CN114323314B - 一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，包括标准时钟源、标定室时钟源、延时器、激光器和望远镜；所述标准时钟源分别连接标定室时钟源和望远镜；所述延时器分别连接标定室时钟源和激光器；所述标定室时钟源根据标准时钟源进行时钟同步，所述延时器经由标定室时钟源的控制发出触发信号，从而控制激光器的激光发射时间。本发明可实现激光器内触发或者外触发；为使WFCTA系统具有相同的时钟，以便从望远镜内找出激光事例，采用校准后的GPS信号外触发激光器，每台激光器受到不同延时的外触发信号，从而避免激光事例在望远镜上产生混乱。

Description

一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统

技术领域

本发明涉及激光器控制领域，尤其涉及一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统。

背景技术

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，其核心科学目标是研究银河系内外宇宙线的起源、加速和传播机制，黑洞、中子星等致密天体高能物理过程，暗物质粒子的寻找及新物理的发现。广角切伦科夫望远镜阵列（WFCTA）是其四种主要探测器之一，主要物理目标是通过阶段性阵列布局，多参数、分能段精确测量30 TeV-1 EeV的宇宙线单成份能谱。其测量宇宙线能谱主要是对探测到的光子数进行计算得到，因此需要对望远镜接收到的光子数进行绝对标定。切伦科夫光在传播过程中受到空气分子的散射（瑞利散射）及气溶胶散射（米散射）而损失部分光，由于瑞利散射损失的光是可以通过严格的计算而得到，而气溶胶散射损失的光必须经过实际测量才能估算，因此必须对站区附近大气质量进行实时监测，从而对观测数据进行有效筛选和修正，提高数据质量并降低系统误差。采用激光标定也是以大气荧光/切伦科夫光为探测手段的探测器经常使用的定标方法。在对LHAASO-WFCTA绝对定标和大气监测过程中，激光束稳定性、激光转动精度、慢控系统、望远镜等多个因素综合影响标定结果。

广角切伦科夫望远镜接收宇宙射线与大气中物质相互作用所激发空气簇射中的带电粒子产生的荧光或切伦科夫光，大气参数的变化波动对望远镜接收到的光子数有一定的影响，激光作为准直性良好的单色光元，其散射光携带了大量的大气状态信息，分析望远镜接收到的激光事例，是一种有效的大气监控方式，在国内外宇宙线地面观测实验中，Auger、hires、ARGO-YBJ等实验，都采用了激光标定的方式来对大气切伦科夫望远镜和望远镜视场内的大气质量进行标定、监控工作。

目前，对于一台激光器发射而言，现有技术是望远镜通过获取激光发射时间的方式对激光事例进行筛选，针对多台激光器同时发射时，由于是同一GPS外触发多台不同激光器之间的同时发射，会导致望远镜无法识别激光事例，将导致激光事例在望远镜上产生混乱。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，包括标准时钟源、标定室时钟源、延时器、激光器和望远镜；所述标准时钟源分别连接标定室时钟源和望远镜；所述延时器分别连接标定室时钟源和激光器；所述标定室时钟源根据标准时钟源进行时钟同步，所述延时器经由标定室时钟源的控制发出触发信号，从而控制激光器的激光发射时间。

进一步的，所述延时器用于控制激光发射时间，以便挑选激光事例；控制过程为：首先检测GPS信号上升沿；从上升沿开始计时，每个计时单位为100 μs，计时单位由串口配置参数决定；延时结束后，从去往激光的BNC口输出脉冲信号。

进一步的，所述标定室内时钟源为GPS时钟，用于发射秒脉冲信号到延时器，控制激光器的激光脉冲发射频率。

进一步的，所述望远镜用于观察并记录下激光器发射的激光脉冲事例，激光脉冲的外触发是通过GPS的时间触发完成的，每一次激光的发射都会有一个固定间隔的时间，望远镜会对所述激光脉冲事例打上小白兔授予的时间标签。

