一种星载PMT探测器门控电路及控制方法

摘要

本发明提供一种星载PMT探测器门控电路及控制方法，包括高压产生单元、PMT探测单元以及门控脉冲单元，高压产生单元产生为PMT探测单元提供的工作偏压和为门控脉冲单元提供的门控高压；门控脉冲单元在时序控制下产生一定幅值的门控高压脉冲，通过改变PMT探测器的倍增级电压，从而使能或禁止PMT探测器工作。本发明解决了星载耐高压MOS管可靠性低的问题，PMT探测器的分压电路通过对RC电路的充放电改变了PMT探测器倍增级的级间电压，实现了对PMT探测器的门控控制；本发明有效降低了PMT探测器星载应用中近距离散射光以及背景光的影响时间，避免了带来的硬件受损、非线性、探测性能下降等问题，从而延长了PMT探测器的工作寿命，为PMT探测器的空间应用提供可靠性保障。

说明书

技术领域

本发明涉及技术领域，具体涉及一种星载PMT探测器门控电路及控制方法。

背景技术

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(LightDetectionAndRanging-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。

雪崩光电二极管(APD)和光电倍增管(PMT)是大气激光雷达比较常用的接收探测器，相比而言，PMT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在大气激光探测领域具有一定的优势。

为了提高大气激光探测的距离和精度，大气激光雷达的发射功率往往比较高，接收望远镜接收到的近距离强散射光信号很容易就使PMT达到饱和，在最后几级倍增极上形成电荷的空间积累效应。PMT若长时间受此强光照射，容易产生疲劳，不仅噪声增大，还会因注入了强光后一段时间不能恢复而造成拖尾现象，最终影响到PMT对远距离探测信号的线性响应。对于高能量、高重复频率的激光光源，其近距离强散射光甚至会使PMT的硬件受损而无法使用。

为避免该现象发生，对于近距离强散射光信号，控制PMT响应截止；对于远距离微弱信号，控制PMT响应导通，从而避开强光信号对PMT线性输出的影响。基于此，将PMT探测器(21)工作于门控模式的技术需求就被提了出来。

发明内容

本发明是为了解决PMT探测器星载应用中近距离散射光以及背景光的影响的问题，提供一种星载PMT探测器门控电路及控制方法，采用低耐压高速MOS管实现了对高压脉冲的快速开关控制，解决了星载耐高压MOS管可靠性低的问题；同时，PMT探测器的分压电路采用RC充放电电路设计，通过对RC电路的充放电改变了PMT探测器倍增级的级间电压，从而实现了对PMT探测器的门控控制。本发明有效降低了PMT探测器星载应用中近距离散射光以及背景光的影响时间，避免了带来的硬件受损、非线性、探测性能下降等问题，从而延长了PMT探测器的工作寿命，为PMT探测器的空间应用提供可靠性保障。

本发明提供一种星载PMT探测器门控电路，包括高压产生单元和与高压产生单元均电连接的PMT探测单元、门控脉冲单元，PMT探测单元与门控脉冲单元电连接；

PMT探测单元包括PMT探测器和与PMT探测器电连接的分压电路模块，分压电路模块与高压产生单元和门控脉冲单元均电连接，PMT探测器用于接收激光雷达的回波光信号并进行光电转换后输出回波电信号；

高压产生单元用于向分压电路模块和门控脉冲单元输出高压电，门控脉冲单元用于在同步触发下产生低压门控脉冲信号并转换为高压门控脉冲信号后输出至分压电路模块，分压电路模块用于接收高压门控脉冲信号后改变PMT探测器倍增级的级间电压，分压电路模块用于使PMT探测器在高压门控脉冲信号的门控时序下工作。

本发明所述的一种星载PMT探测器门控电路，作为优选方式，高压产生单元包括与分压电路模块电连接的高压模块A和与门控脉冲单元电连接的高压模块B，高压模块A用于为分压电路模块提供高压电源，高压模块B用于为MOS管开关模块提供高压电源，高压模块B的输出电压值为高压门控脉冲信号的幅值；

门控脉冲单元包括依次电连接的FPGA模块、电平转换模块和MOS管开关模块，MOS管开关模块与分压电路模块电连接；

FPGA模块用于在同步触发下产生低压门控脉冲信号，低压门控脉冲信号为具有时序的脉冲信号，电平转换模块用于将低压门控脉冲信号进行电平转换并输出MOS管控制信号至MOS管开关模块，MOS管开关模块用于接收MOS管控制信号并转换为高压门控脉冲信号向分压电路模块输出。

