[发明专利]测水激光雷达PMT动态增益控制系统

说明书

本发明公开了一种测水激光雷达PMT动态增益控制系统。由电源模块、激光模块、光学接收模块、探测模块、衰减器模块、采集模块、控制模块、DA模块、POS模块构成。控制模块接收POS数据后，根据高程计算出门控时间，控制门控信号，控制PMT开关；激光回波经光学接收模块后被PMT接收由光信号变成电信号，再经衰减器衰减，通过高速AD采集将模拟信号转成数字信号并找到最大值，将其反馈给控制模块，控制模块通过分析判断是否要通过DA模块调整PMT的增益电压。本发明用高速AD采集模块中的FPGA控制PMT开关，选择性接收水面反射或水底回波信号，实现PMT增益自适应，提高探测的精准度，避免未知水域断崖式与突起式地形带来的回波信号微弱与饱和问题。

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，特别涉及到测水激光雷达探测，提出了测水激光雷达PMT动态增益控制系统。

背景技术

激光测水的回波信号包括水面反射、水体后向散射和水底反射的信号。由于激光束在水下的衰减较在空气中的衰减大得多。水面回波信号较海底回波的强度大得多,其动态范围一般可达56个数量级。当利用门控技术将水面与水底信号分离后，水面回波因水面反射较强往往处于饱和状态，此时光学接收通道需要低增益的PMT降低感光灵敏度；水底回波信号因水体的衰减较弱，此时光学接收通道需要高增益的PMT提高感光灵敏度；在未知水域，回波需要自适应可调增益的PMT以应对断崖式或突起式地形。若采用线性光电转换,现有的电子线路很难承受如此大动态范围的输入信号(即使能够承受这种信号的输入,信号的峰值通常将超过数字化设备的动态范围，结果是海底的回波信号相比水面反射和后向散射回波信号的幅值小得多)。因此,在几十到几百个纳秒内大动态范围变化的激光回波信号必须压缩或分离。

申请号为CN201911261237.4的专利中通过FPGA远程控制PMT增益电压，从而改变PMT增益，但依然需要人为从上位机输入参数才能控制PMT增益。2009年李燕在应用光学上发表的距离选通变增益光电倍增管探测系统的设计一文中，选用了高速电路及高压脉冲电路，成本高且技术复杂，难以量产。

发明内容

针对PMT增益变化需人为输入参数、成本高技术复杂难量产的问题，本发明提出测水激光雷达PMT动态增益控制系统。其目的是通过PMT增益可调节技术，增加探测精准性；控制回波在高速AD采集的合理范围内，避免未知水域断崖式与突起式地形带来的回波信号微弱与回波信号饱的问题，在一定程度上保护PMT，成本低便于实现，只需要一个光学通道就可以选择性接收水面反射、水体后向散射和水底反射的信号。在实际测量中，通过将FPGA门控、分析反馈数据、控制PMT增益电压功能融入高速AD采集模块，可以降低功耗及重量。

本发明的技术方案包括测水激光雷达PMT动态增益控制系统的组成及其工作流程。

测水激光雷达PMT动态增益控制系统由电源模块、激光模块、光学接收模块、探测模块、衰减器模块、采集模块、控制模块、DA模块、POS模块构成。

电源模块提供激光模块与POS模块的+24V直流电源、探测模块的驱动电压+15V直流电源、控制模块与AD采集模块的+12V直流电源、DA模块的+5V直流电源；

激光器发射可穿透水体的532nm激光，以便在水底形成激光回波；

光学接收模块，接收激光器发射激光打到目标后的回波信号，并剔除杂光且防止回波光的强度太大；

探测模块在接收激光回波后将光信号变成电信号，并可以根据增益电压的不同提供不同的增益，改变探测范围，根据门控信号选择开通与关闭；

衰减器模块一端连接探测模块，一端连接采集反馈模块，将电信号衰减到采集反馈模块适合的范围；

采集模块将经衰减器衰减后的电信号转换成数字信号并找到最大值，因为激光的重频较高，脉宽较窄，所以对采集速率的要求较高。

POS模块接收卫星信号并传递给控制模块。