專利名稱:多波長激光雷達可編程的激光觸發(fā)控制裝置的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及大氣污染檢測領域。尤其是涉及一種用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達可編程的激光觸發(fā)控制裝置。
現(xiàn)有技術中,用于探測大氣污染的激光雷達通常包含發(fā)射系統(tǒng),控制系統(tǒng),信號檢測與處理系統(tǒng)以及接收系統(tǒng)(參見
圖1),其中,激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器、發(fā)射望遠鏡等。所述的發(fā)射望遠鏡是用來改善激光發(fā)射信號的。激光經(jīng)發(fā)射望遠鏡射向大氣,在大氣中傳輸時,受到大氣介質的衰減和散射。其中的后向散射信號返回到激光雷達。激光雷達接收系統(tǒng)包括接收望遠鏡、光電轉換和放大等部分。返回到激光雷達的激光散射信號被接收望遠鏡收集,經(jīng)光電轉換放大等環(huán)節(jié),再由信號檢測與處理系統(tǒng)分析和處理,得到我們所需要的大氣參數(shù)和過程信息??刂葡到y(tǒng)是控制激光的發(fā)射與接收的同步和水平、俯仰轉動等。
探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達是一種具有大功率激光發(fā)射能力和大口徑接收望遠鏡的多波長(從紫外到紅外)的激光雷達,它的探測能力是很強的,目前我國在大氣探測多波長激光雷達中所使用的接收望遠鏡的最大孔徑為1m。
圖2是探測臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達裝置的示意圖。從圖中可見,所述的多波長激光雷達裝置具有兩臺大功率激光器,其中Nd-YAG激光器輸出三個波長的激光,分別是1060nm、532nm和355nm;XeCl激光器輸出波長為308nm。這些激光經(jīng)發(fā)射望遠鏡擴束并壓縮發(fā)散角射向大氣,接收望遠鏡是一個口徑為1米的卡塞格林式望遠鏡,焦點被側轉拉出,在焦點處有一個可調節(jié)的視場光闌。在近焦點處設置光閘,減少光閘的開關過渡時間。分光系統(tǒng)將激光雷達收集的不同波長的激光回波信息分離,并等向光電轉換器的光敏面上。其中308nm、355nm為紫外波段,采用微弱信號檢測技術(光子計數(shù)技術)進行檢測,而532nm、1060nm采用模擬信號接收技術,并通過高速A/D轉換成數(shù)字信號進入計算機進行信號處理。532nm有三個通道接收,其中有兩個通道是用來檢測激光大氣偏振信息的。
圖2所示的探測臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達裝置主要包括接收望遠鏡(1),光欄電機(2),小孔光欄(3),光閘葉片(4),光閘電機(5),準光鏡(6),308nm光路(7),355nm光路(8),1060nm光路(9),532nm光路(10),偏振棱鏡(11),532nm水平偏振(12),532nm垂直偏振(13),355nm發(fā)射望遠鏡(14),532nm發(fā)射望遠鏡(15),308nm發(fā)射望遠鏡(16),1060nm發(fā)射望遠鏡(16)。
在圖1中的控制系統(tǒng)包括光閘控制、激光觸發(fā)控制、接收信號同步控制、望遠鏡調焦控制、接收視場角控制(改變視場光闌)、濾光片選擇控制以及光軸平行調整控制。
本發(fā)明主要涉及的是所述的控制系統(tǒng)中的激光觸發(fā)控制裝置,至于其它部分的控制將在另外的專利申請中進行詳細的公開和說明。