本发明所述的一种星载PMT探测器门控电路，作为优选方式，PMT探测器为光电倍增管，PMT探测器的倍增级为10级、工作偏压为-800V～-1100V、响应波长为230nm～870nm。

本发明所述的一种星载PMT探测器门控电路，作为优选方式，分压电路模块包括与MOS管开关模块输出端并列连接的第一RC电路、第二RC电路、第三RC电路，与第一RC电路、第二RC电路、第三RC电路的输出端均相连的DY联结、与DY联结电连接的分压电阻和与DY联结电连接的电容；

DY联结包括并列设置的K级、DY1、DY2、DY3、DY4、DY5、DY6、DY7、DY8、DY9、DY10和GND，DY1与第一RC电路的电阻输出端连接，DY2与第一RC电路的电容输出端连接，DY3与第二RC电路的电阻输出端连接，DY4与第二RC电路的电容输出端连接，DY5与第三RC电路的电阻输出端连接，DY6与第三RC电路的电容输出端连接，K级与DY1、DY7与DY8、DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间分别设置分压电阻，DY1与DY3、DY3与DY5、DY5与DY7之间分别设置分压电阻，DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间分别并联电容。

本发明所述的一种星载PMT探测器门控电路，作为优选方式，K级与DY1、DY7与DY8、DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间的分压电阻为330K，DY1与DY3、DY3与DY5、DY5与DY7之间的分压电阻为660K，DY8与DY9之间设置的电容为0.2μF/300V，DY9与DY10之间设置的电容为0.5μF/300V，DY10与GND之间设置的电容为1μF/300V。

本发明所述的一种星载PMT探测器门控电路，作为优选方式，高压模块A为连续、线性可调的高压模块，高压模块A的输入电压为10V～16V、控制电压为0～2.4V，高压模块A的输出电压为0V～-1200V、输出电流为4mA、电源纹波≤200mVpp。

本发明所述的一种星载PMT探测器门控电路，作为优选方式，高压模块B为连续、线性可调的高压模块，高压模块B的输入电压为10V～16V、控制电压为0～2.4V，高压模块B的输出电压为0V～150V、输出电流为30mA、电源纹波≤50mVpp。

本发明所述的一种星载PMT探测器门控电路，作为优选方式，FPGA模块为反熔丝型FPGA，FPGA模块用于降低空间辐射与单粒子翻转的影响，低压门控脉冲信号为脉宽200us、频率20Hz5V的负脉冲信号，MOS管控制信号为5V；

MOS管开关模块包括四个同型号N沟道的MOS管，两个MOS管并联后与另两个并联的MOS管串联，MOS管开关模块的D级输入电压为100V，高压门控脉冲信号为100V的正脉冲信号。

本发明提供一种星载PMT探测器门控控制方法，包括以下步骤：

S1、低压门控脉冲信号产生：FPGA模块在同步触发下产生低压门控脉冲信号并输出至电平转换模块；

S2、高压门控脉冲信号产生：电平转换模块将低压门控脉冲信号进行电平转换后控制MOS管开关模块向分压电路模块输出高压门控脉冲信号；

S3、PMT探测器门控工作：分压电路模块接收高压门控脉冲信号后通过并联的多级RC电路、DY联结和分压电阻改变PMT探测器倍增级的级间电压，分压电路模块通过依次设置的电容增强PMT探测器在门控时序下工作的续流能力。

本发明所述的一种星载PMT探测器门控控制方法，作为优选方式，步骤S1中，低压门控脉冲信号的脉宽200us、频率20Hz，低压门控脉冲信号为负脉冲信号；

步骤S2中，电平转换模块将低压门控脉冲信号由3.3V转换为5V，高压门控脉冲信号为100V的正脉冲信号，MOS管开关模块设置冗余；

步骤S3中，高压门控脉冲信号通过并列连接的第一RC电路、第二RC电路和第三RC电路分别输入至DY1与DY2、DY3与DY4、DY5与DY6之间，通过第一RC电路、第二RC电路和第三RC电路的充放电特性控制DY1与DY2、DY3与DY4、DY5与DY6的级间电压，以对PMT探测器进行门控控制，同时，DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间分别并联的电容的容值呈锥形递增，以增强PMT探测器输出信号的续流能力。

