CN105467400B - 一种确定种子激光成功注入的自动检测和筛选电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定种子激光成功注入的自动检测和筛选电路，包括：光电探测器、激光头、脉冲比较电路、门控卡、PMT探测器及数据采集卡；其中：所述脉冲比较电路对光电探测器及激光头的输出信号进行处理后进行比较，并输出一脉冲信号；所述门控卡将脉冲比较电路输出的脉冲信号作为触发信号，被触发后的门控卡输出时序信号控制PMT探测器及数据采集卡按照一定时序工作；所述PMT探测器根据门控卡的时序信号打开和关闭，并将打开时探测转换的光电信号输出；所述数据采集卡根据门控卡的时序信号进行PMT探测器信号的数据采集。通过采用本发明公开的电路，可以提高测风的精准度和可靠性。

Description

一种确定种子激光成功注入的自动检测和筛选电路

技术领域

本发明涉及瑞利多普勒测风激光雷达技术领域，尤其涉及一种确定种子激光成功注入的自动检测和筛选电路。

背景技术

多普勒测风激光雷达以其高分辨率，高精度，大探测范围，能提供三维风场信息的能力，引起了世界多个国家的关注和重视，并投入了大量的人力、物力进行研究。

全球风场的主动观测被世界气象组织称为最具意义和挑战性的气象观测之一。精确的大气风场观测对提高长期天气预报的准确性、风暴预报的准确性、改进气候研究模型、军事环境预报、预报可能的生化武器释放环境以提高国防安全等方面具有重大意义。因此国际民航组织、世界气象组织、各国航空航天研究机构正积极开展有关风场探测系统的研究。在现代数字军事上，大气风场数据显得尤为重要：发射卫星、导弹时，风场资料是安全保障的前提条件；大范围的风场数据可以提高导弹命中率；航空母舰上，机群的安全升空和着落都依赖周围大气风场的精确测量。从宏观角度看，提高上述预报或预测的能力不仅有利于我国科学技术的提升，而且它将直接服务于人类的生存和生活质量。

车载高时空分辨率多普勒测风激光雷达系统的激光发射系统使用激光器作为激光雷达的光源，激光器系统包括种子激光器，激光头(包括主震荡器模块，闪灯泵浦的量级放大级模块，二倍频三倍频模块)，激光器电源箱，激光冷水机。其中激光器采用的是种子注入式调Q脉冲Nd：YAG激光器，德国供应，型号为Spitlight2000。

激光器输出脉冲的中心频率稳定性主要受种子注入效果和种子激光器中心频率的影响，在工作中激光器的频率会发生缓慢的漂移。在三通道技术中，激光器的正常漂移可以通过锁定鉴相器实现实时的追踪和反馈补偿的，但是激光器的正常漂移可能出现一种非正常的工作状态，同时出现两个纵模，即“跳模”现象。相比较激光频率随时间的缓慢漂移，“跳模”现象通常是在工作中快速出现，导致激光器的中心频率在很短的时间改变了一个无法忽略的频率分量，这种短时间的，大范围的频率变动，单靠锁定系统的实时反馈调节会产生较大的误差。

目前的车载高时空分辨率多普勒测风激光雷达系统对于数据的采集是基于型号为Spitlight2000的Nd：YAG激光器的内触发信号来触发采集卡进行数据采集，采集卡会将跳模后的无效数据也进行采集，在根据数据做风速反演时，这部分无效数据会直接影响反演的结果，最终影响测风的精准度，降低测风的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种确定种子激光成功注入的自动检测和筛选电路，可以提高测风的精准度和可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种确定种子激光成功注入的自动检测和筛选电路，包括：光电探测器、激光头、脉冲比较电路、门控卡、PMT探测器及数据采集卡；其中：

光电探测器及激光头的输出端均与脉冲比较电路相连；所述脉冲比较电路对光电探测器及激光头的输出信号进行处理后进行比较，并输出一脉冲信号；

所述门控卡的输入端与脉冲比较电路相连，输出端分别与PMT探测器及数据采集卡相连；所述门控卡将脉冲比较电路输出的脉冲信号作为触发信号，被触发后的门控卡输出时序信号控制PMT探测器及数据采集卡按照一定时序工作；

