CN111207829A - 一种多参数综合测试激光告警仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光告警技术领域，具体涉及一种多参数综合测试激光告警仪，包括激光波长方向测量模块、激光脉冲脉宽测量模块、数据处理模块，激光波长方向测量模块、激光脉冲脉宽测量模块均连接在数据处理模块上。本发明通过激光波长方向测量模块、激光脉冲脉宽测量模块实现对激光波长、方位角、俯仰角和脉宽的多参数计算，并且本发明通过20个带通滤光片、超高速光电探测器、高精密时间测量芯片联合测试方法，极大减小复色背景和干扰光对测量的影响，且可根据光电探测器相应的个数来消除闪电等非激光装备光对测量的影响。本发明用于激光告警。

Description

一种多参数综合测试激光告警仪

技术领域

本发明属于激光告警技术领域，具体涉及一种多参数综合测试激光告警仪。

背景技术

激光告警仪是识别来袭激光，计算激光参数，判断来袭激光功能的仪器。 目前激光告警仪仅能测量部分参数，或只能测量出激光波长和角度，或仅能测 量脉宽，测量方法和装置都比较单一化，没有实现通用化，并不能实现一种测 量装置对多种参数进行测量。且测量脉宽的光电探测器阵列前采用唯个高速光 电探测器，测量的激光脉宽会导致背景(如太阳光、天空)和外界干扰(如闪电、 复色强光)等影响，导致光电探测器饱和或误测，进而测量精度下降。

发明内容

针对上述激光告警仪测量方法和装置测量参数单一、易受外界干扰的技术 问题，本发明提供了一种测量精度高、误差小、效率高的多参数综合测试激光 告警仪。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种多参数综合测试激光告警仪，包括激光波长方向测量模块、激光脉冲 脉宽测量模块、数据处理模块、系统控制模块、接收窗口，所述激光波长方向 测量模块、激光脉冲脉宽测量模块均通过系统控制模块连接在数据处理模块上， 所述激光波长方向测量模块、激光脉冲脉宽测量模块均设置在接收窗口的一侧。

所述激光波长方向测量模块包括前置光学系统、宽波段闪耀光栅、后置光 学系统、宽波段焦平段探测器，所述前置光学系统的一侧依次设置有宽波段闪 耀光栅、后置光学系统、宽波段焦平段探测器。

所述激光脉冲脉宽测量模块包括窄带滤光片阵列、超高速光电探测器、高 速比较器、高精密时间测量芯片，所述窄带滤光片阵列连接有超高速光电探测 器，所述超高速光电探测器通过高速比较器连接有高精密时间测量芯片。

所述窄带滤光片阵列包括20个带通滤光片，所述窄带滤光片阵列的每一个 光谱带宽为60nm。

所述数据处理模块包括ADC转换器、DSP处理器、液晶显示屏，所述ADC 转换器通过DSP处理器与液晶显示屏连接，所述ADC转换器连接有系统控制 模块。

所述系统控制模块采用FPGA控制器。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明通过激光波长方向测量模块、激光脉冲脉宽测量模块实现对激光波 长、方位角、俯仰角和脉宽的多参数计算，并且本发明通过20个带通滤光片、 超高速光电探测器、高精密时间测量芯片联合测试方法，极大减小复色背景和 干扰光对测量的影响，且可根据光电探测器相应的个数来消除闪电等非激光装 备光对测量的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明激光波长方向测量模块的结构示意图；

图3为本发明激光脉冲脉宽测量模块的结构示意图；

图4为本发明数据处理模块的结构示意图；

图5为本发明被测激光方向示意图；

图6为本发明方位角的测量原理图；

图7为本发明俯仰角的测量原理图；

图8为本发明激光脉宽与计数脉冲信号周期对比示意图；

其中：1为激光波长方向测量模块，2为激光脉冲脉宽测量模块，3为数据 处理模块，4为系统控制模块，5为接收窗口，11为前置光学系统，12为宽波 段闪耀光栅，13为后置光学系统，14为宽波段焦平段探测器，21为窄带滤光片 阵列，22为超高速光电探测器，23为高速比较器，24为高精密时间测量芯片， 31为ADC转换器，32为DSP处理器，33为液晶显示屏。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

