CN103115888B - 一种差分吸收激光雷达数据采集系统时分复用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，包括有FPGA电路板，FPGA电路板的其中两个信号输出端分别接入激光器一、激光器二，激光器一、激光器二的前方光路上分别设有一个光电二极管、两个染料激光器，由四个染料激光器泵浦后的激光发射到大气中，产生的后向散射信号由接收望远镜接收汇聚后经光纤导入分光系统，分光系统的透射光路和反射光路上分别置有一个光电倍增管，两个光电倍增管分别接入数据采集卡的CH2、CH3通道，FPGA电路板输出的第三路信号还与数据采集卡的CH1端口相连，两个光电二极管与信号调理电路板连接，信号调理电路板与数据采集卡的TRG端口相连。本发明利用时分复用可实现差分吸收激光雷达同时检测大气中两种污染气体的含量，成本低、效率高。
Description
技术领域
本发明主要涉及激光雷达数据采集领域，尤其涉及一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统。
背景技术
激光雷达为环境监测提供了有力的探测工具，被广泛应用于大气气溶胶、空气污染物、大气成分、大气气象参数以及云的探测应用研究。具有实时性好、时空分辨率高、应用领域广，可重复使用等突出优点。近些年差分激光雷达得到越来越多的研究。差分吸收激光雷达需要同时交替向大气中发射两束波长相近的激光，其中一束激光波长位于被测气体强吸收线上，另一束激光波长几乎不被待测气体吸收，通过两种后向散射信号强度能反演出被测气体的浓度。当在一套雷达系统中同时使用差分吸收技术实现大气中两种污染气体的同时测量时，良好的时序控制以及分时复用数据采集显得非常必要。本发明已成功应用于同时探测大气NO2和SO2的差分吸收激光雷达系统中。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，包括有FPGA电路板，FPGA电路板的其中两个信号输出端分别接入激光器一、激光器二，激光器一、激光器二的前方出射光路上分别放置有光电二极管一、光电二极管二，其特征在于：位于激光器一的前方光路上设有染料激光器一、染料激光器二，位于激光器二的前方光路上设有染料激光器三、染料激光器四，激光器一和激光器二产生的激光经染料激光器一、染料激光器二、染料激光器三、染料激光器四泵浦后产生的激光发射到大气中，产生的后向散射信号由接收望远镜接收汇聚后经光纤导入分光系统，分光系统的透射光路和反射光路上分别置有光电倍增管一、光电倍增管二，光电倍增管一、光电倍增管二输出的电信号分别接入数据采集卡的CH2、CH3通道，FPGA电路板输出的第三路信号与数据采集卡的CH1通道相连，光电二极管一、光电二极管二与信号调理电路板连接，信号调理电路板的输出端与数据采集卡的TRG端口相连。
所述的一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，其特征在于：所述的激光器一、激光器二均采用Nd:YAG固体激光器，Nd:YAG固体激光器在10hz的脉冲触发下，产生355nm激光与532nm的激光。
所述的一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，其特征在于：所述的数据采集卡采用四通道的PCI-9826。
所述的一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，其特征在于：所述的FPGA电路板产生两路10hz交替的脉冲信号，脉冲宽度为10us，且上升沿小于1ns。
所述的一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，其特征在于：所述的染料激光器一、染料激光器三的出射光路上分别设有倍频晶体一、倍频晶体二。
本发明的优点是：