圖3是用于探測臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的總體結構示意圖。其中,包括主計算機(1),激光電源(2),激光器(3),光學平臺(4),發(fā)射望遠鏡(5),調整鏡(6),光學平臺(7),監(jiān)視器(8),頂層樓板(9),觀測圓頂房(10),接收望遠鏡(11),光學平臺(12),分光與接收系統(tǒng)(13),控制機柜(14),光閘(15)。
激光雷達探測大氣時,大氣回波信號是隨著探測距離而變化的,探測距離越遠,信號就越小。根據(jù)激光雷達方程,我們知道,激光雷達接收信號與探測距離的平方成反比,當要求激光雷達探測距離達到40km時,信號的變化范圍將>106。由于激光雷達的激光器發(fā)射功率是有限的,因此,在探測遠距離信號時,一般都采用微弱信號檢測技術,也就是光子計數(shù)技術。特別是在紫外波段,接收器件只能采用光電倍增管。而光電倍增管有一個特性,就是當光電倍增管被較強的光照射之后(如激光雷達的近距離的強信號),需要一段恢復時間,才能使光電倍增管的輸出信號線性的反映輸入光的變化。因此,為了使激光雷達能夠準確的測量遠距離的微弱信號,除了要采用微弱信號檢測技術外,還要采取一定的措施將近距離的強信號抑制掉?,F(xiàn)在一般采用兩種方法,一種是在光電倍增管上加門控電路,一種是采用光閘技術。在光電倍增管上加門控電路的方法,實際是通過改變光電倍增管打拿極的電壓抑制激光發(fā)射時光電倍增管的增益,不能從根本消除強光照射光電倍增管光電陰極產(chǎn)生的感應噪聲,而采用光閘技術,雖然可以抑制激光雷達的近距離強信號對光電倍增管的影響,但是采用光閘技術必須要同激光觸發(fā)控制結合起來,使激光觸發(fā)信號能與光閘同步,其技術也較復雜。
圖4是光閘結構的示意圖。光閘一般由高速電機、光閘葉片和電機支架等部分組成。
當光閘接通電源時,高速電機帶動葉片旋轉,葉片旋轉到主光路時,便把主光路擋住,使光路后面的光電轉換器接收不到激光大氣回波信號。當光閘葉片缺口旋轉到主光路時,主光路打開,后面的光電轉換器便可以接收到大氣回波信號。在激光雷達觀測時,光閘的開通與關斷不能是隨機的,必須要與激光器配合起來,使激光發(fā)射與光閘旋轉同步,才能達到觀測目的。圖5表示光閘的開通與關斷的時序圖(圖5)。圖中,光閘信號是在光閘葉片對應的另一邊,加裝一套光電收發(fā)裝置—光閘信號產(chǎn)生器,使該信號—光閘信號能反映光閘葉片在主光路通斷情況。
由于光閘電機旋轉的速度很快,激光觸發(fā)頻率要低于光閘通斷的頻率,因此這就需要對光閘信號加以分頻,并采用有效的激光觸發(fā)技術對光閘的通斷進行可控的光觸發(fā)。
現(xiàn)有的激光觸發(fā)技術是采用邏輯電路利用光閘信號加以分頻并加以延時來控制激光觸發(fā)的(見圖6),但是激光觸發(fā)頻率與延時基本固定,調整很不方便。當激光雷達采用多臺激光器發(fā)射激光時,由于每臺激光器的觸發(fā)延時存在著很大差別(有的激光器的觸發(fā)延時隨溫度或電源電壓而變化),因此,現(xiàn)有的激光觸發(fā)技術不能保證在光閘窗口時間內(nèi),激光雷達能同步接收到不同波長激光在相同距離的回波信息,也不能隨意改變光閘的窗口延遲時間。
因此,本發(fā)明的目的在于,提供一種可以根據(jù)不同雷達觀測需要,并可程序控制激光觸發(fā)的具有可編程功能的激光觸發(fā)控制裝置。
為了實現(xiàn)上述的目的,本發(fā)明采用了如圖8中所述的嵌入式系統(tǒng)(微處理器),使該裝置能夠通過面板(如圖9所述的)按鈕開關手動或通過串行接口輸入?yún)?shù)改變系統(tǒng)設置,可以根據(jù)不同雷達觀測需要,實現(xiàn)程序控制激光觸發(fā)的目的。
