CN111121964A - 远场激光光斑测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远场激光光斑测量装置，包括按序依次设置的探测层、采集层与控制层；探测层上设置用于探测远场激光的蜂房式结构排布的探测器阵列；采集层上设置多个与探测器对应的前置处理电路，用于将探测器阵列采集到的激光信号转换为模拟电信号，还设置多个与前置处理电路对应的AD转换单元，用于将模拟电信号转换为数字电信号；控制层上设置控制芯片及其外围电路，用于控制AD转换单元的采集时序、存储AD转换单元采集到的数据，还设置传输模块，用于将控制芯片存储的数据传输至上位机，由上位机对数据进行处理以获取远场激光光斑的参数。本发明能够实现对窄脉冲激光的测量，操作简单，结果准确，且可靠性高。

Description

远场激光光斑测量装置
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，特别涉及一种远场激光光斑测量装置。
背景技术
激光技术作为工业制造领域的一股核心驱动力量，不断快速发展。激光器的功率越来越高，平均功率已经超过10万瓦；激光器的脉冲速度越来越快，超快激光器取得了快速发展，已经凭借更简单的结构、更方便的操作、更低廉的成本和更稳定的性能，走出实验室进入工业应用。时至今日，激光技术的应用已渗透到生活的方方面面，这使得对激光本身的参数如功率、能量等的准确测量显得格外重要。此外一些激光脉冲宽度比较窄，为减少激光信息的损失则需要高速信号处理的系统与之相适应。
针对这一问题，许多学者、研究机构对此做了研究，如：中国专利CN106895911A公开了一种高速激光功率测量仪，其中待测激光经衰减片后进入光电探测器，由光电探测器进行信号的光电转换后输出电信号，电信号经滤波放大电路后进入数据采集单元进行数据采集，采集的数据在经数据分析单元对采集的数据进行转换分析，得到最终的激光功率参数。此法虽然可以实现高重复频率、短脉冲激光功率的实时探测，但是探测器单一，不适用采集数据多的光电产品。中国专利CN107707842A公开了一种用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置及探测方法，在该方法中，通过CCD传感器进行激光探测和光电转换，转换后的模拟信号放大预处理后转为数字信号传至FPGA控制器。FPGA读取存储的数据经光纤网络接口传至上位机显示。此法能够灵活选取采样位置并且能够高效处理采样数据，但遇到脉宽较窄的激光，采集信息会有所缺失，测量结果不是很精确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有结构简单、操作简单、测量结果精确等优点的有效测量较窄远场激光光斑的测量装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种远场激光光斑测量装置，包括按序依次设置的探测层、采集层与控制层；
所述探测层上设置用于探测远场激光的探测器阵列；
所述采集层上设置多个与探测器对应的前置处理电路，用于将探测器阵列采集到的激光信号转换为模拟电信号，还设置多个与前置处理电路对应的AD转换单元，用于将所述模拟电信号转换为数字电信号；
所述控制层上设置控制芯片及其外围电路，用于控制AD转换单元的采集时序、存储AD转换单元采集到的数据，还设置传输模块，用于将控制芯片存储的数据传输至上位机，由上位机对数据进行处理以获取远场激光光斑的参数。
进一步地，所述探测器阵列为蜂房式结构阵列，蜂房单元为正六边形，每个正六边形蜂房单元的中心设置一个探测器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)探测器阵列采用蜂房式结构排布，相比于同等区域均匀式分布，减少了信号的损失，获取到的信息更多，提高了测量的精确度；2)前置处理电路中设计了峰值保持电路，使得一般的窄脉冲的峰值保持一段时间便于AD转换单元工作，使得该装置可以工作于窄脉冲激光；3)采用模块化结构，当采集层、控制层发生烧毁等意外时，可以单独将模块取出，便于更换，灵活性更高；4)控制单元采用FPGA芯片，相对比于单片机和DSP，FPGA具有强大的逻辑功能，能够对多路信号进行并行处理，有效的提高数据的采样速度，进而提高整个装置的测量效率；5)能够实现对窄脉冲激光的测量，操作简单，结果准确，且可靠性高。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的远场激光光斑测量装置的结构图。