本发明利用时分复用可实现差分吸收激光雷达同时检测大气中两种气体的含量，成本低、效率高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为FPGA电路板产生的时序信号示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，包括有FPGA电路板1，FPGA电路板1的其中两个信号输出端分别接入激光器一2、激光器二3，激光器一2、激光器二3的前方光路上分别设有光电二极管一5、光电二极管二4，激光器一2的前方光路上设有染料激光器一6、染料激光器二7，激光器二3的前方光路上设有染料激光器三8、染料激光器四9，染料激光器一6、染料激光器三8的前方光路上分别设有倍频晶体一16、倍频晶体二17，由激光器一2和激光器二3产生的激光经染料激光器一6、染料激光器二7、染料激光器三8、染料激光器四9泵浦后的激光发射到大气中，激光与大气中各种成分作用后，产生的后向散射信号由接收望远镜11接收汇聚后经光纤导入分光系统12，分光系统12的透射光路和反射光路上分别置有光电倍增管一14、光电倍增管二13，光电倍增管一14、光电倍增管二13输出的电信号分别接入数据采集卡15的CH2、CH3通道，FPGA电路板1的第三路输出信号与数据采集卡15的CH1通道相连，光电二极管一5、光电二极管二4与信号调理电路板10连接，信号调理电路板10的输出端与数据采集卡15的TRG端口相连。
激光器一2、激光器二3均采用Nd:YAG固体激光器，Nd:YAG固体激光器在10hz的脉冲触发下，产生355nm激光与532nm的激光。
数据采集卡15采用PCI-9826。
FPGA电路板1产生两路10hz交替的脉冲信号，脉冲宽度为10us，且上升沿小于1ns。
实施例：
激光器一2、染料激光器一6、倍频晶体一16产生差分吸收激光雷达探测SO2波长ON的激光。
激光器一2、染料激光器二7产生差分吸收激光雷达探测NO2波长OFF的激光。
激光器二3、染料激光器三8、倍频晶体二17产生差分吸收激光雷达探测SO2波长OFF的激光。
激光器二3、染料激光器四9产生差分吸收激光雷达探测NO2波长ON的激光。
通过FPGA电路板1产生两路10hz交替的脉冲信号，分别触发激光器一2和激光器二3。其中激光器一2为Nd:YAG固体激光器，其在10hz的脉冲触发下，产生355nm激光与532nm的激光，经染料激光器一6和倍频晶体一16、染料激光器二7分别产生探测SO2和NO2的一个差分波长，即探测SO2的波长ON与探测NO2的波长OFF，发射到大气中，这两束激光与大气中各种成分发生作用后产生的后向散射信号被接收望远镜11接收汇聚后经分光系统12后，分别被光电倍增管13和14转换为电信号，最后被数据采集卡PCI-9826 15转换为数字信号。激光器二3为Nd:YAG固体激光器，其在10Hz的脉冲触发下，产生355nm和532nm的激光，分别经染料激光器三8和倍频晶体二17、染料激光器四9产生探测SO2和NO2的另一个差分波长，即探测SO2的波长OFF与探测NO2的波长ON，发射到大气中，这两束激光与大气中各种成分发生作用后产生的后向散射信号被接收望远镜11接收汇聚后经分光系统12后分别被光电倍增管13和14转换为电信号，最后被数据采集卡PCI-9826 15转换为数字信号。其中数据采集卡15的CH3用于探测大气中的SO2信号，CH3在相互错开的时间里转换SO2的ON信号与OFF信号。数据采集卡15的CH2用于探测大气中的NO2信号，CH2在相互错开的时间里转换NO2的OFF信号和ON信号。数据采集卡15的触发信号来自信号调理电路板10，置于光路上的光电二极管4、5经激光的散射光产生电流，经信号调理电路板10整形，放大等信号处理后，产生一20Hz的TTL电平的脉冲信号触发数据采集卡15。同时为了鉴别CH3通道采集的信号是SO2的ON信号还是SO2的OFF，FPGA电路板1上产生的一路与触发激光器一2同步的有一定延时的信号接在数据采集卡15的CH1通道上，每当激光器2产生SO2的ON信号时，数据采集卡15的CH1通道上就会有脉冲数据产生。而当激光器二3工作时，CH1通道上没有脉冲数据产生，从而实现了信号的相互鉴别。
具体实现如下：