圖1表示通常用于大氣探測的激光雷達裝置的一般原理框圖;圖2表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達裝置示意圖;圖3表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達總體結構示意圖;圖4表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達中光閘結構的示意圖;圖5表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達中光閘的開通與關斷的時序圖;圖6表示現(xiàn)有的激光觸發(fā)控制裝置的示意框圖;圖7表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達中的可編程的激光觸發(fā)器的示意框圖;圖8表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達中的可程序控制的激光觸發(fā)控制裝置的示意圖;圖9表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達中的由圖8所示顯示器控制面板部分的示意圖;圖10表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達中的可編程控制器的控制電路框圖;圖11和12表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達中的可編程控制器的參考時序框圖;圖13-18分別表示本發(fā)明用于大氣探測的多波長激光雷達中的可編程控制器的程序方框圖。
下面將結合附圖對本發(fā)明的可編程的激光觸發(fā)控制裝置,以及所述控制裝置的控制電路,參考時序圖和程序框圖作出進一步的說明。
本發(fā)明可編程的激光觸發(fā)控制裝置采用如圖7所示的設置,圖中,主光路(7-1),光閘葉片(7-2),電機(7-3),準光鏡(7-4),分光光路(7-5),激光輸出信號(同步)取樣部分,以及光電信號產(chǎn)生部分,激光輸出部分,YAG激光器,XeCl激光器,可編程激光觸發(fā)控制器,和串行接口。
在圖7中,本發(fā)明所述的控制裝置,其中的可編程激光觸發(fā)控制器,可以通過程序控制分別改變兩臺激光器的觸發(fā)頻率。這兩個激光觸發(fā)信號的頻率可以是相同的,也可以是不同的,如觸發(fā)控制準分子激光器為100次/秒,而YAG激光器的觸發(fā)頻率為5次/秒;可以通過程序控制分別改變兩臺不同激光器的觸發(fā)延遲時間,使兩臺激光器能同時觸發(fā)發(fā)射。如觸發(fā)YAG激光要比準分子激光器提前100多微秒觸發(fā),使兩臺激光器同時出光;可以通過程序控制改變延時時間,使激光觸發(fā)發(fā)射位于光閘窗口在預定的時間打開。光閘窗口可以在雷達回波信號的“0”公里處打開,也可以在15km處打開;可以程序控制兩臺激光器每組激光觸發(fā)次數(shù),并記錄已觸發(fā)的次數(shù);可以程序控制兩臺激光器每組激光觸發(fā)的間歇時間,并可以從面板來顯示間歇時間的倒計時;可以程序控制兩臺激光器觸發(fā)組數(shù),并可記錄和顯示已觸發(fā)的組數(shù);可以分別記錄并顯示兩臺激光器觸發(fā)的總次數(shù)。
本發(fā)明所述的控制裝置,能夠自動檢測光閘轉速頻率。當光閘轉速低于或高于預置頻率時,該裝置能自動禁止激光觸發(fā),防止由于光閘轉速不穩(wěn)時出現(xiàn)激光誤觸發(fā)信號,造成光電倍增管受到強信號的照射,或者是激光雷達接收到不正確的回波信號。
本發(fā)明所述的控制裝置,設有模擬光閘信號,便于對該裝置進行檢測,并可在光閘窗口處于常開狀態(tài)時(光閘停轉或沒有光閘)進行激光觸發(fā)控制。
本發(fā)明所述的控制裝置,具有標準的RS-422A串行接口,使該裝置與主控計算機聯(lián)接,實現(xiàn)激光雷達整機自動化操作。
本發(fā)明所述的控制裝置,具有多種觸發(fā)方式A.非同步觸發(fā)B.同步、同時觸發(fā)C 同步、非同時觸發(fā)(激光雷達可以接收某個波長的遠距離信號,同時可接收另一個波長的近距離信號)。
