一种用于全波形测量激光雷达的APD探测装置

摘要

一种用于全波形测量激光雷达的APD探测装置，包括APD光电传感模块，跨阻放大模块，电压放大模块，滤波器模块，可调高压模块，温度传感模块，接口模块，低压电源模块。本发明采用跨阻放大器与多级电压放大器级联的增益链结构，实现APD光电传感器输出的微弱电流的低噪声、高带宽、高增益电流‑电压转换与放大；采用高阶贝塞尔滤波器滤除带外噪声，提升系统灵敏度，同时不对信号波形产生非线性失真；采用偏压实时调节方法，克服APD光电传感器因温度变化带来的响应非线性问题，实现高线性度的光电探测。此发明可有效解决全波形测量激光雷达系统接收光信号的高灵敏、大动态和高线性度探测需求，也适用于其它激光雷达系统以及微弱光信号探测场合。

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及激光雷达APD探测装置。

背景技术

激光雷达是一种新型的主动式遥感仪器，全波形测量激光雷达以宽带高灵敏探测技术，高保真获取、记录激光探测回波信号，进行全数字处理和子波分析，解析时域、空域、频域信息，高精度获取目标距离、反射率、粗糙度信息及其分布特征。

由于雪崩光电二极管(APD)探测器具有响应度高、响应速度快，体积小等突出优点，它成了激光雷达和激光测距系统中激光回波接收的首选探测器，APD微弱光信号探测技术是激光探测领域的关键技术之一，其设计直接影响微弱信号的检测能力，具有重要的实用价值。

传统的测距激光雷达主要对激光回波脉冲前沿进行阈值检测，因此对APD探测装置的要求较低，只需要有较高的探测灵敏度，允许除脉冲前沿外回波波形饱和、失真。全波形测量雷达需要对激光发射和回波信号同一探测器接收，因此其APD探测装置除高灵敏度要求外，还追求对激光信号的高保真放大，因此需要对激光发射和回波信号宽带高增益放大，同时保证回波信号不会因为饱和而引起波形失真。现有的APD探测装置已无法满足星载全波形测量激光雷达的探测需求。

随着我国在星载全波形测量激光雷达应用的增加，激光雷达APD探测装置的需求也更加迫切。所以，研制高灵敏、大动态、高线性度APD探测装置是提高激光雷达系统性能指标的直接要求和重要保证。

发明内容

本发明技术方案解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种用于全波形测量激光雷达的APD探测装置，解决了星载全波形测量激光雷达接收光信号高灵敏、大动态、高线性度的探测问题，也适用于其它激光雷达系统以及微弱光信号探测场合。

本发明采用的技术解决方案：

一种用于全波形测量激光雷达的APD探测装置，包括APD光电传感模块、跨阻放大模块、电压放大模块和滤波器模块；

APD光电传感模块接收外部输入的脉冲光信号，对脉冲光信号进行光电转换，并将转换后的电流信号送入跨阻放大模块，跨阻放大模块对光电转换后电流信号进行高增益电流电压转换放大，输出电压信号给电压放大模块，电压放大模块用于对跨阻放大模块输出的电压信号进行放大，放大后的电压信号通过滤波器模块进行滤波，实现对带外噪声的抑制，输出全波形测量激光雷达的波形信息。

还包括可调高压模块、温度传感模块、接口模块和低压电源模块；

温度传感模块监测APD光电传感模块的温度，并转换为相应的电信号输出，根据温度转换的电信号，生成高压遥控信号，控制可调高压模块为APD光电传感模块提供可调节的偏置高压；

接口模块用于提供温度传感模块和可调高压模块与外部的接口，低压电源模块用于供电。

跨阻放大模块与电压放大模块级联成为增益链路，跨阻放大模块采用低噪声宽带放大器，电压放大模块采用宽带双路分级级联结构。

所述电压放大模块采用宽带双路分级级联结构，具体为电压放大模块包括第一级宽带放大器、第二级高增益宽带放大器和第二级低增益宽带放大器，跨阻放大模块输出的电压信号经过第一级宽带放大器进行20dB基础增益放大，再分别通过第二级高增益宽带放大器和第二级低增益宽带放大器进行高增益放大和低增益放大，输出放大后两路电压信号给滤波器模块。

所述可调高压模块包括可调高压电源、第一放大器、DAC、分压电路和第二放大器；

外部输入的高压遥控信号通过接口模块，输入到DAC中进行数模转换，生成的模拟量信号通过第一放大器进行放大之后，输入到可调高压电源中，可调高压电源根据接收到的模拟量调整对APD光电传感模块提供的偏置高压输出；同时，所述偏置高压输出还通过分压电路转换为低压信号，经第二放大器放大后生成高压遥测信号输出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明APD探测装置增益链路采用跨阻放大器与多级电压放大器级联的增益链结构，可提升通道探测灵敏度与动态范围；

(2)本发明APD探测装置中高压调节模块可实现APD光电传感器的偏压实时调节，补偿温度改变造成的雪崩增益的变化，使APD工作于恒定增益，克服APD光电传感器因温度变化带来的响应非线性问题，保证高线性度的光电探测；

(3)本发明APD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；

(4)本发明APD探测装置适用于星载、机载和一般的地面全波形测量激光雷达，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；

