[發明專利]一種激光雷達系統中的APD探測器

在審

• 申請號: 202211242459.3
• 申請日: 2022-10-11
• 公開（公告）號: CN115685151A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 苑克娥;呂阿康;黃見;時東鋒;陳亞峰;何子辛
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01S7/4861
• 分類號: G01S7/4861
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 汪貴艷

本發明公開了一種激光雷達系統中的APD探測器，其包括APD器件，所述APD器件的上、下端面分別設置有NTC和TEC，而形成“三明治”結構；所述APD器件的陰極連接有向其提供反向偏置電壓的偏置電源電路，所述APD器件的陽極連接有濾波器和放大器；所述NTC、TEC均與溫度控制電路連接用于檢測、調控APD器件的環境溫度。本申請中采用了輸出紋波小的偏置電源電路，使得線性模式下APD器件有著穩定的內部增益。可靠PID溫度控制電路和濾波器，降低了因溫漂和低頻噪聲帶來的干擾。兩級放大器使其擁有更高的增益，最小探測光功率可達10^?8W，從而使APD探測器實現大動態范圍高信噪比的激光回波信號探測。

技術領域

本發明涉及屬于激光雷達領域，具體涉及一種用于激光雷達系統中大動態范圍高信噪比的APD探測器。

背景技術

激光雷達作為一種主動遙感探測技術，具有較高的空間和時間分辨率，已經成為大氣探測、氣候變化和環境監測等研究的重要手段之一。激光雷達系統主要有激光發射單元、信號接收單元、信號探測與采集單元以及控制單元構成。其中信號探測單元多采用光電探測器來實現，其能夠將望遠鏡接收的后向散射信號轉換為電信號。而雪崩光電二極管(APD探測器)在近紅外和紅外區域量子效率較高，特有雪崩效應使其具有更高的內部增益，且體積較小，更易封裝集成，故應用較廣。

目前，應用于激光雷達系統中的高增益APD探測器，對遠距離探測的回波信號有著較高的靈敏度，而對近距離的回波信號易出現飽和失真的現象。而低增益APD探測器，對近距離的回波信號探測靈敏度好，而遠距離探測效果較差。

發明內容

為解決上述問題，本發明公開了提供了一種用于激光雷達系統中大動態范圍高信噪比的APD探測器。

具體的技術方案如下：

一種激光雷達系統中的APD探測器，其包括APD器件，所述APD器件的上、下端面分別設置有NTC和TEC，而形成“三明治”結構；所述APD器件的陰極連接有向其提供反向偏置電壓的偏置電源電路，所述APD器件的陽極連接有濾波器和放大器；所述NTC、TEC均與溫度控制電路連接用于檢測、調控APD器件的環境溫度。

進一步方案，所述APD器件的光敏面直徑為4000um、響應波段為500-1100nm、擊穿電壓為220-600V。

進一步方案，所述NTC的材料常數B為3930，在溫度為25℃時其阻值為9.9-10.1KΩ。

進一步方案，所述TEC的最大輸入電壓為3.9V、最大輸入電流為1.9A。

進一步方案，所述APD器件的內部增益M滿足：

式中V為實際反向偏置電壓，V_BR為擊穿電壓，n是常數。

進一步方案，所述偏置電源電路為反激式開關電源，其包括升壓芯片、變壓器、場效晶體管、電容和整流二極管，所述升壓芯片串接在場效晶體管與電源之間，所述場效晶體管串接在變壓器的初級線圈上，電容和整流二極管串接在變壓器的次級線圈上；當升壓芯片輸出信號處于高電平時，場效晶體管導通、整流二極管截止，由電容輸出電壓；當升壓芯片輸出信號處于低電平時，場效晶體管關閉、整流二極管導通，經電容濾波后由次級線圈輸出電壓。

進一步方案，所述溫度控制電路包括差分運算放大器、PID補償放大器、脈沖調節控制器和由四個獨立控制的溫控MOSFET管構成的H橋電路，所述差分運算放大器與所述NTC連接，差分運算放大器的輸出端經過PID補償放大器與脈沖調節驅動控制器(PWM)連接，所述H橋電路與TEC連接用于驅動TEC工作；所述脈沖調節驅動控制器(PWM)控制H橋電路的開、關狀態，進而控制TEC進行制冷或者加熱。