本發(fā)明所述的控制裝置,具有出錯顯示功能。當輸入?yún)?shù)出現(xiàn)錯誤時,該裝置能夠顯示出錯信息并暫停工作。如在同步觸發(fā)工作方式下,要求該裝置觸發(fā)準分子激光器頻率為100次/秒,而輸入給該裝置觸發(fā)YAG激光器頻率的信息是9次/秒。因為二臺激光器的觸發(fā)頻率不能整除,則該裝置將顯示出錯。
本發(fā)明所述的控制裝置,具有光閘參數(shù)輸入功能,該裝置能夠根據(jù)光閘參數(shù)和其它輸入指令參數(shù),自動計算并改變內(nèi)部控制參數(shù)。因此,可以適應不同轉速的光閘。
本發(fā)明所述的控制裝置,具有指令參數(shù)記憶功能。嵌入系統(tǒng)內(nèi)存?zhèn)溆须姵毓╇?,當關機時,內(nèi)存可以記憶下編程數(shù)據(jù),減少每次開機重新編程或修改程序的復雜性。
本發(fā)明所述的控制裝置,其內(nèi)具有預置的基本指令參數(shù)編程,當編程出現(xiàn)錯誤時,除按提示信息修改參數(shù)外,還可以通過復位的辦法,回到基本的預置程序。
本發(fā)明所述的控制裝置,對以上操作可通過面板手動編程,也可聯(lián)機編程。
由于本發(fā)明所述的控制裝置具有以上智能化操作的功能,使得該裝置能夠滿足多波長激光雷達以及其它不同類型的激光雷達的需要。同時由于具備標準的串行數(shù)據(jù)通訊接口,可以聯(lián)接不同型號的主控計算機,使激光雷達能夠在不同觀測要求下實現(xiàn)整機觀測的自動化控制。
圖8是可程序控制的激光觸發(fā)控制裝置的可編程激光觸發(fā)控制器的示意方框圖。其中,串行接口,并行接口,數(shù)字顯示,面板手動開關,嵌入式系統(tǒng),控制電路。其中,嵌入式系統(tǒng)采用8位微處理器,型號為CPU-Z64180,RAM-8K,EPROM-8K,控制程序由匯編語言寫成并固化在EPROM內(nèi),時鐘頻率12M。
圖9是圖8所示的數(shù)字顯示,它是8位七段LED數(shù)字顯示器。所示的面板手動開關為按鈕開關。圖中,八位七段LED數(shù)字顯示器(8-1),復位(8-2),電源開關(8-3),選擇(8-4),增量(8-5),減量(8-6),啟動/停止(8-7)。
圖中手動開關的并行接口工作在中斷方式。串行接口有2個,一個是RS-422A,它可與控制計算機聯(lián)接,一個是RS-232C,用于調試程序。其中,輸入輸出信號變換電路是光電隔離器,目的是提高該裝置的抗干擾能力。以上電路比較通用,其電路圖省略。
圖10是控制電路方框圖,在該方框圖中,光閘信號和自檢信號進入選通電路,再進入分頻2和延時2,激光輸出1和2,以及頻率檢測和定時信號分別進入分頻1和延時1,以及選通和計數(shù)/定時1和2,電路中除選通電路外,其余電路均采用可編程器件8253,使控制電路大大簡化,控制功能由軟件程序決定。并參考時序圖(圖11)和程序方框圖(圖13-圖18)。
在圖11中,CPU總線的信號通過并行接口,以及激光輸出信號1、2經(jīng)變換后,分別進入相應的分頻、延時器,再按時序輸出激光觸發(fā)輸出1和2。
在圖12所示的時序圖中,表示光閘信號與YAG激光觸發(fā)延時,與XeCl激光觸發(fā)延時,YAG激光觸發(fā)與YAG激光脈沖的YAG觸發(fā)延時,以及XeCl激光觸發(fā)與XeCl激光脈沖的XeCl觸發(fā)延時之間的時序關系。其中,同頻異步觸發(fā)光子計數(shù)取高層信號,A/D取近距離信號。
在圖13-18的程序框圖中,分別為A表示主程序方框圖,B表示啟動/停止中斷程序方框圖,C表示選擇中斷,D表示增量、減量中斷程序方框圖,E表示計數(shù)/停止中斷程序方框圖,F(xiàn)表示光閘頻率檢測中斷程序方框圖。對上述程序框圖的說明從當改變激光發(fā)射在光閘窗口的時間位置時,只要通過程序重新對延時電路的總延時進行編程就可以實現(xiàn),這個延時包括激光觸發(fā)延時和光閘窗口位置延時。其它電路也是這樣的方法。比如改變激光觸發(fā)輸出1的頻率,微處理器根據(jù)指令重新對分頻1的可編程器件8253進行編程,便可實現(xiàn)改變激光觸發(fā)輸出1的頻率。整機的工作過程見程序框圖。
