电流信号调理输出为0v～5v的温度电压信号，以便可以实时观测当前pmt探测器11的工作温度，当超过50℃时切断高压电源，以保护pmt探测器11因温度过高而导致失效。
[0073]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。