图2为本发明的远场激光光斑测量装置的探测器阵列分布图。
图3为本发明的远场激光光斑测量装置中前置处理电路框图。
图4为本发明的远场激光光斑测量装置中前置处理电路图。
图5为本发明的远场激光光斑测量装置中控制模块分布图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
结合图1，本发明提出了一种远场激光光斑测量装置，包括按序依次设置的探测层、采集层与控制层；
探测层上设置用于探测远场激光的探测器阵列；
采集层上设置多个与探测器对应的前置处理电路，用于将探测器阵列采集到的激光信号转换为模拟电信号，还设置多个与前置处理电路对应的AD转换单元，用于将模拟电信号转换为数字电信号；
控制层上设置控制芯片及其外围电路，用于控制AD转换单元的采集时序、存储AD转换单元采集到的数据，还设置传输模块，用于将控制芯片存储的数据传输至上位机，由上位机对数据进行处理以获取远场激光光斑的参数。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，探测器阵列为蜂房式结构阵列，蜂房单元为正六边形，每个正六边形蜂房单元的中心设置一个探测器。
采用本实施例的方案，相比于同等区域均匀式分布，减少了信号的损失，获取到的信息更多，提高了测量的精确度。
进一步优选地，在其中一个实施例中，上述每个正六边形蜂房单元的中心距边长的垂直距离为4mm。
进一步优选地，在其中一个实施例中，探测器阵列为正六边形蜂房式结构阵列。
进一步优选地，在其中一个实施例中，上述正六边形蜂房式结构阵列的每个边长包括3个探测器。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，前置处理电路包括采集电路、放大电路、峰值保持电路以及逻辑控制电路；
采集电路，用于将探测器接收到的激光信号转换为电信号；
放大电路，用于放大电信号；
峰值保持电路，用于将放大后的电信号中的窄脉冲信号的峰值保持时长t；
逻辑控制电路，用于实现峰值保持电路的复位。
进一步优选地，在其中一个实施例中，结合图4，前置处理电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、光电二极管D、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、AD8061芯片、第一AD8034芯片、第二AD8034芯片和ADG821芯片；光电二极管的正极接地，负极通过第一电阻R1连接Vcc电源，并依次通过第一电容C1、第二电阻R2连接AD8061芯片的负输入端；第四电阻R4的一端接地，另一端连接AD8061芯片的正输入端，同时通过第三电阻R3连接Vcc电源；AD8061芯片的负输入端分别通过第二电容C2、第五电阻R5连接AD8061芯片的输出端，同时AD8061芯片的负输入端连接ADG821芯片的D1端口；AD8061芯片的输出端依次通过第三电容C3、第七电阻R7连接第一AD8034芯片的正输入端；第一AD8034芯片的负输入端通过第一二极管D1连接第一AD8034芯片的输出端，且第一二极管D1的正极连接第一AD8034芯片的负输入端，同时第一AD8034芯片的负输入端通过第八电阻R8连接第二AD8034芯片的负输入端和输出端，且第八电阻R8上并联第四电容C4；第一AD8034芯片的输出端依次通过第二二极管D2、第三二极管D3连接第二AD8034芯片的正输入端，且第一AD8034芯片的输出端连接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极连接第三二极管D3的正极；第二二极管D2和第三二极管D3的公共端与第八电阻R8和第二AD8034芯片的公共端之间连接第九电阻R9，第九电阻R9上并联第五电容C5，第三二极管D3和第二AD8034芯片的公共端依次通过第六电容C6、第十一电阻R11接地；ADG821芯片的S1端口通过第六电阻R6连接AD8061芯片的输出端，D2端口通过第十电阻R10连接第二AD8034芯片的正输入端，IN1端口、IN2端口连接FPGA控制芯片，S2端口接地。
