阅读说明：本技术 一种光电倍增管选通变增益系统 (Photomultiplier gating variable gain system ) 是由 周国清 赵大为 周祥 林锦纯 刘哲贤 徐超 伍宫北 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种脉冲激光雷达的新型PMT选通变增益系统。包括多像素光子计数器、分压网络和AGC变增益单元、选通脉冲单元、直流高压网络、光电倍增管同步控制单元,多像素光子计数器将接收到的光信号转为电信号；分压网络将多像素光子计数器产生的电信号初步放大,一路进入AGC变增益单元,另一路进入选通脉冲单元；选通脉冲单元控制第一打拿极与光电阴极之间的电势在选通脉冲到达之前保持关闭,AGC变增益单元控制打拿极之间的电势差实现电路变增益放大；经直流高压网络到达光电倍增管同步控制单元控制PMT实现快速选通变增益的目的。本发明能够有效减小回波噪声造成的误差,扩展动态范围。(The invention discloses a novel PMT gating variable gain system of a pulse laser radar. The system comprises a multi-pixel photon counter, a voltage division network, an AGC variable gain unit, a gating pulse unit, a direct current high-voltage network and a photomultiplier synchronous control unit, wherein the multi-pixel photon counter converts a received optical signal into an electric signal; the voltage division network preliminarily amplifies the electric signals generated by the multi-pixel photon counter, one path of the electric signals enters the AGC variable gain unit, and the other path of the electric signals enters the gating pulse unit; the gating pulse unit controls the potential between the first dynode and the photoelectric cathode to be kept closed before the gating pulse arrives, and the AGC variable gain unit controls the potential difference between the dynodes to realize circuit variable gain amplification; the direct current high voltage network reaches the synchronous control unit of the photomultiplier to control the PMT to realize the purpose of fast gating and gain changing. The invention can effectively reduce the error caused by echo noise and expand the dynamic range.)

一种光电倍增管选通变增益系统

技术领域

本发明涉及激光测量领域，特别涉及一种光电倍增管选通变增益系统，应用于激光测距领域。

背景技术

随着激光技术在各个领域的蓬勃发展，激光测距的技术已经趋于完善和成熟其中脉冲激光技术也逐渐趋向成熟，应用方向也得到扩展。脉冲式激光测量采用激光器作为光源，发射出的激光到达被测量物体的表面，经过反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间，光速和往返时间的乘积的一半就是测距仪和被测量物体之间的距离，具备结构简单，价格低廉，可靠性高，抗干扰性能强，不需要合作目标等优点，在民用和军事上得到了广泛应用。

为了探测不同距离激光回波脉冲的不同时刻，一般采用光电倍增管测量方法，光电倍增管测距法的目的在于便于处理不同距离接收到的激光信号。在测量距离时，控制光电倍增管在相应时刻接收到激光信号，并将光信号转化为电信号，而电信号的幅值大小则反映了被测物体的距离大小。

目前主要的光电倍增管测量方法有常闭式、常开式两种测量方法；常开式光电倍增管测量方法结构简单，但其难以匹配不同测量距离的设计要求；常闭式光电倍增管测量方法需要通过外部控制其打开或者关闭，常应用于不同深度范围下的测量，但其打开时刻的选取难以达到ns级或者ps级的要求，因此较难控制；申请号为201510200729.8的发明公开了一种双通道时刻鉴别电路的研究，其缺陷在于：难以精确控制常闭式光电倍增管的打开与关闭，提供选通脉冲宽度(门宽)和延迟时间的选择，不同测量距离下调节增益较为复杂，在选通时刻常常因为幅值过大而造成饱和，有必要对上述选通变增益系统进行改进和完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲激光雷达的新型PMT选通变增益系统，能够有效避免因回波幅度造成光电倍增管的饱和，可准确通过多像素光子计数器(MPPC)判断选通时刻，提高测量的动态范围，从而进一步有效提高脉冲式激光测距的测量精度。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：一种脉冲激光雷达的新型PMT选通变增益系统，包括多像素光子计数器(MPPC)、分压网络和AGC变增益单元、选通脉冲单元、直流高压网络、光电倍增管同步控制单元；多像素光子计数器(MPPC)与分压网络中，接收到的激光信号经多像素光子计数器(MPPC)转化为电信号，电信号进入分压网络中，分压网络根据接收到的电信号调整并传输至下一单元；AGC变增益单元接收到信号之后根据信号强度产生相应的增益信号；选通脉冲单元接收信号之后产生选通信号，增益信号与选通信号经直流高压网络与光电倍增管同步控制单元给光电倍增管相应控制信号。

