[发明专利]单频激光雷达水深测量回波信号优化系统

说明书

本发明公开了单频激光雷达水深测量回波信号优化系统。它包括固体激光器(532nm)、光学接收模块、光电倍增管(PMT)、射频放大器、线性稳压模块、直流电源。激光器发出穿水性强的532nm蓝绿激光穿过水面到达水底。激光到达水底返回至光学接收模块。光学接收模块输出激光给PMT。PMT将光信号转化为微弱电流信号。射频放大电路接收电流信号并将信号有效放大。线性稳压模块为射频放大器供电，直流电源为各部分供电。本发明能够克服跨导型放大器增益带宽积的缺陷，实现大频率范围内放大PMT输出电流信号，更好地采集激光回波信号扩展动态范围，增加测水深度。

技术领域

本发明涉及激光测量领域，特别涉及单频激光雷达水深测量回波信号优化系统，应用于激光测距领域。

背景技术

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，光电倍增管测距的目的在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回波信号转化为电信号，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，但其打开时刻的难以达到ns级或者ps级的要求，因此较难控制。申请号为202110848299.6的发明公开了一种跨导型放大电路的研究，其缺陷在于：光电倍增管(PMT)输出的信号十分微弱，难以被采集电路识别，跨阻放大电路的增益带宽积决定此方式难以同时兼顾增益的同时保证带宽的需求，动态范围较小。

发明内容

针对回波信号信号微弱，跨阻放大电路难以兼顾增益和带宽的缺陷，本发明提供了单频激光雷达水深测量回波信号优化系统，当光电倍增管(PMT)接收到微弱激光信号之后，产生微弱的电流信号至射频放大电路，射频放大器中通过特殊的AC耦合方式将隔绝直流信号，射频放大器兼顾增益与带宽将信号有效的放大至适宜接收的范围，使得水底水面信号清晰可辨。

本发明包括系统组成和工作流程两个部分。

单频激光雷达水深测量回波信号优化系统由固体激光器(532nm)、光学接收模块、光电倍增管(PMT)、射频放大器、线性稳压模块、直流电源组成。

固体激光器发出穿透性强的532nm波长的蓝绿色激光。

光学接收系统其主要作用是接收固体激光器发出的激光到达物体之后反射回的激光信号；

光电倍增管(PMT)接收经光学接收模块返回的微弱激光信号，并将微弱的光信号转化为电信号；

射频放大器接收光电倍增管(PMT)产生的电流信号并将其放大，方便被后续采集电路识别。射频放大器通过本身优异的带宽特性可在800～1500MHz带宽内实现电流放大；射频放大电路采用了cascade结构以及阻容耦合的方式有效隔离输入信号中的直流分量，设置直流偏置网络的设计是为放大器提供适当的静态工作点。在电容器与输入信号之间放置了放电电阻形成对地回路防止输出偏移。射频放大器的前后要保持50欧的阻抗匹配，匹配网络采用了π型电阻网络结构。

线性稳压模块为射频放大器供电，直流电源为各部分供电。线性稳压模块选用超低噪声线性稳压器。其内部由CMOS晶体管以及误差放大器组成，从前端的输入电压中减去超额的电压，产生经调解的输出电压提供供热过载保护、安全限流等增值性能，其关断模式还能大幅降低功耗。对于射频放大器而言，噪声对信号波形是非常敏感的，线性稳压器具有非常低的输出电压纹波可以最大限度的抑制电源噪声。

单频激光雷达水深测量回波信号优化系统工作流程如下：

①上位机下发指令触发激光器，激光器发出蓝绿激光到达水面，穿过水面到达水底。

②激光经水底返回激光回波信号，被光学接收模块接收，传输给电倍增管(PMT)。