[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

说明书

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，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DDR3SDRAM中缓存，在ARM中预处理后，存入SSD存储器。本申请的星载激光雷达采集系统采用固态APD探测器和全可编程芯片ZYNQ实现，具有软硬件工作稳定、集成度高、抗环境干扰能力强等优点。

技术领域

本发明属于激光雷达的技术领域，尤其涉及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。

背景技术

激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物，可用于探测目标距离、速度、大气成分或气体污染物含量等，也可以对目标进行三维成像。大气探测激光雷达是根据激光在大气中传输时产生气溶胶米散射，空气分子瑞利散射等作用，通过探测后向回波信号强度并反演得出气溶胶浓度、水汽等随垂直空间的分布。回波信号强度与激光器发射能量、波长以及望远镜口径、光学路径有关，如激光器能量和望远镜直径越大，回波信号越强，此时采集系统以模拟方式为主，作为主控制器的可编程逻辑器件(FPGA)主要实现与AD转换器相关的接口转换、AD时序控制、数据缓存和累加平均等功能，而将回波信号的存储、反演和分析功能交由工业控制计算机完成。相反，微脉冲激光雷达(MPL)具有体积小、重量轻和功耗低的优点，激光器一般采取高重频、低能量方式，望远镜接收的回波信号相对非常微弱，此时数据采集系统需结合光子计数方式探测远场微弱回波信号。

星载与地基激光雷达不同，载荷随火箭发射时需承受较大振动，进入预定轨道后自检、对光、探测、采集和控制均为自动进行，因此对系统抗震性、功率消耗及稳定性要求更高。在地面普遍使用的用于反演及控制，装有操作系统的工控机受恶劣环境影响，有死机等不稳定情况发生，不适合直接用于空间环境。

发明内容

为实现星载激光雷达采集系统应遵循软硬件工作稳定、高度集成、抗环境干扰能力强，为此，本发明提出了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，具体方案如下：

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，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DDR3SDRAM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。

具体地说，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。

具体地说，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。

具体地说，还包括偏压监测及控制电路和温度监测及TE制冷电路。

具体地说，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。