潘 超，李涼海，趙一鳴，王麗東，時(shí)志云，胡濤濤

多通道高計(jì)數(shù)率單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

（1 北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076 2 中國(guó)航天電子技術(shù)研究院 北京 100094）

光子計(jì)數(shù)探測(cè)具有極高的探測(cè)靈敏度，已成為大氣探測(cè)激光雷達(dá)的主流探測(cè)手段。設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的8通道高計(jì)數(shù)率單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，提出了一種基于多相時(shí)鐘過(guò)采樣的光子脈沖檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了2 ns的光子脈寬分辨率、200 MCPS的光子計(jì)數(shù)率、無(wú)死時(shí)間的連續(xù)多通道同步計(jì)數(shù)，具有高計(jì)數(shù)率、高實(shí)時(shí)性、高集成度的特點(diǎn)。系統(tǒng)已裝備于北京遙測(cè)技術(shù)研究所研制的多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)中，在激光雷達(dá)大氣遙感中發(fā)揮了重要作用。

光子計(jì)數(shù)；大氣探測(cè)激光雷達(dá)；微弱信號(hào)探測(cè)；FPGA

引言

大氣探測(cè)激光雷達(dá)是用于大氣氣溶膠、水汽探測(cè)及特性研究的有效工具，不僅可定量獲取不同探測(cè)波長(zhǎng)下大氣氣溶膠和云的光學(xué)參數(shù)空間分布，還可反演得到氣溶膠和云的微物理參數(shù)空間分布[1,2]，是近年來(lái)激光大氣遙感的重點(diǎn)發(fā)展方向。大氣探測(cè)激光雷達(dá)大多采用非相干探測(cè)，利用接收望遠(yuǎn)鏡接收脈沖激光與目標(biāo)大氣相互作用產(chǎn)生的后向散射光信號(hào)，通過(guò)光電倍增管PMT（Photomultiplier Tube）等光電探測(cè)器將后向散射光信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的光電流，再通過(guò)模擬探測(cè)、光子計(jì)數(shù)探測(cè)等方式實(shí)現(xiàn)光電流的測(cè)量，進(jìn)而反演出探測(cè)目標(biāo)大氣光學(xué)參數(shù)與微物理參數(shù)的時(shí)空分布。

模擬探測(cè)采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，將光電探測(cè)器輸出的微弱電流數(shù)字化，獲得隨時(shí)間變化的后向散射信號(hào)強(qiáng)度信息，此方式適合測(cè)量相對(duì)較強(qiáng)的光信號(hào)，具有較好的線性。當(dāng)光信號(hào)極其微弱時(shí)，受系統(tǒng)電噪聲的影響，探測(cè)靈敏度不高，一般在nW量級(jí)。而光子計(jì)數(shù)探測(cè)則是利用在弱光條件下，光電探測(cè)器輸出電信號(hào)為離散脈沖的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)光子脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)與光強(qiáng)成線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)后向散射光強(qiáng)的獲取[3]。因此，光子計(jì)數(shù)探測(cè)具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、線性區(qū)寬和可實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)。隨著大氣激光雷達(dá)逐漸向高重頻、低單脈沖能量、多通道多模式發(fā)展，導(dǎo)致單脈沖后向散射回波信號(hào)極為微弱，回波信號(hào)功率一般都在pW量級(jí)，使得光子計(jì)數(shù)探測(cè)已逐漸取代模擬探測(cè)，成為大氣探測(cè)激光雷達(dá)主流探測(cè)手段。