利用手動開關輸入修改指令參數(shù)的方法1.在編程時,將指令序號與指令參數(shù)分別采用不同標志進行顯示,如激光觸發(fā)信號1的指令序號用Y打頭,指令參數(shù)用P打頭。
2.按動選擇鍵使8位數(shù)字顯示器顯示出指令序號,如Y501。
3.按動增量或減量鍵使顯示的數(shù)值是需要修改的指令序號,如Y101,代表激光觸發(fā)信號輸出1的頻率。
4.按選擇鍵使顯示器顯示出指令參數(shù),如P50。
5.按增量或減量鍵修改指令參數(shù),如將P50改成P80,表示激光觸發(fā)信號輸出1的頻率為每秒80次。
其它指令的修改與此種方法相同,這種方法的優(yōu)點是表面開關少(相對鍵盤輸入方式),誤輸入也少,在程序中已規(guī)定了指令序號或指令參數(shù)的上、下限值。
利用串行接口輸入修改指令參數(shù)的方法與其它通用的儀器方法相同,這里不再贅述。
實施例將光閘安置在激光接收望遠鏡光路的焦點附近,并將光閘信號線接至該裝置的光閘信號輸入端,將激光觸發(fā)信號1和激光觸發(fā)信號2分別接到準分子激光器和YAG激光器的外觸發(fā)輸入端,將激光輸出信號(一般是在激光器輸出端分出一部分激光,并經(jīng)光電管轉換成的電信號)接到該裝置的激光輸出信號的輸入端,開通電源,通過手動或串行接口輸入修改指令參數(shù)。如將光閘電機頻率定為400Hz,光閘葉片定為3片,激光觸發(fā)輸出1定為100Hz/s,每組次數(shù)定為40000次,每組間隔時間定為10s,組數(shù)定為10組,光閘延時定為15公里,YAG激光觸發(fā)頻率(激光觸發(fā)信號2)定為5次,每組次數(shù)200次,每組間歇時間定為10s,組數(shù)定為4組,光閘延時定為7.5公里,同步方式定為同步、同時觸發(fā)方式。此時通過手動或計算機啟動該裝置,該裝置立即顯示出錯信息,提示是兩觸發(fā)信號延時不相等,同步參數(shù)錯。修改后重新啟動。由于沒有啟動光閘,則該裝置仍不工作,當接通光閘電源后,該裝置檢測光閘信號頻率,當光閘電機轉速達到要求時,該裝置開始工作,并實時顯示觸發(fā)次數(shù),當每組觸發(fā)次數(shù)等于預置參數(shù)時,自動轉入定時狀態(tài),暫停激光觸發(fā)。當定時到時又重新啟動激光觸發(fā),直到完成了預置的總次數(shù)時停止觸發(fā)激光。在這中間,如光閘電機突然掉電或減速,該裝置立刻檢測出光閘轉速不對,停止觸發(fā)激光。當關掉該裝置的電源后,由于微處理器備有電池,再次開機時,該裝置所顯示的預置數(shù)值,就是嵌入系統(tǒng)記憶的上面確定的數(shù)值。
對于本發(fā)明領域的普通技術人員在不偏離本發(fā)明所公開的技術方案的精神和范圍下,所作出的變動和改進均屬于本發(fā)明權利要求書的變換范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達可編程的激光觸發(fā)控制裝置,其特征在于,該裝置包括,主光路(7-1),光閘葉片(7-2),電機(7-3),準光鏡(7-4),分光光路(7-5),激光輸出信號(同步)取樣部分,以及光電信號產(chǎn)生部分,激光輸出部分,YAG激光器,XeCl激光器,可編程激光觸發(fā)控制器,和串行接口。
2.如權利要求1所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的可編程的激光觸發(fā)控制裝置,其特征在于,所述的可編程激光觸發(fā)控制器包含,串行接口,并行接口,數(shù)字顯示,面板手動開關,嵌入式系統(tǒng),控制電路,其中,嵌入式系統(tǒng)采用8位微處理器,型號為CPU-Z64180,RAM-8K,EPROM-8K,控制程序由匯編語言寫成并固化在EPROM內(nèi),時鐘頻率12M。