(5)本发明滤波器模块采用高阶贝塞尔滤波器实现，滤除带外噪声，提升系统探测灵敏度，同时不对信号波形产生非线性失真。

附图说明

图1为本发明APD探测装置组成结构示意图；

图2为本发明APD探测装置的测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示，本发明提供了一种用于全波形测量激光雷达的APD探测装置，包括APD光电传感模块、跨阻放大模块、电压放大模块、滤波器模块、可调高压模块、温度传感模块、接口模块和低压电源模块；

APD光电传感模块接收外部输入的脉冲光信号，对脉冲光信号进行光电转换，并将转换后的电流信号送入跨阻放大模块，跨阻放大模块对光电转换后电流信号进行高增益电流电压转换放大(先进行电流到电压的转换，再对电压信号进行放大)，输出电压信号给电压放大模块，电压放大模块用于对跨阻放大模块输出的电压信号进行放大，放大后的电压信号通过滤波器模块进行滤波，实现对带外噪声的抑制，输出全波形测量激光雷达的波形信息。

APD光电传感模块是一种内光电效应的半导体探测器，在无光照条件下，PN结的空间电荷区存在内建电场，空穴和电子的漂移达到平衡。当有光照条件下，在PN结上施加一定反向偏压，使受光照产生的电子空穴对获得加速，从而与晶格产生碰撞，使晶格内的原子产生电离，制造新的电子空穴对，这种过程不断重复，使PN结内载流子迅速增加，使光电流得到倍增。本发明选用C30954E探测器用以实现光电转换功能。

温度传感模块监测APD光电传感模块的温度，并转换为相应的电信号输出，根据温度转换的电信号，生成高压遥控信号，控制可调高压模块为APD光电传感模块提供可调节的偏置高压；接口模块用于提供温度传感模块和可调高压模块与外部的接口，低压电源模块用于供电。

跨阻放大模块与电压放大模块级联成为增益链路，跨阻放大模块采用低噪声宽带放大器，电压放大模块采用宽带双路分级级联结构。

电压放大模块采用宽带双路分级级联结构，具体为电压放大模块包括第一级宽带放大器、第二级高增益宽带放大器和第二级低增益宽带放大器，跨阻放大模块输出的电压信号经过第一级宽带放大器进行20dB基础增益放大，再分别通过第二级高增益宽带放大器和第二级低增益宽带放大器进行高增益放大和低增益放大，输出放大后两路电压信号给滤波器模块。高增益放大是指进行增益为40～60dB的放大，所述低增益放大是指进行10～20dB的放大。

高低增益双路放大可大幅提升通道探测动态范围，保证回波信号不会因为饱和而引起波形失真。同时，为实现探测装置窄脉冲信号的探测需求，跨阻放大、第一级、第二级电压放大电路带宽设计值为180MHz，级联实现150MHz宽带放大。本发明中跨阻放大器与宽带放大器均选用TI公司的OPA847低噪声宽带放大器，其增益带宽积可达3900MHz，输入噪声电压密度为0.85nV/HZ^-1/2，输入噪声电流密度为2.5pA/HZ^-1/2，满足应用需求。

本发明中滤波器模块采用高阶贝塞尔滤波器实现，高阶贝塞尔滤波器的阶数为5～9阶。高增益通路和低增益通路均通过高阶贝塞尔滤波器进行滤波。

高阶贝塞尔滤波器采用无源LC器件设计实现，为与前端放大电路匹配，滤波器-3dB带宽设计为150MHz，实现带外噪声的抑制，由于贝塞尔滤波器的群延时恒定特性，改善通道信噪比的同时不对信号造成非线性失真，满足信号的高保真探测需求。

可调高压模块包括可调高压电源、第一放大器、DAC、分压电路和第二放大器；

外部输入的高压遥控信号通过接口模块，输入到DAC中进行数模转换，生成的模拟量信号通过第一放大器进行放大之后，输入到可调高压电源中，可调高压电源根据接收到的模拟量调整对APD光电传感模块提供的偏置高压输出；同时，所述偏置高压输出还通过分压电路转换为低压信号，经第二放大器放大后生成高压遥测信号输出。

温度传感模块对探测器的温度变化实时、精密的转换为相应的电压信号输出，并通过匹配接口送给外部采集，根据测得的温度数据和2.1V/℃的温度调节系数，产生高压调节遥控指令，通过RS422电平的SPI接口输入给高压调节模块的DAC中，DAC产生0～5V的模拟控制信号，经第一放大器调节后实现0～2.048V的高压模块控制电压，控制可调高压模块为APD探测器提供0～500V的偏置高压，实现APD光电传感器的偏压实时调节，补偿温度改变造成的雪崩增益的变化，使APD工作于恒定增益，克服APD光电传感器因温度变化带来的响应非线性问题，保证高线性度的光电探测。

实施例：

本发明已应用于一台星载植被全波形测量激光雷达设备中，该激光雷达通过APD探测装置对1064nm波长的激光发射及回波脉冲进行光电转换与宽带放大，放大后信号送至雷达信号处理单元的高速A/D进行信号采集与处理。

经测试，APD探测装置可对10nW～2450nW的光信号进行无失真光电转换与宽带放大，输出信号幅度为8mV～1540mV，光信号探测灵敏度可达10nW，模块增益为0.8MV/W，线性动态范围大于45dB，测试结果如图2所示。满足星载植被全波形测量激光雷达的应用需求。