[发明专利]一种激光雷达系统中的APD探测器

说明书

本发明公开了一种激光雷达系统中的APD探测器，其包括APD器件，所述APD器件的上、下端面分别设置有NTC和TEC，而形成“三明治”结构；所述APD器件的阴极连接有向其提供反向偏置电压的偏置电源电路，所述APD器件的阳极连接有滤波器和放大器；所述NTC、TEC均与温度控制电路连接用于检测、调控APD器件的环境温度。本申请中采用了输出纹波小的偏置电源电路，使得线性模式下APD器件有着稳定的内部增益。可靠PID温度控制电路和滤波器，降低了因温漂和低频噪声带来的干扰。两级放大器使其拥有更高的增益，最小探测光功率可达10^‑8W，从而使APD探测器实现大动态范围高信噪比的激光回波信号探测。

技术领域

本发明涉及属于激光雷达领域，具体涉及一种用于激光雷达系统中大动态范围高信噪比的APD探测器。

背景技术

激光雷达作为一种主动遥感探测技术，具有较高的空间和时间分辨率，已经成为大气探测、气候变化和环境监测等研究的重要手段之一。激光雷达系统主要有激光发射单元、信号接收单元、信号探测与采集单元以及控制单元构成。其中信号探测单元多采用光电探测器来实现，其能够将望远镜接收的后向散射信号转换为电信号。而雪崩光电二极管(APD探测器)在近红外和红外区域量子效率较高，特有雪崩效应使其具有更高的内部增益，且体积较小，更易封装集成，故应用较广。

目前，应用于激光雷达系统中的高增益APD探测器，对远距离探测的回波信号有着较高的灵敏度，而对近距离的回波信号易出现饱和失真的现象。而低增益APD探测器，对近距离的回波信号探测灵敏度好，而远距离探测效果较差。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了提供了一种用于激光雷达系统中大动态范围高信噪比的APD探测器。

具体的技术方案如下：

一种激光雷达系统中的APD探测器，其包括APD器件，所述APD器件的上、下端面分别设置有NTC和TEC，而形成“三明治”结构；所述APD器件的阴极连接有向其提供反向偏置电压的偏置电源电路，所述APD器件的阳极连接有滤波器和放大器；所述NTC、TEC均与温度控制电路连接用于检测、调控APD器件的环境温度。

进一步方案，所述APD器件的光敏面直径为4000um、响应波段为500-1100nm、击穿电压为220-600V。

进一步方案，所述NTC的材料常数B为3930，在温度为25℃时其阻值为9.9-10.1KΩ。

进一步方案，所述TEC的最大输入电压为3.9V、最大输入电流为1.9A。

进一步方案，所述APD器件的内部增益M满足：

式中V为实际反向偏置电压，V_BR为击穿电压，n是常数。

进一步方案，所述偏置电源电路为反激式开关电源，其包括升压芯片、变压器、场效晶体管、电容和整流二极管，所述升压芯片串接在场效晶体管与电源之间，所述场效晶体管串接在变压器的初级线圈上，电容和整流二极管串接在变压器的次级线圈上；当升压芯片输出信号处于高电平时，场效晶体管导通、整流二极管截止，由电容输出电压；当升压芯片输出信号处于低电平时，场效晶体管关闭、整流二极管导通，经电容滤波后由次级线圈输出电压。

进一步方案，所述温度控制电路包括差分运算放大器、PID补偿放大器、脉冲调节控制器和由四个独立控制的温控MOSFET管构成的H桥电路，所述差分运算放大器与所述NTC连接，差分运算放大器的输出端经过PID补偿放大器与脉冲调节驱动控制器(PWM)连接，所述H桥电路与TEC连接用于驱动TEC工作；所述脉冲调节驱动控制器(PWM)控制H桥电路的开、关状态，进而控制TEC进行制冷或者加热。