一种多参数综合测试激光告警仪，如图1所示，包括激光波长方向测量模 块1、激光脉冲脉宽测量模块2、数据处理模块3、系统控制模块4、接收窗口5， 激光波长方向测量模块1、激光脉冲脉宽测量模块2均通过系统控制模块4连接 在数据处理模块3上，激光波长方向测量模块1、激光脉冲脉宽测量模块2均设 置在接收窗口5的一侧。

进一步，如图2所示，激光波长方向测量模块1包括前置光学系统11、宽 波段闪耀光栅12、后置光学系统13、宽波段焦平段探测器14，前置光学系统 11的一侧依次设置有宽波段闪耀光栅12、后置光学系统13、宽波段焦平段探测 器14。

进一步，如图3所示，激光脉冲脉宽测量模块2包括窄带滤光片阵列21、 超高速光电探测器22、高速比较器23、高精密时间测量芯片24，窄带滤光片阵 列21连接有超高速光电探测器22，超高速光电探测器22通过高速比较器23连 接有高精密时间测量芯片24。

进一步，优选的，窄带滤光片阵列21包括20个带通滤光片，窄带滤光片 阵列21的每一个光谱带宽为60nm，整个窄带滤光片阵列21覆盖宽波段，在较 窄的带宽里，将极大减小复色背景和干扰光对测量的影响，并且可根据超高速 光电探测器22相应的个数来消除闪电等非激光装备光对测量的影响。

进一步，如图4所示，数据处理模块3包括ADC转换器31、DSP处理器 32、液晶显示屏33，ADC转换器31通过DSP处理器32与液晶显示屏33连接， ADC转换器31连接有系统控制模块4。

进一步，优选的，系统控制模块4采用FPGA控制器。

本发明的工作原理为：

如图5所示，被测激光OB，OB₁为OB在xOz面的投影，且与z轴的夹角为α； OB₂为OB在yOz面的投影，且与z轴的夹角为γ。测量激光的入射方向也就是测量 方位角α角和俯仰角γ角。

如图6、图7所示，激光入射经过光栅衍射后由后置光学系统13汇聚后，形 成干涉条纹，并成像于光接收器宽波段焦平段探测器14上。在x方向，零级光谱 位置为x⁰，正一级光谱位置为x⁺，负一级光谱位置为x^-1，如图6所示；在y方向， 入射光衍射后在宽波段焦平段探测器14位置为y，如图7所示。其中宽波段闪耀 光栅12常数为d，后置光学系统13的焦距为f，该电信号被DSP处理器32处理后， 给出波长、方向等信息。

由上述和图6可知，零级衍射角等于入射角α；正负一级衍射角度β⁺¹、β^-1， 满足：

正一级为：

负一级为：

宽波段焦平段探测器14将在焦距为f的镜头焦面形成的干涉条纹转换为电 信号，其零级、正、负一级条纹的位置如下：

由(1)、(2)和(3)可以确定一级衍射角β⁺¹、β^-1以及方位角α、俯仰角γ和波长 λ，结果如下:

激光脉冲宽度通过窄带滤光片阵列21、超高速光电探测器22及高精密时间 测量芯片24测试获得。测试原理为脉冲激光通过窄带滤光片阵列21之后由超 高速光电探测器22探测，得到的脉冲激光电信号经过高速比较器23转换为数 字方波信号，随后经过高精密时间测量芯片24对激光一个脉宽内计数，高精密 时间测量芯片24内部的逻辑门延迟时间为t，计数个数为N，则脉冲激光脉宽T 可表示为：

T＝N*t (5)

激光装备采用脉冲激光，脉宽都比较窄，为达到最小测试脉冲脉宽≤8ns， 本发明采用FPGA控制器控制高精密时间测量芯片24实现高速计数时钟，通过 对激光脉冲宽度时间计数，计算得到激光脉冲宽度。

如图8所示，高精密时间测量芯片24计数脉冲周期(即内部的逻辑门延迟时 间)定为t，激光脉冲宽度定为T，图中可以看出一个激光脉冲宽度内包含有N 个周期的计数脉冲信号。

