[发明专利]星载光子计数激光雷达探测与采集系统的软硬件协同设计方法

权利要求书

1.一种星载光子计数激光雷达探测与采集系统的软硬件协同设计方法，其特征在于，系统基于集成FPGA和ARM的全可编程异构芯片ZYNQ设计，硬件部分在FPGA中实现，主要完成激光器同步触发时序控制、光子脉冲计数、FIFO数据缓存和累加平均等功能，其中光子脉冲计数功能在FPGA内部实现，最终光子数随时间的分布数据被转换成AXI4-Stream数据流，并通过DMA控制器发送到DDR3 SDRAM中缓存，ARM读取数据并完成预处理后，通过FPGA写入SSD固态存储器中。

2.根据权利要求1所述的一种星载光子计数激光雷达探测与采集系统的软硬件协同设计方法，其特征在于，系统采用全固态、稳定性好的半导体盖革模式雪崩光电二极管接收回波光信号。

3.根据权利要求1所述的一种星载光子计数激光雷达探测与采集系统的软硬件协同设计方法，其特征在于，系统包括主被动混合淬火电路，包括以下步骤：S1、检测脉冲放大器输出；S2、一旦检测到，使雪崩光电二极管的反向偏置低于雪崩击穿电压完成淬火，该功能通过图中单稳态触发电路实现，脉冲宽度为10ns；S3、延时一定时间后再次使APD反向偏置电压高于雪崩电压，此时探测器进行就绪状态，等待下一个光子的到来。

4.根据权利要求1所述的一种星载光子计数激光雷达探测与采集系统的软硬件协同设计方法，其特征在于，还包括偏压监测及控制电路和温度监测及TE制冷电路。

5.根据权利要求1所述的一种星载光子计数激光雷达探测与采集系统的软硬件协同设计方法，其特征在于，系统共由三个通道，分别为532nm垂直通道、532nm水平通道和1064nm通道；三通道均采用APD进行探测，APD将入射的单光子信号转为微弱窄脉冲，信号经信号调理电路转换为幅值为3.3V，脉宽为10ns的标准LVTTL脉冲信号送入计数系统计数，并存入相应通道的FIFO存储器缓存。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种星载光子计数激光雷达探测与采集系统的软硬件协同设计方法，其特征在于，ZYNQ的PS部分集成双核ARM Cortex-A9处理器，其中一个ARM充当系统的控制中心，首先进行内部模块的初始化，包括DMA控制器、CAN总线控制器、GPIO以及光子计数模块，初始化完成后，系统开始自检，如激光器能量、波长是否正常，如异常则通过CAN总线将异常状态发送给卫星平台。

7.根据权利要求6所述的一种星载光子计数激光雷达探测与采集系统的软硬件协同设计方法，其特征在于，自检完成后控制系统进行雪崩光电二极管反向偏置电压的设置，为使采集系统探测的增益不随时间变化，保证在整个大气探测距离范围内具有一致性，探测器需工作在恒压、恒温条件下，通过反馈回路可以获取探测器偏压及温度值，通过增加或减小参数进行动态调整，其中温度控制采取PID控制算法，PWM方式驱动TEC制冷器实现，从而使探测器处于恒定温度箱体内；反向偏置电压控制采用数字电位器实现；一切就绪后，控制器进入光子脉冲采集状态，FPGA采集的光子到达时间值在光子计数模块中累加后转换为AXI4-Stream数据流，通过ARM中DMA控制器实时存入DDR3SDRAM中缓存。

8.根据权利要求7所述的一种星载光子计数激光雷达探测与采集系统的软硬件协同设计方法，其特征在于，另一个ARM核主要用来实现数据反演和存储功能，一旦收到PL存入的计数数据，立即进入DMA中断服务程序，设置标志位通知CPU进行反演运算，反演结果存入SSD中，等待卫星指令读取。