對(duì)于多波長(zhǎng)、多通道大氣探測(cè)激光雷達(dá)，單光子計(jì)數(shù)探測(cè)要求探測(cè)系統(tǒng)具有高帶寬、高計(jì)數(shù)率和高時(shí)間分辨率，多通道探測(cè)要求系統(tǒng)具有高并行處理能力、高數(shù)據(jù)吞吐率、高集成度與低功耗[3]。傳統(tǒng)的探測(cè)系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）與數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）組合的形式，用FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。由于DSP為串行處理，為了滿足多通道實(shí)時(shí)處理勢(shì)必會(huì)帶來(lái)更復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與更高的功耗。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于FPGA的大氣探測(cè)激光雷達(dá)多通道單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，將系統(tǒng)控制和多通道光子信號(hào)采集處理算法，采用FPGA內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)具有更高的實(shí)時(shí)性和集成度以及更低的功耗，更加有利于多波長(zhǎng)、多通道大氣探測(cè)激光雷達(dá)的應(yīng)用。本系統(tǒng)已裝備于北京遙測(cè)技術(shù)研究所自主研制的多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于355 nmP、355 nmS、532 nmP、355 nmS、386 nm、407 nm、607 nm、1 064 nm（P代表平行偏振，S代表垂直偏振）八個(gè)接收通道的光子信號(hào)采集、統(tǒng)計(jì)與分析，實(shí)現(xiàn)了彈性散射、偏振散射、拉曼散射通道的一體化測(cè)量。

1 光子計(jì)數(shù)理論基礎(chǔ)

在大氣激光雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)散射回波時(shí)，如圖1所示，當(dāng)輸入到探測(cè)器靶面的光功率在10–9W以上時(shí)，光電探測(cè)器輸出的光電流為連續(xù)的電流信號(hào)；當(dāng)輸入光功率在10–11W以下時(shí)，光電探測(cè)器輸出的光電流呈現(xiàn)為離散的光電子信號(hào)脈沖，且脈沖堆疊（pile up）效應(yīng)較少[4]。因此，可采用光子計(jì)數(shù)的方法檢測(cè)處理入射光子數(shù)，實(shí)現(xiàn)極弱光功率的測(cè)量。

圖1 PMT探測(cè)器不同光強(qiáng)下輸出的光電子電流信號(hào)

典型的光子計(jì)數(shù)探測(cè)流程如圖2所示。光電倍增管對(duì)輸入光子進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出離散的光子電流脈沖，對(duì)光子電流脈沖進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換、反向放大、比較甄別、電平轉(zhuǎn)換整形后，輸入到光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)數(shù)與累加處理[4]。

圖2 典型的光子計(jì)數(shù)處理流程

大氣探測(cè)激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)時(shí)序如圖3所示。激光器在系統(tǒng)控制器觸發(fā)信號(hào)的激勵(lì)下發(fā)射激光脈沖，同時(shí)，系統(tǒng)控制器產(chǎn)生光子計(jì)數(shù)波門(mén)，光子計(jì)數(shù)器在波門(mén)有效條件下，將波門(mén)劃分為若干個(gè)連續(xù)的時(shí)間片（time bin），每個(gè)時(shí)間片對(duì)應(yīng)相應(yīng)距離的接收距離門(mén)。在每個(gè)時(shí)間片內(nèi)檢測(cè)光子脈沖，并對(duì)檢測(cè)出的光子脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，得到單個(gè)回波接收距離門(mén)內(nèi)光子脈沖計(jì)數(shù)值。完成所有距離門(mén)的光子脈沖計(jì)數(shù)后，結(jié)束單次計(jì)數(shù)流程。雷達(dá)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)在周期性的光子計(jì)數(shù)波門(mén)激勵(lì)下連續(xù)工作，并按一定積累時(shí)間對(duì)多個(gè)波門(mén)得到的，回波接收距離門(mén)序列內(nèi)光子脈沖計(jì)數(shù)值，進(jìn)行對(duì)應(yīng)距離門(mén)計(jì)數(shù)值累加，獲取激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)通道的積累回波，此回波即為激光雷達(dá)探測(cè)的原始回波信號(hào)。