高精密时间测量芯片24初始化为高精度模式，STOP1通道预期一个脉冲， 时钟选用4MHz高速时钟作为参考时钟。由于测量的分辨率会随温度和电压的 变化而改变，因此高精密时间测量芯片24的ALU需要内部校正测量结果，设 置ALU计算完成后自动校准。通过SPI串行接口向高精密时间测量芯片24发 送准备测量命令，使高精密时间测量芯片24处于测量状态。高精密时间测量芯 片24接收到START信号以后开始计时。当接收到STOP信号，ALU计算、校 准完成或者时间溢出后，高精密时间测量芯片24将产生中断信号，通过高精密时间测量芯片24的INT来判断高精密时间测量芯片24处下何种测量状态。向 高精密时间测量芯片24发送读取状态寄存器命令，根据状态寄存器中的值，判 断中断源。若中断由溢出产生，说明测量超时，本次测址无效；若中断由ALU 产生，则本次测量有效，向高精密时间测量芯片24发送读取测量结果命令。

FPGA控制器通过SPI接口控制高精密时间测量芯片24，对高精密时间测 量芯片24功能配置进行选择。配置完成后，高精密时间测量芯片24开始初始 化，随后对START和STOP1进行通道选择，当激光脉冲上升沿到来时，START 端触发，启动芯片计数功能，并等待STOP1信号，当激光脉冲下降沿到来时， STOP1端触发，停止计数功能。同时通过中断通知FPGA控制器，FPGA控制 器读取测试时间，并最终显示在液晶显示屏幕33上。由上面的系统工作过程说 明可知，系统软件设计的核心工作是对高精密时间测量芯片24进行控制和功能 配置。软件编程的操作主要有两个步骤，分别是写寄存器的配置和初始化，以 确定高精密时间测量芯片24的工作模式和寄存器的读取工作。首先对高精密时 间测量芯片24进行寄存器配置，设置测量范围和通道1的采样次数，定义ALU 计算方法然后初始化高精密时间测量芯片24、选通START和STOP1，高精密 时间测量芯片24进入测量状态，等待START和STOP1信号；接收指令后测量， 测量完成后FPGA控制器读取高精密时间测量芯片24测量数据。

激光波长方向测量模块1和激光脉冲脉宽测量模块2获得的数据经FPGA 控制器控制通过转换进入DSP处理器32进行处理，首先对宽波段焦平面阵列探 测器14获得的干涉图像0级和1级光斑中心位置进行计算，获得激光波长、俯 仰角、方位角信息；其次对高精密时间测量芯片24计算获得的时间进行计算和 判断，排查非脉冲激光数据，并将激光波长方向测量模块1和激光脉冲脉宽测 量模块2结果进行对比，消除非激光信号，提供激光测试的测量精度和准确率， 最终将计算获得的激光波长、方向、脉冲宽度等信息在液晶显示屏幕33上显示。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实 施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗 旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多参数综合测试激光告警仪，其特征在于：包括激光波长方向测量模块(1)、激光脉冲脉宽测量模块(2)、数据处理模块(3)、系统控制模块(4)、接收窗口(5)，所述激光波长方向测量模块(1)、激光脉冲脉宽测量模块(2)均通过系统控制模块(4)连接在数据处理模块(3)上，所述激光波长方向测量模块(1)、激光脉冲脉宽测量模块(2)均设置在接收窗口(5)的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种多参数综合测试激光告警仪，其特征在于：所述激光波长方向测量模块(1)包括前置光学系统(11)、宽波段闪耀光栅(12)、后置光学系统(13)、宽波段焦平段探测器(14)，所述前置光学系统(11)的一侧依次设置有宽波段闪耀光栅(12)、后置光学系统(13)、宽波段焦平段探测器(14)。

3.根据权利要求1所述的一种多参数综合测试激光告警仪，其特征在于：所述激光脉冲脉宽测量模块(2)包括窄带滤光片阵列(21)、超高速光电探测器(22)、高速比较器(23)、高精密时间测量芯片(24)，所述窄带滤光片阵列(21)连接有超高速光电探测器(22)，所述超高速光电探测器(22)通过高速比较器(23)连接有高精密时间测量芯片(24)。

4.根据权利要求3所述的一种多参数综合测试激光告警仪，其特征在于：所述窄带滤光片阵列(21)包括20个带通滤光片，所述窄带滤光片阵列(21)的每一个光谱带宽为60nm。

5.根据权利要求1所述的一种多参数综合测试激光告警仪，其特征在于：所述数据处理模块(3)包括ADC转换器(31)、DSP处理器(32)、液晶显示屏(33)，所述ADC转换器(31)通过DSP处理器(32)与液晶显示屏(33)连接，所述ADC转换器(31)连接有系统控制模块(4)。

6.根据权利要求1所述的一种多参数综合测试激光告警仪，其特征在于：所述系统控制模块(4)采用FPGA控制器。

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