本发明的技术解决方案为：一种星载PMT探测器门控电路，包括高压产生单元、PMT探测单元、门控脉冲单元。其中：高压产生单元包括高压模块A与高压模块B；PMT探测单元包括PMT探测器与分压电路模块；门控脉冲单元包括FPGA模块、电平转换模块、MOS管开关模块。FPGA模块在同步触发下产生一定时序的低压门控脉冲，该信号经电平转换模块后驱动MOS管开关模块输出一定幅值的门控高压脉冲，该脉冲作用于PMT探测器分压电路模块，用于改变PMT探测器倍增级的级间电压，从而使PMT探测器在门控时序下稳定工作；高压模块B为MOS管开关模块提供高压电源，其大小即为门控高压脉冲的幅值；高压模块A的输出经分压电路模块分压后为PMT探测器各个倍增级提供工作电压，级间电压与门控高压脉冲共同作用使PMT探测器处于门控工作模式；PMT探测器用于接收激光雷达回波光信号，并完成光电转换，输出电流信号。

高压模块A为连续、线性可调的高压模块，输入电压为10V～16V，控制电压为0～2.4V，对应输出电压为0V～-1200V，输出电流为4mA，电源纹波≤200mVpp。

高压模块B为连续、线性可调的高压模块，输入电压为10V～16V，控制电压为0～2.4V，对应输出电压为0V～150V，输出电流为30mA，电源纹波≤50mVpp。

PMT探测器为光电倍增管，倍增级为10级，工作偏压为-800V～-1100V，响应波长为230nm～870nm。

分压电路模块，由3级RC电路与8级分压电路组成。其中，K级与DY1、DY7与DY8、DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间的分压电阻为330K，DY1与DY3、DY3与DY5、DY5与DY7之间的分压电阻为660K，门控高压脉冲通过3级RC网络分别输入至DY1与DY2、DY3与DY4、DY5与DY6之间，利用RC电路的充放电特性控制DY1与DY2、DY3与DY4、DY5与DY6的级间电压，实现对PMT探测器的门控控制。另外，DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间分别并联电容，并且容值呈锥形递增，保证了PMT探测器输出信号的线性度。

门控脉冲单元，由FPGA模块、电平转换模块以及MOS管开关模块组成。其中，FPGA模块，采用反熔丝型FPGA，可有效降低空间辐射与单粒子翻转的影响。工作时，FPGA在外部同步触发下产生脉宽200us、频率20Hz的低压负脉冲门控信号；电平转换模块，实现3.3V至5V的电平转换；MOS管开关模块，由四个同型号的N沟道MOS管串并联组成，D级输入电压为100V，低压门控信号从G级输入，实现5V负脉冲信号至100V的正脉冲信号的转换。MOS管的冗余设计，可有效避免某只MOS管因短路或断路引发的门控失效问题，提高了星载产品的可靠性。

本技术方案中，高压产生单元用于产生两种高压：一种用于为PMT探测单元提供工作偏压，一种用于为门控脉冲单元提供门控高压；PMT探测单元用于激光雷达回波光信号的光电转换；门控脉冲单元用于在时序控制下产生一定幅值的门控高压脉冲，通过改变PMT探测器的倍增级电压，从而使能或禁止PMT探测器工作。

本发明具有以下优点：

(1)本发明的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(21)输出信号的线性度，并且分压电路的中间3级加入RC网络，通过选择合适的RC，可改变高压门控脉冲信号的上升时间与下降时间；

(2)本发明的MOS管开关电路，采用两并两串的冗余设计方式，防止因单点MOS管短路或断路而引起的门控功能失效问题，提高了星载产品的可靠性；

(3)本发明的MOS管开关电路，采用低耐压MOS管实现了高压的开关控制，解决了星载耐高压MOS管可靠性低的问题。

附图说明

图1为一种星载PMT探测器门控电路组成结构示意图；

图2为一种星载PMT探测器门控电路的MOS管开关模块与PMT分压电路模块设计示意图；

图3为一种星载PMT探测器21门控控制方法流程图。

附图标记：

1、高压产生单元；11、高压模块A；12、高压模块B；2、PMT探测单元；21、PMT探测器；22、分压电路模；221、第一RC电路；222、第二RC电路；223、第三RC电路；224、DY联结；225、分压电阻；226、电容；3、门控脉冲单元；31、FPGA模块；32、电平转换模块；33、MOS管开关模块。