进一步的，所述激光器包括氮分子激光器和YAG激光器。

进一步的，所述氮分子激光器采用外触发功能控制，通过标定室时钟源和延时器进行控制，标定室时钟源每个整秒发出一个秒脉冲信号，在标定室时钟源信号后加装延时器，对脉冲信号进行时序平移，以此在望远镜记录的事例中区分开不同站址发出的激光脉冲；通过控制触发信号与氮分子激光器电源的通断来控制氮分子激光器的发射并且获得准确的时间信号。

进一步的，所述YAG激光器采用外触发和内触发的组合，闪光灯由达到设备要求的外触发信号上升沿打开；Q-Switch在闪光灯打开后，由YAG激光器内部逻辑电路配合外部触发信号产生的同频率内部时序电路启动，两路信号间有稳定的时间间隔。

本发明的有益效果：本发明在标定时，通过望远镜记录激光事例，为区分不同的标定事例，在特定时间发射激光脉冲；并采用的重复频率为1 Hz的激光脉冲，可实现激光器内触发或者外触发；为使WFCTA系统具有相同的时钟，以便从望远镜内找出激光事例，采用校准后的GPS信号外触发激光器，每台激光器受到不同延时的外触发信号，从而避免激光事例在望远镜上产生混乱。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明的系统原理图。

图2是在氮分子激光器中原初GPS信号以及延时器输出信号时序图。

图3是YAG触发信号的幅值以及脉宽要求示意图。

图4是YAG外触发模式的时序图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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作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。

本实施例中，如图1所示，一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，包括标准时钟源、标定室时钟源、延时器、激光器和望远镜；所述标准时钟源分别连接标定室时钟源和望远镜；所述延时器分别连接标定室时钟源和激光器；所述标定室时钟源根据标准时钟源进行时钟同步，所述延时器经由标定室时钟源的控制发出触发信号，从而控制激光器的激光发射时间；上述系统设备之间的连接方式均以有线的方式进行通信。

在本实施例中，标准时钟源为小白兔时钟（由清华大学研制开发），用作整个系统项目的时钟源。

在本实施例中，所述标定室内时钟源为GPS时钟，用于发射秒脉冲信号到延时器，控制激光器的激光脉冲发射频率。在使用时，需要注意以下事项：（1）蘑菇头需要放置在空旷区域；

（2）使用12V直流供电；

（3）电缆定义：红：+12V；黑：0V（地线）；白：串口输出；绿：PPS 输出，3V；

（4）串口输出为4800波特率，每秒输出一组数据；

（5）PS输出3 V脉冲，宽度约100 ms，每秒一个脉冲；

（6）如果要使用串口数据，可以自行接DB9接口；白线接DB9-2，黑线接DB9-5。

在本实施例中，延时器用于控制激光发射时间，以便挑选激光事例；控制过程为：首先检测GPS信号上升沿；从上升沿开始计时，每个计时单位为100 μs，计时单位由串口配置参数决定；延时结束后，从去往激光的BNC口输出脉冲信号。

在本实施例中，望远镜用于观察并记录下激光器发射的激光脉冲事例，并对所述激光脉冲事例打上小白兔授予的时间标签。

时钟在整个项目内都非常重要，望远镜是一直在记录宇宙线事例，只有将我们标定用激光事例打上明确的时间标签，且能每秒重复，才能从海量的事例里面找到我们的激光事例。

在本实施例中，激光器包括氮分子激光器和YAG激光器。

氮分子激光器的触发信号时序：氮分子激光器采用外触发功能控制，通过标定室时钟源和延时器进行控制，标定室时钟源每个整秒发出一个秒脉冲信号，在标定室时钟源信号后加装延时器，对脉冲信号进行时序平移（形成一个固定的延时，例如，本身在10:00:00开始触发，但采用延时器将激光调整为10:00:00:50发射），以此在望远镜记录的事例中区分开不同站址发出的激光脉冲；通过控制触发信号与激光器电源的通断来控制激光器的发射并且获得准确的时间信号，经过延时器的触发信号的时序图，如图2所示。