前置电路的工作原理如下：当光照射到光电二极管时，光电二极管导通，输出一个脉冲信号，反之则无信号输出。脉冲信号输入到放大电路II中，其中第三电阻(R3)和第四电阻(R4)起分压作用，电路为电压并联负反馈电路，放大倍数为-R5/R2；放大后的信号输入到峰值保持电路III中，此电路核心为运算放大器与二极管以及作存储电荷用的第六电容C6。在脉冲信号的上升沿时，Vin＞Vout，第二二极管(D2)、第三二极管(D3)均导通，第一二极管(D1)截止，整个电路会一直对第六电容C6充电。在脉冲信号的下降沿时，第六电容已完成充电，此时Vin＜Vout，第二二极管(D2)、第三二极管(D3)截止，第一二极管(D1)导通，由于二极管的单向导电性，第六电容C6中的电荷无法回流到前端电路，但会缓慢流失，此时Vout保持峰值电压一段时间，输入到后端AD电路中完成采集。逻辑控制电路IV中采用ADG821两路单刀单掷开关芯片，含有两个独立的开关。图中信号1为自动增益控制信号，由连接的FPGA产生，可根据采样信号的大小对放大电路II中的电阻进行选择；信号2为峰值保持控制信号，同样由FPGA产生，可通过其将第六电容C6中的电荷快速释放。
进一步优选地，在其中一个实施例中，探测器与前置处理电路一一对应，且每一组探测器与前置处理电路集成化设计，封装为一个探测单元模块。
采用本实施例的方案，通过采用模块化结构，在采集层发生烧毁等意外时，可以单独将模块取出，便于更换，灵活性高。
进一步优选地，在其中一个实施例中，每N个探测单元模块对应一个AD转换单元。
进一步优选地，在其中一个实施例中，每M个AD转换单元集成化设计，封装为一个采集单元模块。
采用本实施例的方案，通过采用模块化结构，在采集层发生烧毁等意外时，可以单独将模块取出，便于更换，灵活性高。
进一步优选地，在其中一个实施例中，结合图5，控制层上设置控制芯片及其外围电路具体为：
将正六边形蜂房式结构阵列划分为三部分，两个三角形区域和一个矩形区域；
每一个三角形区域对应一个FPGA芯片和其外围电路，矩形区域对应两级控制单元，第一级控制单元包括n片子FPGA芯片及其外围电路，第二级控制单元包括一个总FPGA芯片及其外围电路，将每一个子FPGA芯片设置为SPI从机，将总FPGA芯片设置为SPI主机，每一个子FPGA芯片将采集到的数据存入各自的RAM，之后通过SPI总线方式通信将RAM中的数据传输至总FPGA芯片，由总FPGA芯片进行数据整合。
本发明远场激光光斑测量装置能够实现对窄脉冲激光的测量，操作简单，结果准确，且可靠性高。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种远场激光光斑测量装置，其特征在于，包括按序依次设置的探测层、采集层与控制层；
所述探测层上设置用于探测远场激光的探测器阵列；
所述采集层上设置多个与探测器对应的前置处理电路，用于将探测器阵列采集到的激光信号转换为模拟电信号，还设置多个与前置处理电路对应的AD转换单元，用于将所述模拟电信号转换为数字电信号；
所述控制层上设置控制芯片及其外围电路，用于控制AD转换单元的采集时序、存储AD转换单元采集到的数据，还设置传输模块，用于将控制芯片存储的数据传输至上位机，由上位机对数据进行处理以获取远场激光光斑的参数。
2.根据权利要求1所述的远场激光光斑测量装置，其特征在于，所述探测器阵列为蜂房式结构阵列，蜂房单元为正六边形，每个正六边形蜂房单元的中心设置一个探测器。
