CN107255808A - 一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置 - Google Patents

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华灯鑫
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Abstract

本发明公开了一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，包括依次连接的光电转换电路、信号放大电路、电压峰值保持电路和单片机控制系统，单片机控制系统还分别与上位机、LCD显示屏以及放电电路连接，信号放大电路和单片机控制系统之间还连接有稳态触发电路，放电电路又与电压峰值保持电路连接，信号放大电路采用AD817芯片实现对电脉冲进行无失真放大，本发明解决了现有技术中存在的激光雷达出射的激光脉宽窄，不易实现高频率电路实时监测和采集的问题。

Description

一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置
技术领域
本发明属于激光主动遥感探测技术领域，具体涉及一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置。
背景技术
激光雷达作为一种主动式的现代光学遥感手段，具有较高的时空分辨率，被广泛应用于大气参量测量、环境监测等方面。激光雷达的发射信号为具有高指向性、高能量的脉冲激光束，激光与大气中的物质相互作用产生散射光，通过对后向散射光收集，转换，信号采集与演算等一系列处理，反演得到消光系数、后向散射系数、温度、湿度等大气参量廓线。单次散射激光雷达方程可表示为：
式中，P(z)为高度z处回波信号的接收功率，C为系统常数，P0为激光器发射功率(J)，c为光速(m/s)，τ为激光脉冲宽度(s)，A为接受望远镜的口径面积(m2)，β(z)为距离z处大气后向散射系数(sr-1m-1)，α(z)为距离z处大气消光系数(m-1)，Y(z)为几何重叠因子。显然，激光雷达系统的回波信号强度P(z)除了与望远镜的接受面积、几何重叠因子等系统常数，以及消光系数、后向散射系数等大气参数相关以外，还与激光器的出射能量P0有关。在设备使用过程中，出射的脉冲峰值能量功率因为激光泵浦源等原因发生变化，对激光雷达测量数据的反演精度产生较大影响，需对其进行实时、准确监测，以便对采集的数据进行校正。然而，为了获得高空间分辨率，激光雷达出射的激光脉宽通常很窄，不易实现高频率电路采集。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，解决了现有技术中存在的激光雷达出射的激光脉宽窄，不易实现高频率电路实时监测和采集的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，包括依次连接的光电转换电路、信号放大电路、电压峰值保持电路和单片机控制系统，单片机控制系统还分别与上位机、LCD显示屏以及放电电路连接，信号放大电路和单片机控制系统之间还连接有稳态触发电路，放电电路又与电压峰值保持电路连接。
本发明的特点还在于，
信号放大电路采用AD817芯片实现对电脉冲进行无失真放大。
电压峰值保持电路具体结构为：包括运算放大器N1，运算放大器N1连接电压缓存器N2，运算放大器N1和电压缓存器N2之间还正向导通连接有二极管VD，二极管VD和电压缓存器N2之间连接有电容C的一端，电容C的另一端接地，电压缓存器N2的输出端还与运算放大器N1的反向输入端连接。
运算放大器N1采用比较器MAX961，电压缓存器N2采用MAX4104，二极管VD为肖特基二极管1N5817。
稳态触发电路采用能够重复触发的单稳态触发器74LS123，单片机控制系统采用上升沿触发，单稳态触发器74LS123的CLK引脚接入+5V电压，A引脚接地，B引脚接输入电压，当输入电压为上升沿时，B引脚输出一个上升沿脉冲信号触发单片机控制系统。
放电电路采用TS5A3166单刀单掷模拟开关实现放电。
本发明的有益效果是，激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，采用32位ARMCortex-M3内核的STM32F103VBT6单片机作为控制核心，对激光雷达出射脉宽为10ns、重复频率为20Hz的激光脉冲进行实时能量监测、采集与显示，电压峰值保持电路为整个监测装置的核心，能够较好地对窄脉冲的激光雷达信号进行检测和保持，为激光雷达实验修正提供依据。