圖3 大氣探測(cè)激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)時(shí)序

2 光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵指標(biāo)分析

光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)包括光子計(jì)數(shù)率、模擬帶寬、計(jì)數(shù)時(shí)間片寬度、計(jì)數(shù)波門(mén)寬度、死時(shí)間以及計(jì)數(shù)器位數(shù)與最大積累次數(shù)等[4, 5]，下面對(duì)其主要指標(biāo)進(jìn)行分析。

①計(jì)數(shù)率與模擬帶寬：在激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)探測(cè)過(guò)程中，計(jì)數(shù)率表征了光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)可分辨的最小脈沖時(shí)間間隔，而模擬帶寬決定著系統(tǒng)對(duì)窄脈沖的響應(yīng)能力。大氣探測(cè)激光雷達(dá)的光電轉(zhuǎn)換探測(cè)器，其輸出電流脈沖寬度一般在2 ns ～10 ns之間，最小脈沖間隔要求一般為5 ns～20 ns。本文中的大氣激光雷達(dá)選用日本濱松光電（hamamatsu）的PMT探測(cè)器H10721系列，單光子脈沖寬度約為2 ns，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模擬帶寬大于250 MHz，最高計(jì)數(shù)率大于200 Mcount/s。

②計(jì)數(shù)時(shí)間片寬度與波門(mén)寬度：激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)模式中，時(shí)間片寬度對(duì)應(yīng)了激光雷達(dá)的距離分辨，計(jì)數(shù)波門(mén)寬度決定了最大探測(cè)距離。理論上，時(shí)間片寬度越小越好，波門(mén)寬度越寬越好，但受限于FPGA內(nèi)部的計(jì)數(shù)器資源與緩存空間，需要折中考慮。對(duì)于大氣激光雷達(dá)，一般距離分辨要求7.5 m～60 m，最大探測(cè)距離要求15 km～60 km，對(duì)應(yīng)時(shí)間片寬度為400 ns～500 ns，計(jì)數(shù)波門(mén)寬度為100 μs～400 μs。

表1 大氣探測(cè)激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)主要指標(biāo)

③死時(shí)間：光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的死時(shí)間是指：計(jì)數(shù)器因保存數(shù)據(jù)而無(wú)法接收光子脈沖的時(shí)間，要求盡量避免死時(shí)間產(chǎn)生[6]。本系統(tǒng)計(jì)數(shù)邏輯單元在FPGA中實(shí)現(xiàn)，采用并行的乒乓工作模式，數(shù)據(jù)緩存或傳輸時(shí)可正常計(jì)數(shù)，所以本系統(tǒng)無(wú)死時(shí)間。

大氣探測(cè)激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

大氣探測(cè)激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)以ZYNQ-7000 FPGA為核心控制處理器，發(fā)揮Z7系列FPGA高性能以及片內(nèi)的ARM處理器的優(yōu)勢(shì)，單片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)所需功能，從而壓縮產(chǎn)品尺寸，降低產(chǎn)品功耗，提升可靠性。系統(tǒng)原理框圖如圖4所示，主要由光子信號(hào)整形模塊、系統(tǒng)觸發(fā)模塊、高速FPGA、千兆網(wǎng)接口模塊和相關(guān)的時(shí)鐘電源電路組成。其中，光子信號(hào)整形模塊由前置放大電路、甄別電路、電平轉(zhuǎn)換電路組成。系統(tǒng)輸入包括激光雷達(dá)所接收到的多通道大氣后向散射回波信號(hào)和系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)的輸入回波信號(hào)是PMT探測(cè)器輸出的電流脈沖，脈沖寬度約為2 ns，每個(gè)脈沖代表一個(gè)光子；系統(tǒng)輸入的觸發(fā)信號(hào)是周期為1 ms、脈寬為1 μs的方波。