具体实施方式

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。

实施例1

如图1-2所示，一种星载PMT探测器门控电路，包括高压产生单元1和与高压产生单元1均电连接的PMT探测单元2、门控脉冲单元3，PMT探测单元2与门控脉冲单元3电连接；

PMT探测单元2包括PMT探测器21和与PMT探测器21电连接的分压电路模块22，分压电路模块22与高压产生单元1和门控脉冲单元3均电连接，PMT探测器21用于接收激光雷达的回波光信号并进行光电转换后输出回波电信号；

高压产生单元1用于向分压电路模块22和门控脉冲单元3输出高压电，门控脉冲单元3用于在同步触发下产生低压门控脉冲信号并转换为高压门控脉冲信号后输出至分压电路模块22，分压电路模块22用于接收高压门控脉冲信号后改变PMT探测器21倍增级的级间电压，分压电路模块22用于使PMT探测器21在高压门控脉冲信号的门控时序下工作；

门控脉冲单元3包括依次电连接的FPGA模块31、电平转换模块32和MOS管开关模块33，MOS管开关模块33与分压电路模块22电连接；

FPGA模块31用于在同步触发下产生低压门控脉冲信号，低压门控脉冲信号为具有时序的脉冲信号，电平转换模块32用于将低压门控脉冲信号进行电平转换并输出MOS管控制信号至MOS管开关模块33，MOS管开关模块33用于接收MOS管控制信号并转换为高压门控脉冲信号向分压电路模块22输出；

PMT探测器21为光电倍增管，PMT探测器21的倍增级为10级、工作偏压为-800V～-1100V、响应波长为230nm～870nm；

分压电路模块22包括与MOS管开关模块33输出端并列连接的第一RC电路221、第二RC电路222、第三RC电路223，与第一RC电路221、第二RC电路222、第三RC电路223的输出端均相连的DY联结224、与DY联结电连接的分压电阻225和与DY联结224电连接的电容226；

DY联结224包括并列设置的K级、DY1、DY2、DY3、DY4、DY5、DY6、DY7、DY8、DY9、DY10和GND，DY1与第一RC电路221的电阻输出端连接，DY2与第一RC电路221的电容输出端连接，DY3与第二RC电路222的电阻输出端连接，DY4与第二RC电路222的电容输出端连接，DY5与第三RC电路223的电阻输出端连接，DY6与第三RC电路223的电容输出端连接，K级与DY1、DY7与DY8、DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间分别设置分压电阻，DY1与DY3、DY3与DY5、DY5与DY7之间分别设置分压电阻，DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间分别并联电容；

K级与DY1、DY7与DY8、DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间的分压电阻225为330K，DY1与DY3、DY3与DY5、DY5与DY7之间的分压电阻225为660K，DY8与DY9之间设置的电容226为0.2μF/300V，DY9与DY10之间设置的电容226为0.5μF/300V，DY10与GND之间设置的电容226为1μF/300V；

高压模块A11为连续、线性可调的高压模块，高压模块A11的输入电压为10V～16V、控制电压为0～2.4V，高压模块A11的输出电压为0V～-1200V、输出电流为4mA、电源纹波≤200mVpp；

高压模块B12为连续、线性可调的高压模块，高压模块B12的输入电压为10V～16V、控制电压为0～2.4V，高压模块B12的输出电压为0V～150V、输出电流为30mA、电源纹波≤50mVpp；

FPGA模块31为反熔丝型FPGA，FPGA模块31用于降低空间辐射与单粒子翻转的影响，低压门控脉冲信号为脉宽200us、频率20Hz5V的负脉冲信号，MOS管控制信号为5V；

MOS管开关模块33包括四个同型号N沟道的MOS管，两个MOS管并联后与另两个并联的MOS管串联，MOS管开关模块33的D级输入电压为100V，高压门控脉冲信号为100V的正脉冲信号。

实施例2

如图1所示为本发明一种星载PMT探测器门控电路原理框图，由图1可知包括：高压产生单元1、PMT探测单元2、门控脉冲单元3。其中：高压产生单元1包括高压模块A11与高压模块B12；PMT探测单元2包括PMT探测器21与分压电路模块22；门控脉冲单元3包括FPGA模块31、电平转换模块32、MOS管开关模块33。FPGA模块31在同步触发下产生一定时序的低压门控脉冲，该信号经电平转换模块32后驱动MOS管开关模块33输出一定幅值的门控高压脉冲，该脉冲作用于PMT探测器21的分压电路模块22，用于改变PMT探测器21倍增级的级间电压，从而使PMT探测器21在门控时序下稳定工作；高压模块B12为MOS管开关模块33提供高压电源，其大小即为门控高压脉冲的幅值；高压模块A11的输出经分压电路模块22分压后为PMT探测器21各个倍增级提供工作电压，级间电压与门控高压脉冲共同作用使PMT探测器21处于门控工作模式；PMT探测器21用于接收激光雷达回波光信号，并完成光电转换，输出电流信号。