3.如權利要求1和2所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的可編程的激光觸發(fā)控制裝置,其特征在于,所述的數(shù)字顯示是8位七段LED數(shù)字顯示器。
4.如權利要求3所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的可編程的激光觸發(fā)控制裝置,其特征在于,所述的手動開關為按鈕開關包含,八位七段LED數(shù)字顯示器(8-1),復位(8-2),電源開關(8-3),選擇(8-4),增量(8-5),減量(8-6),啟動/停止(8-7),其中,手動開關的并行接口工作在中斷方式,串行接口有2個,一個是RS-422A,它可與控制計算機聯(lián)接,一個是RS-232C,用于調試程序。
5.如權利要求2所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的可編程的激光觸發(fā)控制裝置,其特征在于,所述的控制電路方框中,光閘信號和自檢信號進入選通電路,再進入分頻2和延時2,激光輸出1和2,以及頻率檢測和定時信號分別進入分頻1和延時1,以及選通和計數(shù)/定時1和2,電路中除選通電路外,其余電路均采用可編程器件8253,控制功能由軟件程序決定,并參考時序圖和程序框圖進行。
6.如權利要求5所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的可編程的激光觸發(fā)控制裝置,其特征在于,所述的程序框圖中,CPU總線的信號通過并行接口,以及激光輸出信號1、2經(jīng)變換后,分別進入相應的分頻、延時器,再按時序輸出激光觸發(fā)輸出1和2。
7.如權利要求5所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的可編程的激光觸發(fā)控制裝置,其特征在于,所述的時序圖中,表示光閘信號與YAG激光觸發(fā)延時,與XeCl激光觸發(fā)延時,YAG激光觸發(fā)與YAG激光脈沖的YAG觸發(fā)延時,以及XeCl激光觸發(fā)與XeCl激光脈沖的XeCl觸發(fā)延時之間的時序關系。其中,同頻異步觸發(fā)光子計數(shù)取高層信號,A/D取近距離信號。
8.如權利要求5所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的可編程的激光觸發(fā)控制裝置,其特征在于,所述的程序框圖中,分別為A表示主程序方框圖,B表示啟動/停止中斷程序方框圖,C表示選擇中斷,D表示增量、減量中斷程序方框圖,E表示計數(shù)/停止中斷程序方框圖,F(xiàn)表示光閘頻率檢測中斷程序方框圖。對上述程序框圖的說明從
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達可編程的激光觸發(fā)控制裝置,該裝置包括,主光路(7-1),光閘葉片(7-2),電機(7-3),準光鏡(7-4),分光光路(7-5),激光輸出信號(同步)取樣部分,以及光電信號產(chǎn)生部分,激光輸出部分,可編程激光觸發(fā)控制器以及串行接口,所述的可編程激光觸發(fā)控制器包含,串行接口,并行接口,數(shù)字顯示,面板手動開關,嵌入式系統(tǒng),控制電路,由于具備標準的串行數(shù)據(jù)接口,可以聯(lián)接不同型號的主控計算機,實現(xiàn)整機自動化控制。
文檔編號G01S17/95GK1340721SQ0012365
公開日2002年3月20日 申請日期2000年8月24日 優(yōu)先權日2000年8月24日
發(fā)明者鄭斯平, 潘繼東, 黃其榮, 王文明 申請人:中國科學院大氣物理研究所