本发明的有益效果是：采用一种脉冲激光雷达的新型PMT选通变增益系统，包光电倍增管同步控制单元括外触发光电转换技术，选通技术与变增益技术结合，两种方法结合共同获取和决定激光回波的到来时刻与动态范围，即提高了激光测距的动态范围，又有效提供选通的主波信号可控制与光电倍增管保持同步；另一方面，选通技术与变增益技术结合即有效解决了常闭式光电倍增管选通时刻打开与关闭，又克服激光回波脉冲幅度变化引起的过饱和问题产生的影响；本发明适合于高能量的窄脉冲和大距离范围的探测，能够客服时间选通和回波幅度引起的过饱和。

附图说明

图1是本发明原理框图。

图2是本发明接收系统中选通脉冲单元电路结构图。

图3是本发明接收系统中AGC变增益单元电路结构图。

图4是本发明接收系统选通实现原理波形图。

具体实施方式

实施例：

结合图1一种脉冲激光雷达的新型PMT选通变增益系统，包括多像素光子计数器(MPPC)、分压网络和AGC变增益单元、选通脉冲单元、直流高压网络、光电倍增管同步控制单元；多像素光子计数器(MPPC)与分压网络中，接收到的激光信号经多像素光子计数器(MPPC)转化为电信号，电信号进入分压网络中，分压网络根据接收到的电信号调整并传输至AGC变增益单元和选通脉冲单元；根据光脉冲的时间延时和电学脉冲的时间延时，给AGC变增益单元和选通脉冲单元分别设定固有延时。AGC变增益单元接收到信号之后根据信号强度产生相应的增益信号；选通脉冲单元接收信号之后产生一个超快、高压、窄脉宽选通信号，增益信号与选通信号经直流高压网络与光电倍增管同步控制单元给光电倍增管同步控制信号。

结合图2，选通脉冲单元包括雪崩三极管和二极管削波电路，雪崩三极管产生超快阶跃高压脉冲，再通过二极管削波电路对超快阶跃高压脉冲进行削波处理，输出选通脉冲信号。优选地，选通脉冲信号为皮秒选通脉冲信号。分压网络输出端一与雪崩三极管Q1第一端相连，雪崩三极管Q1第二端与第一二极管VD1的第一端相连；雪崩三极管Q1第二端与第二二极管VD2的第二端相连；雪崩三极管Q1第三端与第一电压源E1的第二端相连雪崩三极管Q1第三端与第二电压源E2的第一端相连；第一二极管VD1的第二端与第一电压源E1的第一端相连；第二二极管VD2的第一端与第二电压源E2的第二端相连；差分器U1第一端与雪崩三极管Q1相连；差分器U1第二端与雪崩三极管第三端相连；

结合图3，所述AGC变增益单元包括跨阻放大电路和AGC电路以及开关和输出缓冲电路组成，主放大电路分为三级放大对信号增益进行控制，AGC电路产生合适的开关控制信号，AGC变增益单元通过控制最后一级打拿极与倒数第二打拿极之间的电势差实现初步电路变增益放大过程。优选地，提高输入动态范围。

结合图3，差分器U1第三端与第二运放U2第一端相连；第二运放U2第二端与第三运放U3第一端相连；第三运放U3第二端与第四运放U4第一端相连；第四运放U4第二端与第五运放U5第一端相连；第五运放U5第二端与光电倍增管选通变增益控制电路相连；开关SWh1第一端与第二运放U2第二端相连；开关SWh1第二端与第5运放U5第二端相连；开关SWh1第三端与AGC第一端相连；开关SWh2第一端与第三运放U3第二端相连；开关SWh2第二端与第5运放U5第二端相连；开关SWh2第三端与AGC第二端相连；开关SWh3第一端与第三运放U4第二端相连；开关SWh3第二端与第5运放U5第二端相连；开关SWh3第三端与AGC第二端相连；

结合图4，a为系统关闭状态，此时多像素光子计数器(MPPC)未接收到激光信号，光电阴极电势高于打拿级电势。光电阴极与打拿级之间存在电势差，此时系统处于关闭状态。b为系统选通状态，多像素光子计数器接收到激光信号，并将信号初步处理传送至分压网络，分压网络将信号处理并分为两路电脉冲信号，触发选通和变增益，再经过直流高压网络产生的电压加载在光电倍增管的控制电路上，光电阴极电势叠加一个脉冲负高压，当光电阴极电势低于打拿级时光电倍增管就处于导通状态。

结合图4，根据理论分析和实验验证，脉冲激光雷达的新型PMT选通变增益系统中关闭与导通状态波形的示意图如图4所示，图中V1(t)为光电阴极电势波形，V2(t)为打拿级电势。当系统处于关闭状态时，V1(t)<V2(t)时光电倍增管处于关闭区间。V1(t)>V2(t)时光电倍增管处于选通区间。

在接收到目标激光信号时，示波器检测目标信号是否可检测到波形，当接收信号在选通区间内产生相应的波形，即认为系统有效。