圖4 光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，輸入探測(cè)器電流脈沖經(jīng)放大電路、甄別電路、電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行放大、甄別、電平轉(zhuǎn)換，最后以LVDS電平送入高速FPGA，高速FPGA在系統(tǒng)同步信號(hào)觸發(fā)下，對(duì)信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，每隔一定數(shù)量時(shí)間片，將計(jì)數(shù)保存，并將計(jì)數(shù)器清零重新計(jì)數(shù)，從而得到單個(gè)觸發(fā)下脈沖計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。由于回波信號(hào)較弱，單獨(dú)一次計(jì)數(shù)結(jié)果不滿足信噪比要求，高速FPGA將多觸發(fā)下計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行非相干積累，最終形成激光雷達(dá)回波強(qiáng)度隨時(shí)間變化的積累數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)千兆以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行所需參數(shù)，如比較閾值、計(jì)數(shù)延時(shí)、計(jì)數(shù)門(mén)寬、累加次數(shù)等，可以由上位機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)口設(shè)定。

2.3 光子整形模塊設(shè)計(jì)

光子整形模塊主要由放大電路、比較器與電平轉(zhuǎn)換芯片組成。放大電路將輸入的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，同時(shí)提供適當(dāng)增益，比較器對(duì)放大后信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后接入FPGA。光子整形模塊實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 光子整形模塊原理框圖

由于前端PMT探測(cè)器輸出的是電流信號(hào)，需要電流電壓轉(zhuǎn)換才能被后續(xù)甄別電路處理，電流電壓轉(zhuǎn)換可采用負(fù)載電阻無(wú)源取樣的方式或跨阻放大的有源放大的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。負(fù)載電阻無(wú)源取樣時(shí)，過(guò)小的取樣電阻會(huì)導(dǎo)致后續(xù)電壓放大的噪聲對(duì)整體噪聲性能影響很大，從而降低光子脈沖的鑒別能力；過(guò)大的取樣電阻會(huì)對(duì)PMT輸出電流脈沖的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生較大影響，降低光子計(jì)數(shù)的時(shí)間分辨率。同時(shí)，由于PMT內(nèi)部增益可達(dá)106，輸出的單光子脈沖電流峰值可達(dá)1 mA。綜合考慮，本系統(tǒng)選擇低輸入噪聲、高擺率、低失真運(yùn)放OPA847，以單級(jí)跨阻放大方式實(shí)現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換與放大。其中，跨阻增益由R11決定，在系統(tǒng)中選擇R11的數(shù)值為1 000 Ω，可提供–1 000 V/A的跨阻增益。此時(shí)，相位補(bǔ)償電容C11，可由式（1）計(jì)算確定：

此時(shí)可獲得260 MHz的平坦響應(yīng)。

為了降低放大后低頻噪聲以及外界的低頻干擾對(duì)后端比較器的影響，跨阻電路與比較電路之間設(shè)置了高通濾波器，C21與R21組成高通濾波器，截止頻率為10 kHz。比較器選用AD公司的ADCMP562。比較器具有極低的輸入輸出延遲與輸出延遲抖動(dòng)，比較器的比較電壓由DAC產(chǎn)生，F(xiàn)PGA可根據(jù)設(shè)置配置DAC參數(shù)，靈活配置需要的比較電平。比較器輸出電平為差分LVPECL電平模式，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS電平后送入FPGA進(jìn)行后續(xù)計(jì)數(shù)。

2.4 FPGA及光子計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)

FPGA作為板卡的核心器件，實(shí)現(xiàn)8通道光子脈沖的檢測(cè)計(jì)數(shù)以及與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信等功能。芯片選擇Xilinx公司Zynq-7030FPGA，在單芯片中集成了基于雙核ARM Cortex-A9處理器的嵌入式處理系統(tǒng)和可編程邏輯系統(tǒng)。其中，雙核ARM處理器是平臺(tái)的心臟，它包含了片上存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器接口和一套豐富的I/O外設(shè)。FPGA的PS端外接2片DDR3存儲(chǔ)器構(gòu)建1個(gè)32位寬1 GB的外部存儲(chǔ)器，用于過(guò)程數(shù)據(jù)緩存；外接一片4位寬的SPI NOR flash，用于代碼存放。