附图说明
图1是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置的结构示意图；
图2是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置中电压峰值保持电路的电路结构图；
图3(a)是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置实验中脉宽10ns、脉冲频率20Hz、脉冲峰值2V的单脉冲保持结果；
图3(b)是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置实验中脉宽10ns、脉冲频率20Hz、脉冲峰值2V的双脉冲保持结果；
图3(c)是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置实验中脉宽10ns、脉冲频率20Hz、脉冲峰值1.5V的单脉冲保持结果；
图3(d)是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置实验中脉宽10ns、脉冲频率20Hz、脉冲峰值1.5V的双脉冲保持结果；
图4(a)是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置实验中脉冲频率为60Hz的实验结果；
图4(b)是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置实验中脉冲频率为100Hz的实验结果；
图5是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置实验中输出脉冲能量与电路的输出电压对应关系图；
图6是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置实验中未修正的激光雷达距离平方修正信号曲线图；
图7是本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置实验中修正后的激光雷达距离平方修正信号曲线图。
图中，1.光电转换电路，2.信号放大电路，3.电压峰值保持电路，4.单片机控制系统，5.稳态触发电路，6.上位机，7.LCD显示屏，8.放电电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，结构如图1所示，包括依次连接的光电转换电路1、信号放大电路2、电压峰值保持电路3和单片机控制系统4，单片机控制系统4还分别与上位机6、LCD显示屏7以及放电电路8连接，信号放大电路2和单片机控制系统4之间还连接有稳态触发电路5，放电电路8又与电压峰值保持电路3连接。
信号放大电路2采用AD817芯片实现对电脉冲进行无失真放大。
如图2所示，电压峰值保持电路3具体结构为：包括运算放大器N1，运算放大器N1连接电压缓存器N2，运算放大器N1和电压缓存器N2之间还正向导通连接有二极管VD，二极管VD和电压缓存器N2之间连接有电容C的一端，电容C的另一端接地，电压缓存器N2的输出端还与运算放大器N1的反向输入端连接，运算放大器N1采用比较器MAX961，电压缓存器N2采用MAX4104，二极管VD为肖特基二极管1N5817。
稳态触发电路5采用能够重复触发的单稳态触发器74LS123，单片机控制系统4采用上升沿触发，单稳态触发器74LS123的CLK引脚接入+5V电压，A引脚接地，B引脚接输入电压，当输入电压为上升沿时，B引脚输出一个上升沿脉冲信号触发单片机控制系统4。
放电电路8采用TS5A3166单刀单掷模拟开关实现放电。
本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，采用32位ARM Cortex-M3内核的STM32F103VBT6单片机作为控制核心，对激光雷达出射脉宽为10ns、重复频率为20Hz的激光脉冲进行实时能量监测、采集与显示。出射激光脉冲，由光电转换电路1转换为标准电压信号，并进行信号放大。放大后的电压信号，一方面通过稳态触发电路5来实现单片机触发以进行采样和转换；另一方面由电压峰值保持电路3对其进行峰值能量监测与保持，并输入单片机控制系统进行采集、计算、以及十进制转换，最后在LCD显示屏7上显示数值，并上传至上位机6存储。