在本实施例中，所述YAG激光器采用外触发和内触发的组合，闪光灯由达到设备要求的外触发信号上升沿打开，YAG激光器触发信号要求如图3所示，Q-Switch在闪光灯打开后，由YAG内部逻辑电路配合外部触发信号产生的同频率内部时序电路启动，两路信号间有稳定的时间间隔，不同信号间时序关系如图4所示。

图4给出在闪光灯外触发、Q-Switch内触发情况下YAG时序电路的时间逻辑，符合要求的外部信号宽度大于100 μs。内部闪光灯产生一个延迟500μs的信号LAMP SYNC，LAMPSYNC上升沿产生后，在一个设定的Q-Switch Delay时间后，产生一个Q-Switch SYNC，Q-Switch SYNC上升沿70 ns之后，产生激光脉冲信号。

在实验室中对时序信号的测量，采用YAG激光器上已有的信号输出口，使用信号发生器作为YAG的外部触发信号源与时间同步基准，采集内部生成的闪光时序与Q-Switch时序，观察是否稳定。时序的稳定性与望远镜上激光事例时间窗口的分布有密切的关系，实验测得Q-Switch时序与GPS上升沿时间间隔分布的差别在10 μs之间。

本发明在标定时，通过望远镜记录激光事例，为区分不同的标定事例，在特定时间发射激光脉冲；并采用的重复频率为1 Hz的激光脉冲，可实现激光器内触发或者外触发；为使WFCTA系统具有相同的时钟，以便从望远镜内找出激光事例，采用校准后的GPS信号外触发激光器，每台激光器受到不同延时的外触发信号，从而避免激光事例在望远镜上产生混乱。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，其特征在于，包括标准时钟源、标定室时钟源、延时器、激光器和望远镜；所述标准时钟源分别连接标定室时钟源和望远镜；所述延时器分别连接标定室时钟源和激光器；所述标定室时钟源根据标准时钟源进行时钟同步，所述延时器经由标定室时钟源的控制发出触发信号，从而控制激光器的激光发射时间。

2.根据权利要求1所述一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，其特征在于，所述延时器用于控制激光发射时间，以便挑选激光事例；控制过程为：首先检测GPS信号上升沿；从上升沿开始计时，每个计时单位为100 μs，计时单位由串口配置参数决定；延时结束后，从去往激光的BNC口输出脉冲信号。

3.根据权利要求1所述一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，其特征在于，所述标定室内时钟源为GPS时钟，用于发射秒脉冲信号到延时器，控制激光器的激光脉冲发射频率。

4.根据权利要求1所述一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，其特征在于，所述望远镜用于观察并记录下激光器发射的激光脉冲事例，激光脉冲的外触发是通过GPS的时间触发完成的，每一次激光的发射都会有一个固定间隔的时间，望远镜会对所述激光脉冲事例打上标准时钟源授予的时间标签。

5.根据权利要求1所述一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，其特征在于，所述激光器包括氮分子激光器和YAG激光器。

6.根据权利要求5所述一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，其特征在于，所述氮分子激光器采用外触发功能控制，通过标定室时钟源和延时器进行控制，标定室时钟源每个整秒发出一个秒脉冲信号，在标定室时钟源信号后加装延时器，对脉冲信号进行时序平移，以此在望远镜记录的事例中区分开不同站址发出的激光脉冲；通过控制触发信号与氮分子激光器电源的通断来控制氮分子激光器的发射并且获得准确的时间信号。

7.根据权利要求5所述一种适用于光子数绝对标定的时序控制系统，其特征在于，所述YAG激光器采用外触发和内触发的组合，闪光灯由达到设备要求的外触发信号上升沿打开；Q-Switch在闪光灯打开后，由YAG激光器内部逻辑电路配合外部触发信号产生的同频率内部时序电路启动，两路信号间有稳定的时间间隔。

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