FPGA按功能分為PS內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)模塊和PL中的測(cè)量模塊。其中，網(wǎng)絡(luò)模塊基于ARM處理器架構(gòu)的SOC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包含了處理器、外圍設(shè)備、操作系統(tǒng)、板級(jí)軟件支持包、驅(qū)動(dòng)集合，能夠提供完善的千兆以太網(wǎng)支持，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息交互。而測(cè)量模塊基于可編程邏輯資源實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)光子脈沖測(cè)量及其它外部總線接口，兩者之間通過(guò)共享存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)交互。操作系統(tǒng)選用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并根據(jù)硬件板卡資源和軟件需求進(jìn)行剪裁，以適應(yīng)板卡上的硬件配置以及用戶應(yīng)用程序的軟件需求。FPGA周邊電路和內(nèi)部架構(gòu)如圖6所示。

圖6 FPGA周邊電路及內(nèi)部邏輯

光子計(jì)數(shù)功能是系統(tǒng)的核心功能，本方案中采用了一種基于多相時(shí)鐘的過(guò)采樣技術(shù)，使計(jì)數(shù)分辨率可達(dá)2 ns，實(shí)現(xiàn)高計(jì)數(shù)率的光子檢測(cè)。其實(shí)現(xiàn)方式如下：FPGA接收外部1 GHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，通過(guò)內(nèi)部混合模式時(shí)鐘管理器（MMCM）產(chǎn)生4個(gè)相位的250 MHz時(shí)鐘，相位分別為0°、90°、180°和270°。利用這四個(gè)相位的時(shí)鐘分別對(duì)輸入的光子脈沖采樣，并將四相時(shí)鐘采樣的碼值送入脈沖沿檢測(cè)算法模塊。為保證兩個(gè)連續(xù)時(shí)刻之間的采樣碼不丟失，利用雙FIFO乒乓操作將前后兩個(gè)時(shí)刻的采樣碼存入各自的FIFO中，同步進(jìn)行光子脈沖沿檢測(cè)，根據(jù)4 bit的采樣碼值中高低電平跳變判斷出當(dāng)前是否有光子脈沖，解決了光子計(jì)數(shù)的死時(shí)間問(wèn)題。光子檢測(cè)的結(jié)果存入脈沖計(jì)數(shù)模塊的FIFO中，并將每個(gè)重頻周期中對(duì)應(yīng)波門(mén)的脈沖數(shù)累加，達(dá)到累積重頻個(gè)數(shù)后，將計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)共享存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由片內(nèi)ARM處理器調(diào)度，將緩存的計(jì)數(shù)值通過(guò)千兆以太網(wǎng)上傳到上位機(jī)。原理框圖如圖7所示。

圖7 光子計(jì)數(shù)功能FPGA內(nèi)部功能框圖

3 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)實(shí)物照片如圖8所示。利用標(biāo)準(zhǔn)儀器搭建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試框圖如圖9所示。用脈沖信號(hào)源分別產(chǎn)生2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz、25 MHz、30 MHz、50 MHz、67 MHz、100 MHz、200 MHz的脈沖信號(hào)，脈沖寬度為2 ns，脈沖幅度為10 mV，模擬單光子探測(cè)器信號(hào)輸入系統(tǒng)，光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)采用內(nèi)觸發(fā)模式，重頻周期設(shè)置為1 kHz，門(mén)寬為200 ns，連續(xù)累計(jì)1 000個(gè)重頻周期。圖10所示為本系統(tǒng)對(duì)輸入200 MHz脈沖信號(hào)實(shí)際采集結(jié)果與相對(duì)誤差；圖11所示為信號(hào)源輸入不同周期的脈沖信號(hào)與本系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量值的擬合結(jié)果，通過(guò)擬合結(jié)果分析，得到線性擬合參數(shù)2=0.999 9，線性度優(yōu)良。