通过控制电压峰值保持电路3中电容电荷的充放时间，来保证下一个激光脉冲到来时，采样电容的电荷为零。信号放大电路2使用高速放大器对电脉冲进行放大，在放大器压摆率太小，带宽太窄时，放大的信号往往会失真。此次设计选择的是AD817芯片，该芯片具有50MHz的带宽、350V/us的压摆率，是一款低成本、低功耗、高速运算放大器，非常适合各种信号调理和数据采集应用。稳态触发电路5采用可以重复触发的单稳态触发器74LS123，单片机采用上升沿触发，因此CLK引脚接入+5V电压，A引脚接地，B引脚接输入电压。当输入电压为上升沿的时候，B引脚输出一个上升沿脉冲信号来触发单片机。放电电路8采用TS5A3166单刀单掷(SPST)模拟开关实现放电。峰值采用电容C35上的电荷充放电时间由TS5A3166芯片的IN引脚控制。当IN为高电平时，NO与COM连接，对电容C35进行放电；反之，NO与COM断开，对电容进行充电。
电压峰值保持电路3是此次设计的核心，分为电压型和跨导型峰值保持电路，本文采用电压型。电压型保持电路的原理如图2所示，由主运算放大器N1，电压缓存器N2，二极管VD，保持电容C构成。当主运算放大器N1输入电压Vin时，若Vin>Vout，则二极管VD导通，对电容C进行充电，直至Vin＝Vout，二极管VD截至，充电停止；此时，电容C上的电压与输入电压Vin的最大值以及输出电压Vout相等，对输入电压的峰值进行保持。具体电路由比较器U5(MAX961)、电压缓存器U6(MAX4104)、检测二极管D1(肖特基二极管1N5817)和保持电容C35组成。MAX961为超高速电压比较器，传输延时为4.5ns，上升时间为2.3ns，其内部具有滞回功能，幅度为3.5mv，可防止输入信号中毛刺带来的输出信号抖动。考虑到电路中的杂散电容、杂散电感以及电源内阻等因素会导致输出端与输入端之间产生寄生反馈，出现严重寄生振荡，使电路无法工作。本次设计在MAX961比较器的正向输入端1引脚与负向输入端2引脚之间连接一个100pF电容C9来消除寄生振荡。检测二极管D1采用肖特基二极管1N5817。肖特基二极管作为一种低功耗、超高速半导体器件，是一种快恢复的二极管，通过二极管D1的导通与截止来控制采样电容C35的充电或者电压保持状态。若二极管导通，则电容C35充电；反之，电容保持峰值电压。当能量监测系统工作时，若光电转换及放大后的信号输出电压小于或者等于峰值保持电压，则电压比较器MAX961输出低电平，检测二极管D1截止电容C35上的电压保持不变否则，对保持电容充电，采样峰值。此次设计中，为了确保比较器输出低电平时，二极管D1为截止状态，在电压比较器的输出端接入一个20Ω分压电阻R50，使得输出的低电压小于二极管的开启电压(约300mv)，保证峰值保持电路的正常工作。
单片机控制系统4主要由STM32F103VBT6单片机完成，包括电压信号采集、A/D转换、电容充放电时间控制、LCD显示和上位机传送等。单片机首先对各个端口进行初始化，接收采集到的电压值，通过LCD显示电压值，并经由串口上传至上位机，单次A/D转换及数据采集流程如图4所示。单片机的外部中断采用上升沿触发，当上升沿中断触发时，PA1为上升沿，PA2＝0，放电电路处于保持阶段，对电容进行充电，单片机对电压信号进行A/D转换和采集，数据由LCD显示并上传至上位机；完成电压信号采集后，使PA2＝1，对保持电容进行放电、延时，以保证在下一个激光脉冲到来之前电容电荷为零。
需要说明的是，峰值保持时间为A/D转换和采集的时间。如果A/D采集和转换时间过长，可能会造成脉冲遗漏，或者在下一个激光脉冲来临时，电容放电未完成。反之，如果A/D采集和转换时间过短，则可能造成电容的充电时间不足，充电未完成，采集的电压值不准确。因此，此次峰值检测设计对电压进行了四次采样平均。
本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，模拟检测结果如下：
为了检验所设计电路的效果，首先采用信号发生器对不同能量峰值，不同频率的信号进行模拟实验，同时采用高频数字示波器对峰值保持输出结果进行实时监测，实验结果如图3和图4所示。图3所示为脉宽10ns、脉冲频率20Hz的不同峰值的结果实验，其中图3(a)和图3(b)分别为脉冲峰值2V的单脉冲和多脉冲的保持结果。图3(c)和图3(d)为脉冲峰值1.5V的单脉冲和多脉冲的保持结果。从模拟结果来看，对于相同的频率和脉宽，该保持电路对不同的信号峰值能够完成检测和保持，峰值保持所得电压与模拟电压基本一致，而且没有脉冲遗漏现象。图4为不同脉冲频率的模拟实验结果，其中图4(a)为频率60Hz的实验结果，图4(b)为100Hz。在脉冲频率不断增加的情况下，设计电路仍能很好地对其进行检测和保持，与原模拟的峰值基本一致，没有脉冲遗漏现象。