本实施例中的高压产生单元1，包括高压模块A11与高压模块B12。选用两片TI公司的12bitDACTLV5638MJGB接收外部的SPI遥控指令，使其输出0V～2.4V的模拟信号分别控制高压电源MNSX1100S与高压电源MNSX150S线性输出0V～-1200V与0V～150V，本实施中的高压模块A11输出高压-1000V，高压模块B12输出高压100V。

本实施例中的PMT探测单元2，由PMT探测器21与分压电路模块22组成。PMT探测器21选用的是HAMAMATSU公司的R9880U-01，其光电倍增级为10级，响应波长范围为230nm～870nm，工作偏压为-1100V～-800V。图2所示的分压电路模块22，由3级RC电路与8级分压电路组成。其中，K级与DY1、DY7与DY8、DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间的分压电阻为330K，DY1与DY3、DY3与DY5、DY5与DY7之间的分压电阻为660K，门控高压脉冲通过3级RC网络分别输入至DY1与DY2、DY3与DY4、DY5与DY6之间，利用RC电路的充放电特性控制DY1与DY2、DY3与DY4、DY5与DY6的级间电压，实现对PMT探测器的门控控制，不同参数的R与C可改变门控高压脉冲的上升时间、稳定时间与下降时间，进而使PMT探测器在门内响应稳定。另外，DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间分别并联电容226，并且容值呈锥形递增，保证了PMT探测器输出信号的线性度和续流能力，DY8与DY9之间设置的电容为0.2μF/300V，DY9与DY10之间设置的电容为0.5μF/300V，DY10与GND之间设置的电容为1μF/300V。本实施例中的门控脉冲单元3由FPGA模块31、电平转换模块32以及MOS管开关模块33组成。其中，FPGA模块31，采用反熔丝型FPGAA54SX72A-CQ208B，可有效降低空间辐射与单粒子翻转的影响。工作时，FPGA在外部同步触发下产生脉宽200us、频率20Hz的3.3V负脉冲门控信号；电平转换模块32，选用电平转换芯片SNJ54ACT245FK实现3.3V至5V的电平转换；图2所示的MOS管开关模块33，由四个同型号的N沟道MOS管IRHNJ6S7230串并联组成，D级输入高压100V，G级输入低压门控信号，实现5V负脉冲信号至100V的正脉冲信号的转换。

实施例3

如图3所示，一种星载PMT探测器21门控控制方法，包括以下步骤：

S1、低压门控脉冲信号产生：FPGA模块31在同步触发下产生低压门控脉冲信号并输出至电平转换模块32；低压门控脉冲信号的脉宽200us、频率20Hz，低压门控脉冲信号为负脉冲信号；

S2、高压门控脉冲信号产生：电平转换模块32将低压门控脉冲信号进行电平转换后控制MOS管开关模块33向分压电路模块22输出高压门控脉冲信号；

电平转换模块32将低压门控脉冲信号由3.3V转换为5V，高压门控脉冲信号为100V的正脉冲信号，MOS管开关模块33设置冗余；

S3、PMT探测器门控工作：分压电路模块22接收高压门控脉冲信号后通过并联的多级RC电路、DY联结和分压电阻改变PMT探测器21倍增级的级间电压，分压电路模块22通过依次设置的电容增强PMT探测器21在门控时序下工作的续流能力；

高压门控脉冲信号通过并列连接的第一RC电路221、第二RC电路222和第三RC电路223分别输入至DY1与DY2、DY3与DY4、DY5与DY6之间，通过第一RC电路221、第二RC电路222和第三RC电路223的充放电特性控制DY1与DY2、DY3与DY4、DY5与DY6的级间电压，以对PMT探测器21进行门控控制，同时，DY8与DY9、DY9与DY10、DY10与GND之间分别并联的电容226的容值呈锥形递增，以增强PMT探测器21输出信号的续流能力。

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。