3.根据权利要求2所述的远场激光光斑测量装置，其特征在于，所述探测器阵列为正六边形蜂房式结构阵列。
4.根据权利要求3所述的远场激光光斑测量装置，其特征在于，所述正六边形蜂房式结构阵列的每个边长包括3个探测器。
5.根据权利要求4所述的远场激光光斑测量装置，其特征在于，所述前置处理电路包括采集电路、放大电路、峰值保持电路以及逻辑控制电路；
所述采集电路，用于将探测器接收到的激光信号转换为电信号；
所述放大电路，用于放大所述电信号；
所述峰值保持电路，用于将放大后的电信号中的窄脉冲信号的峰值保持时长t；
所述逻辑控制电路，用于实现峰值保持电路的复位。
6.根据权利要求1所述的远场激光光斑测量装置，其特征在于，所述前置处理电路包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、光电二极管(D)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、AD8061芯片、第一AD8034芯片、第二AD8034芯片和ADG821芯片；所述光电二极管的正极接地，负极通过第一电阻(R1)连接Vcc电源，并依次通过第一电容(C1)、第二电阻(R2)连接AD8061芯片的负输入端；所述第四电阻(R4)的一端接地，另一端连接AD8061芯片的正输入端，同时通过第三电阻(R3)连接Vcc电源；所述AD8061芯片的负输入端分别通过第二电容(C2)、第五电阻(R5)连接AD8061芯片的输出端，同时AD8061芯片的负输入端连接ADG821芯片的D1端口；所述AD8061芯片的输出端依次通过第三电容(C3)、第七电阻(R7)连接第一AD8034芯片的正输入端；所述第一AD8034芯片的负输入端通过第一二极管(D1)连接第一AD8034芯片的输出端，且第一二极管(D1)的正极连接第一AD8034芯片的负输入端，同时第一AD8034芯片的负输入端通过第八电阻(R8)连接第二AD8034芯片的负输入端和输出端，且第八电阻(R8)上并联第四电容(C4)；所述第一AD8034芯片的输出端依次通过第二二极管(D2)、第三二极管(D3)连接第二AD8034芯片的正输入端，且第一AD8034芯片的输出端连接第二二极管(D2)的正极，第二二极管(D2)的负极连接第三二极管(D3)的正极；所述第二二极管(D2)和第三二极管(D3)的公共端与第八电阻(R8)和第二AD8034芯片的公共端之间连接第九电阻(R9)，第九电阻(R9)上并联第五电容(C5)，第三二极管(D3)和第二AD8034芯片的公共端依次通过第六电容(C6)、第十一电阻(R11)接地；所述ADG821芯片的S1端口通过第六电阻(R6)连接AD8061芯片的输出端，D2端口通过第十电阻(R10)连接第二AD8034芯片的正输入端，IN1端口、IN2端口连接FPGA控制芯片，S2端口接地。
7.根据权利要求1所述的远场激光光斑测量装置，其特征在于，所述探测器与前置处理电路一一对应，且每一组探测器与前置处理电路集成化设计，封装为一个探测单元模块。
8.根据权利要求7所述的远场激光光斑测量装置，其特征在于，每N个探测单元模块对应一个AD转换单元。
9.根据权利要求8所述的远场激光光斑测量装置，其特征在于，每M个AD转换单元集成化设计，封装为一个采集单元模块。
10.根据权利要求1或3所述的远场激光光斑测量装置，其特征在于，所述控制层上设置控制芯片及其外围电路具体为：
将所述正六边形蜂房式结构阵列划分为三部分，两个三角形区域和一个矩形区域；
每一个三角形区域对应一个FPGA芯片和其外围电路，矩形区域对应两级控制单元，第一级控制单元包括n片子FPGA芯片及其外围电路，第二级控制单元包括一个总FPGA芯片及其外围电路，将每一个子FPGA芯片设置为SPI从机，将总FPGA芯片设置为SPI主机，每一个子FPGA芯片将采集到的数据存入各自的RAM，之后通过SPI总线方式通信将RAM中的数据传输至总FPGA芯片，由总FPGA芯片进行数据整合。
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