使用所设计的电路对激光雷达所采用的美国Continuum公司单频大功率脉冲Nd:YAG激光器的脉冲能量进行实时监测，得到输出脉冲能量与电路的输出电压对应关系如图5所示。从图5中可以看出，激光脉冲能量与电路电压值具有很好地线性关系，拟合结果为：
U＝0.00904E+0.00465
式中U为电路的输出电压，E表示激光脉冲的峰值能量。当没有激光脉冲输出时，U＝0.00465，这可能是电路中存在暗电流所致。
在2016年1月16日夜间，将设计的电路用于532nm米散射激光雷达实验观测研究，对激光器输出脉冲能量进行实时监测，以对激光雷达回波信号进行P0校正。从图6中可以看出，在很短的时间内，激光雷达距离平方修正信号有较大偏差，考虑到大气的时间尺度效应，这些偏差很可能由激光雷达的硬件引起。通过观察发现，20:06时峰值监测电路的输出电压值为2.26V，而20:10为2.78V，显然，激光能量出现了较大波动。对两组数据进行归一化修正，如图7所示，与未修正前数据相比，两组数据更具合理性。
本发明一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，由于激光脉宽比较窄，只有十几纳秒或者更窄，使用高速采样电路很难采集，因此采用峰值保持电路对激光脉冲进行峰值保持，以实现对激光脉冲的能量进行实时监测和采样存储，为激光雷达数据的反演提供校正。通过对不同峰值和不同频率的脉冲信号进行模拟实验发现，该电路对不同的峰值和频率的脉冲信号都具有较好地检测和保持功能，并且没有任何脉冲遗漏现象。对532nm米散射激光雷达采用的大功率激光器输出脉冲实时监测发现，电路输出电压与脉冲能量存在U＝0.00904E+0.00465的线性关系。同时，采用该电路对激光雷达实验观测数据进行了激光能量P0归一化修正，修正后的数据更具有合理性。因此，设计的电路简单可行，能够较好地对窄脉冲的激光雷达信号进行检测和保持，为激光雷达实验修正提供依据。

Claims (6)

1.一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，其特征在于，包括依次连接的光电转换电路(1)、信号放大电路(2)、电压峰值保持电路(3)和单片机控制系统(4)，所述单片机控制系统(4)还分别与上位机(6)、LCD显示屏(7)以及放电电路(8)连接，所述信号放大电路(2)和单片机控制系统(4)之间还连接有稳态触发电路(5)，所述放电电路(8)又与所述电压峰值保持电路(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，其特征在于，所述信号放大电路(2)采用AD817芯片实现对电脉冲进行无失真放大。
3.根据权利要求1所述的一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，其特征在于，所述电压峰值保持电路(3)具体结构为：包括运算放大器N1，运算放大器N1连接电压缓存器N2，运算放大器N1和电压缓存器N2之间还正向导通连接有二极管VD，二极管VD和电压缓存器N2之间连接有电容C的一端，电容C的另一端接地，所述电压缓存器N2的输出端还与所述运算放大器N1的反向输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，其特征在于，所述运算放大器N1采用比较器MAX961，电压缓存器N2采用MAX4104，二极管VD为肖特基二极管1N5817。
5.根据权利要求1所述的一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，其特征在于，所述稳态触发电路(5)采用能够重复触发的单稳态触发器74LS123，单片机控制系统(4)采用上升沿触发，单稳态触发器74LS123的CLK引脚接入+5V电压，A引脚接地，B引脚接输入电压，当输入电压为上升沿时，B引脚输出一个上升沿脉冲信号触发单片机控制系统(4)。
6.根据权利要求1所述的一种激光雷达出射的窄脉冲峰值能量监测装置，其特征在于，所述放电电路(8)采用TS5A3166单刀单掷模拟开关实现放电。
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