所述PMT探测器根据门控卡的时序信号打开和关闭，并将打开时探测转换的光电信号输出；

所述数据采集卡根据门控卡的时序信号进行PMT探测器信号的数据采集。

进一步的，所述脉冲比较电路包括：精确可编程参考电压芯片、电位器1、运算放大器、快速比较器、多谐振荡器及电位器2；其中：

所述精确可编程参考电压芯片与电位器1相连；所述电位器1用于控制精确可编程参考电压芯片输出预定的电压值；

所述精确可编程参考电压芯片、运算放大器、快速比较器及多谐振荡器依次连接；

所述快速比较器还与光电探测器相连，所述快速比较器用于比较光电探测器与运算放大器输出的信号大小，并输出一预定电压值的TTL负脉冲信号给多谐振荡器；

所述多谐振荡器还与激光头及电位器2相连；所述多谐振荡器用于根据电位器2的控制将激光头的输出信号调制成固定脉宽的TTL信号，并判断快速比较器输出信号的上升沿是否在所述固定脉宽的TTL信号内，若是，则输出预定电压值的TTL脉冲信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在系统中加入了脉冲比较电路，从而判断种子光是否成功注入；如果种子光注入成功，则输出一个脉冲信号，触发采集卡工作，采集数据；如果种子光注入不成功，则不输出信号，不让采集卡采集数据，从而提高了测风的精准度和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种确定种子激光成功注入的自动检测和筛选电路示意图；

图2为本发明实施例提供的脉冲比较电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

系统使用的Nd：YAG激光器使用种子注入的方法来提供稳频。一个低功率的种子激光器，通过激光器内部插入光谱选择器的方式，获得窄线宽，单模运行且频率稳定的激光，并将该频率为ω_i的激光信号注入一个自身线宽较宽，拥有多个纵模而且频率不稳定的主激光器中，通过模式选择的作用，使主激光器获得单纵模，窄线宽，高功率的激光输出。

本发明实施例中，使用的1064nm种子激光器中，谐振腔由两个光纤布拉格光栅(FBG)分别熔接在一段用作激活介质的光纤两侧构成。种子激光器工作波长的调节就是通过两个FBG的工作状态调节来实现的，而FBG的状态是受温度控制的。在种子激光器中，使用了两个半导体制冷模块(TEC)来分别对FBG进行温控。

考虑到车载高时空分辨率多普勒测风激光雷达系统的车载方舱内的温度在极端舱外环境下会有比较大的变化以及舱内不同设备工作发热导致的舱内局部温度不均匀，为了给种子激光器提供更加稳定的工作环境温度，将种子激光器放入恒温箱中，专门用于稳定种子激光器的工作环境温度。

但是，即使给种子激光器提供相对稳定的工作环境温度，但由于其他方面的原因，仍然会有跳摸现象的产生。目前的车载高时空分辨率多普勒测风激光雷达系统对于数据的采集是基于型号为Spitlight2000的Nd：YAG激光器的内触发信号来触发采集卡进行数据采集，采集卡会将跳模后的无效数据也进行采集，在根据数据做风速反演时，这部分无效数据会直接影响反演的结果，最终影响测风的精准度，降低测风的可靠性。

本发明实施例中对数据采集的前一个环节作出的改善，在数据采集的前一个环节中加入脉冲比较电路，判断种子光是否成功注入。如果种子光注入成功，则输出一个脉冲信号，触发采集卡工作，采集数据；如果种子光注入不成功，则不输出信号，不让采集卡采集数据，从而提高了测风的精准度和可靠性。如图1所示，其主要包括：

光电探测器、激光头、脉冲比较电路、门控卡、PMT探测器及数据采集卡；其中：

光电探测器及激光头的输出端均与脉冲比较电路相连；所述脉冲比较电路对光电探测器及激光头的输出信号进行处理后进行比较，并输出一脉冲信号；

所述门控卡的输入端与脉冲比较电路相连，输出端分别与PMT探测器及数据采集卡相连；所述门控卡将脉冲比较电路输出的脉冲信号作为触发信号，被触发后的门控卡输出时序信号控制PMT探测器及数据采集卡按照一定时序工作；

所述PMT探测器根据门控卡的时序信号打开和关闭，并将打开时探测转换的光电信号输出；

所述数据采集卡根据门控卡的时序信号进行PMT探测器信号的数据采集。

如图2所示，所述脉冲比较电路包括：精确可编程参考电压芯片、电位器1、运算放大器、快速比较器、多谐振荡器及电位器2；其中：

所述精确可编程参考电压芯片与电位器1相连；所述电位器1用于控制精确可编程参考电压芯片输出预定的电压值；示例性的，预定的电压值可以为0V—0.84V之间；

所述精确可编程参考电压芯片、运算放大器、快速比较器及多谐振荡器依次连接；

所述快速比较器还与光电探测器相连，所述快速比较器用于比较光电探测器与运算放大器输出的信号大小，并输出一预定电压值(例如5V)的TTL负脉冲信号给多谐振荡器；

所述多谐振荡器还与激光头及电位器2相连；所述多谐振荡器用于根据电位器2的控制将激光头的输出信号调制成固定脉宽的TTL信号(例如，脉宽范围可以为0ns到1620ns)，并判断快速比较器输出信号的上升沿是否在所述固定脉宽的TTL信号内，若是，则输出预定电压值的TTL脉冲信号至门控卡。