图2为FPGA电路板产生的时序信号，其中A脉冲是触发激光器一2的，B脉冲是触发激光器二3的。其中A脉冲和B脉冲都是10Hz的。激光器一2在A脉冲的作用下，发射出355nm和532nm波长的激光，在激光器2激光出射光路上安装光电二极管5，此时光电二极管5因散射的激光的照射产生电流，经信号调理电路板10整形，放大等信号处理后输出产生一20Hz的TTL电平的信号给数据采集卡15触发信号，激光器一2产生的两路激光经染料激光器一6和倍频晶体16、染料激光器二7泵浦后产生探测大气SO2 ON波长与NO2 OFF波长激光，发射到大气中，大气中回波信号经11接收后，被12分光，其中SO2 ON信号经光电倍增管13转换为电信号，NO2 OFF信号经光电倍增管14转换为电信号，光电倍增管13和14分别接到数据采集卡15的CH3和CH2通道上，被转换为数字信号，同时FPGA电路板1产生的与触发激光器2同步的C脉冲信号（如图2）接到数据采集卡15的CH1通道,此时激光器一2在A脉冲触发下，数据采集卡15得到的数据是SO2的ON信号，NO2的OFF信号和作为鉴别用的C脉冲数据信号。
下一时刻，激光器二3在B脉冲的作用下开始工作，在激光器二3出射激光光路上安装光电二极管4，光电二极管4因激光的照射产生电流，经信号调理电路板10整形，放大等信号处理后接到数据采集卡15的触发端TRG上，激光器二3产生的两路激光经染料激光器三8和倍频晶体17、染料激光器四9泵浦后产生探测大气SO2 OFF波长与NO2 ON波长，发射到大气中，大气中回波信号经接收望远镜11接收后，经分光系统12分光，其中SO2 OFF信号经光电倍增管13转换为电信号，NO2 ON信号经光电倍增管14转换为电信号，光电倍增管13和14分别接到数据采集卡14的CH3和CH2通道上，被转换为数字信号，数据采集卡15得到的数据是SO2的OFF信号，NO2的ON信号,此时数据采集卡15的CH1通道上采集的数据几乎为0，从而实现了与A脉冲工作时获取的脉冲数据相区别，实现了SO2的ON信号与OFF信号的相互鉴别，在逻辑上也实现了NO2的OFF信号与ON信号的相互鉴别。
Claims (4)
1.一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，包括有FPGA电路板，FPGA电路板的其中两个信号输出端分别接入激光器一、激光器二，激光器一、激光器二的前方出射光路上分别放置有光电二极管一、光电二极管二，其特征在于：位于光电二极管一后的激光器一的前方光路上设有染料激光器一、染料激光器二，位于光电二极管二后的激光器二的前方光路上设有染料激光器三、染料激光器四，激光器一和激光器二产生的激光经染料激光器一、染料激光器二、染料激光器三、染料激光器四泵浦后产生的激光发射到大气中，产生的后向散射信号由接收望远镜接收汇聚后经光纤导入分光系统，分光系统的透射光路和反射光路上分别置有光电倍增管一、光电倍增管二，光电倍增管一、光电倍增管二输出的电信号分别接入数据采集卡的CH2、CH3通道，FPGA电路板输出的第三路信号与数据采集卡的CH1通道相连，光电二极管一、光电二极管二与信号调理电路板连接，信号调理电路板与数据采集卡的TRG端口相连；所述的FPGA电路板产生两路10hz交替的脉冲信号，脉冲宽度为10us，且上升沿小于1ns。
2.根据权利要求1所述的一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，其特征在于：所述的激光器一、激光器二均采用Nd:YAG固体激光器，Nd:YAG固体激光器在10hz的脉冲触发下，产生355nm激光与532nm的激光。
3.根据权利要求1所述的一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，其特征在于：所述的数据采集卡采用PCI-9826。
4.根据权利要求1所述的一种差分吸收激光雷达数据采集时分复用系统，其特征在于：所述的染料激光器一、染料激光器三的出射光路上分别设有倍频晶体一、倍频晶体二。
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