圖8 光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖9 光子計(jì)數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

圖10 輸入200 MHz脈沖信號(hào)采集結(jié)果與相對(duì)誤差

圖11 系統(tǒng)線性度測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)已裝備于北京遙測(cè)技術(shù)研究所自主研制的多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)[7,8]，圖12是2021年8月17日激光雷達(dá)連續(xù)對(duì)天頂觀測(cè)24小時(shí)的結(jié)果，光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。對(duì)8路接收通道中某一通道（532 nm平行偏振通道）采集到的原始大氣回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果如圖12所示。由圖12（a）可見(jiàn)，距離修正信號(hào)廓線在高空與分子信號(hào)擬合良好，驗(yàn)證了探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)該廓線還清晰刻畫(huà)了低空氣溶膠層、3 km～5 km處的薄云和8 km～10 km的高空卷云；由圖12（b）時(shí)間序列時(shí)空演化圖可見(jiàn)，激光雷達(dá)系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定探測(cè)大氣中氣溶膠和云的時(shí)空變化過(guò)程，數(shù)據(jù)連續(xù)平滑且信噪比高，驗(yàn)證了光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)異。

圖12 激光雷達(dá)回波計(jì)數(shù)與處理結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于FPGA的大氣探測(cè)激光雷達(dá)多通道單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，將系統(tǒng)控制、多通道光子信號(hào)采集處理算法采用FPGA內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)具有更高的實(shí)時(shí)性、集成度與更低的功耗。該系統(tǒng)現(xiàn)已裝備于北京遙測(cè)技術(shù)研究所的多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)中，用于雷達(dá)系統(tǒng)多通道回波信號(hào)的光子計(jì)數(shù)探測(cè)，性能優(yōu)異。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于核物理、生物化學(xué)等光子計(jì)數(shù)探測(cè)場(chǎng)景，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Design and realization of multi-channel high count rate photon counting system

PAN Chao1, LI Lianghai2, ZHAO Yiming1, WANG Lidong1, SHI Zhiyun1, HU Taotao1

（1 Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China 2 China Academy of Aerospace Electronics Technology, Beijing 100094, China）

Photon counting detection has extremely high detection sensitivity and has become the mainstream detection method of atmospheric detection Lidar. This paper designs an 8-channel high-count rate photon counting system based on FPGA. It is proposed a pulse detection method based on multi-phase clock over-sampling. The system can achieve the photon pulse width resolution of 2 ns, photon counting rate of 200 MCPS, and continuous multi-channel synchronous counting without dead time. It has the advantages of high counting rate, high real-time performance and high integration. The system is now equipped in the atmospheric multi-wavelength Raman polarization Lidar (AMPLE) developed by Beijing Research Institute for Telemetry(BRIT), which plays an important role in Lidar atmospheric remote sensing.

Photon counting; Lidar; Weak signal detection; FPGA

TN958.98

A

CN11-1780(2022)05-0089-08

10.12347/j.ycyk.20211231001

潘超, 李涼海, 趙一鳴, 等.多通道高計(jì)數(shù)率單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(5): 89–96.

DOI：10.12347/j.ycyk.20211231001

: PAN Chao, LI Lianghai, ZHAO Yiming, et al. Design and realization of multi-channel high count rate photon counting system[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(5): 89–96.

基金項(xiàng)目：中國(guó)航天科技集團(tuán)自主研發(fā)項(xiàng)目“寬幅激光三維測(cè)量與復(fù)合成像技術(shù)”

2021-12-31

2022-01-19

潘 超 1981年生，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

李涼海 1965年生，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

趙一鳴 1983年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

王麗東 1987年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)數(shù)據(jù)處理。

時(shí)志云 1980年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)電氣設(shè)計(jì)。

胡濤濤 1985年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)電氣設(shè)計(jì)。

(本文編輯：傅 杰)