本发明实施例中，激光器提供的激光脉冲质量直接关系到多普勒激光雷达的频率检测的精度，一般要求激光脉冲频率为稳频单纵模，通常采用种子注入式调Q脉冲激光器。种子激光是连续、窄线宽、单模激光器，种子激光需要完全注入到调Q脉冲激光器，才能产生稳频、单纵模、调Q脉冲激光输出。在种子激光注入前，激光处于多纵模多频率输出状态，这时调Q脉冲建立时间较长。种子激光成功注入后，调Q激光脉冲建立时间迅速，或调Q激光脉冲建立时间延时减小(约10ns左右)，通过检测该时间延时的变化可以判定种子激光注入成功。

为了便于理解，下面结合一具体示例进行说明。需要强调的是，下述示例中所涉及的各个参数的具体数值仅为举例，并非构成限制；在实际工作中，用户可根据实际情况确定各个参数的具体数值。

本示例中，DET10A(Thorlabs)光电探测器探测到漫散射体所引入的激光，转换为电脉冲信号，脉冲信号的幅度在0V到10V可调，脉冲信号通过信号线送入脉冲比较电路。激光头的QSWICH的触发信号为5VTTL电平，通过信号线送入脉冲比较电路。脉冲比较电路的输出信号为5VTTL脉冲信号，通过信号线输入到门控卡，作为门控卡的工作触发信号。门控卡工作模式为下降沿触发，当接收到比较电路的触发信号后，门控卡开始工作，输出内部的时序电路，控制PMT光电探测器按门控卡内部时序打开进行光电转换，控制采集卡在门控卡内部时序下进行PMT探测器信号的数据采集。

本示例中，脉冲比较电路有两路输入，一路输出。输入输出接口均为SMA接口。通道1将DET10A的信号送入比较电路，比较电路的参考电平在0V到0.84V可调，通过板子上的10K电位器进行调节。DET10A输入的信号与参考电平比较，输出5V的负脉冲送入脉冲比较电路板的多谐振荡器芯片。通道2将激光头的QSWICH触发信号送入脉冲电路板的多谐振荡器芯片，经过芯片将QSWICH信号调制成固定脉宽的5V的TTL门信号，其中经调制得到的门信号宽度可通过板上的另一个10K的电位器调节，门宽度在0ns到1620ns可调。

当DET10A经比较器调制后的输出脉冲的上升沿在QSWICH信号经调制后的门信号内，则脉冲比较电路会输出一个5V的TTL脉冲触发信号给门控卡，让门控卡开始工作，采集卡会采集数据。反之，如果DET10A经比较器调制后的输出脉冲的上升沿在QSWICH信号经调制后的门信号外，则脉冲比较电路不会输出信号去触发门控卡，采集卡也不会采集信号。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种确定种子激光成功注入的自动检测和筛选电路，其特征在于，包括：光电探测器、激光头、脉冲比较电路、门控卡、PMT探测器及数据采集卡；其中：

光电探测器及激光头的输出端均与脉冲比较电路相连；所述脉冲比较电路对光电探测器及激光头的输出信号进行处理后进行比较，判断种子光是否成功注入，如果种子光注入成功，则输出一脉冲信号；

所述门控卡的输入端与脉冲比较电路相连，输出端分别与PMT探测器及数据采集卡相连；所述门控卡将脉冲比较电路输出的脉冲信号作为触发信号，被触发后的门控卡输出时序信号控制PMT探测器及数据采集卡按照一定时序工作；

所述PMT探测器根据门控卡的时序信号打开和关闭，并将打开时探测转换的光电信号输出；

所述数据采集卡根据门控卡的时序信号进行PMT探测器信号的数据采集；

所述脉冲比较电路包括：精确可编程参考电压芯片、电位器1、运算放大器、快速比较器、多谐振荡器及电位器2；其中：

所述精确可编程参考电压芯片与电位器1相连；所述电位器1用于控制精确可编程参考电压芯片输出预定的电压值；

所述精确可编程参考电压芯片、运算放大器、快速比较器及多谐振荡器依次连接；

所述快速比较器还与光电探测器相连，所述快速比较器用于比较光电探测器与运算放大器输出的信号大小，并输出一预定电压值的TTL负脉冲信号给多谐振荡器；

所述多谐振荡器还与激光头及电位器2相连；所述多谐振荡器用于根据电位器2的控制将激光头的输出信号调制成固定脉宽的TTL信号，并判断快速比较器输出信号的上升沿是否在所述固定脉宽的TTL信号内，若是，则输出预定电压值的TTL脉冲信号。