CN1340701A - 激光雷达用的具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达用的具有嵌入系统和门控功能的单光子计数器,所述的单光子计数器由时序控制器、延时电路、主计算机、标准串口、嵌入系统、接口电路和双通道计数器以及门控电路组成,单光子计数器与主计算机之间的通讯采用RS－422A标准串口,延时电路采用可编程器件,双通道计数器的工作频率高于100MHz,延时电路的输出启动单光子计数器,并同时控制门控电路用以控制光电倍增管的增益,衰减强光信号。

Description

激光雷达用的具有嵌入式系统和 门控功能的单光子计数器
本发明涉及探测大气中臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达，尤其是一种具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器的探测臭氧和平流层气溶胶的激光雷达，它是属于大气污染检测技术领域。
  通常，用于大气检测的具有大功率激光发射能力和大接收口径望远镜、多波长(从紫外到红外)的激光雷达主要由激光器、发射望远镜、接收望远镜及接收光路、回波光信号的检测和处理、控制系统和主计算机等部分组成。常用的探测臭氧和平流层气溶胶的激光雷达系统框图如图1示。其中，激光器发射的激光束经发射望远镜射入大气，激光在大气中传输时受大气介质的衰减和散射，经衰减和散射的后向散射光信号被接收望远镜接收，再由光信号检测和处理系统对接收到的回波光信号进行光电转换、放大、处理和存储等操作。
激光雷达的探测能力是激光雷达的一项重要技术指标。为了检测激光雷达远距离回波微弱光信号，单光子计数是目前唯一可采用的技术。如图2示，一般通用的微弱光信号检测和处理系统由光电倍增管、放大/鉴幅器、单光子计数器和计算机系统等部分组成。
其中单光子计数器在国内外现有两种类型的产品：一种为箱式(如美国的PARC1109，1112)，另一种为卡式(如加拿大的Optech FDC-700M)。这两种产品都不适于我们的多功能、多波长激光雷达系统的需要。所存在的主要问题是：
1.通道少，每机或每卡仅1-2通道。并且价格昂贵。
2.卡式必须将卡板插入计算机机箱内主板，不能脱机使用。多通道使用时容易造成资源浪费。
3.本身不具备数据处理功能。
4.没有门控功能，且不便于微弱光信号检测系统的远程数据通信与控制，使用不够灵活方便。
因此，本发明的目的在于提供一种新型的具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器。这种计数器能适应探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达系统微弱信号检测的需要。
本发明的其它目的在于可在嵌入式系统中编入数据处理程序，使光子计数器具有数据预处理功能。
本发明的另一目的在于在光子计数器中设有可程序控制接口，可程序
地控制光电倍增管的门控时间。
本发明的另一目的在于设有高抗干扰能力的标准的RS-422A串行通讯接口，可与主计算机联接。
本发明的另一目的在于在多通道使用时不会造成计算机争时的问题，
有利于多通道数据的采集和处理。
图1表示探测臭氧和平流层气溶胶激光雷达原理框图；
图2.表示通用微弱光信号检测和处理系统框图；
图3.表示激光雷达微弱光信号检测和处理系统框图；
图4.表示探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达用的具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器原理框图；
图5.表示探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达用的具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器工作时序图；
图6.表示探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达用的具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器电路框图；
图7.表示探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达用的具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器程序流程；
下面将结合附图对本发明的用于探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器的技术方案、工作原理以及工作时序、程序流程等进行具体的说明。
图3表示一种探测臭氧和平流层气溶胶激光雷达微弱光信号检测和处理系统。其中，具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器与光电倍增管、放大器、鉴幅器组成一个独立的微弱光信号检测系统。
本发明用于探测臭氧和平流层气溶胶激光雷达单光子计数器的工作原理如下：
通常，在多波长激光雷达中使用的单光子计数器不同于其他计数器，它要求每个计数时间段(门宽)之间的时间间隔越短越好。因此，在本发明中采用了如图5.所示的双通道计数器交替轮流工作的方法，使各计数段间的死时间近似为零。本发明设计了一种独特的时序控制逻辑，利用了CPU为Z80A-DMA的快速数据传输功能，使系统的时间分辨率——门宽达到1微秒。
图4.和图6.分别为探测臭氧和平流层气溶胶、多波长激光雷达微处理器嵌入式系统单光子计数器的技术方案框图和电路框图。
其中，本发明采用以ZS0A CPU作为嵌入式系统的微处理器的方案，所述的方案具有单光子计数器结构简单、软硬件结合、灵活多变的特点。由图4可见，本发明的单光子计数器由时序控制器、延时电路、主计算机、标准串口、嵌入系统、接口电路和双通道计数器组成。其中，嵌入式系统的CPU为Z80A，具有4K EPROM和4K RAM内存，时钟频率为4MHz。为了较远距离可靠传输数字信号，单光子计数器与主计算机之间的通讯采用RS-422A标准串口。延时电路采用可编程器件8253，通过软件设置探测高度的下限，最小延时为1微秒，步长1微秒。双通道计数器(计数器A和计数器B)的工作频率高于100MHz。延时电路的输出启动单光子计数器，并同时控制门控电路用以控制光电倍增管的增益，衰减强光信号。
参见图4和5，本发明的单光子计数器的工作原理和时序是，输入的激光同步触发信号(Trig.In)经延时电路启动单光子计数器之后，由双通道计数器轮流对鉴幅器输出的光电子脉冲串计数。首先第一个计数器(如计数器A)计数，计满一个门宽时间Tg后，时序控制电路打开第二个计数器(如计数器B)，同时关闭第一个计数器，这时第一个计数器的计数值被数据选择器选中，经DMA控制器存入嵌入式系统的内存区的第一个缓存单元，第二个计数器计满门宽Tg时间后又被时序控制电路关闭，并同时再次打开第一个计数器，第二个计数器的计数值同样被数据选择器选中，经DMA控制器存入嵌入式系统的内存区的第二个缓存单元。两个计数器轮流交替计数，交替送入嵌入式系统的内存区存储。第一个计数器的计数值存入1、3、5、7----n-1等奇数单元，第二个计数器的计数值存入2、4、6、8----n偶数单元。因此，在激光雷达每发射一次激光束后，多道计数器便在同步信号的触发下按照光在大气中的传输时间分成了n个门宽Tg时间段，即n个高度段，每个高度段的高度Hk＝150×Tg×106米(Tg的单位为微秒)，对应每个Tg的光电子脉冲计数值存入对应的存储单元。探测高度的起点由延时电路决定。发射激光次数N和门宽Tg在开始观测前由程序设置。所述的嵌入式系统通过程序对内存单元存储的数据进行处理，如累加。当激光发射次数等于初始设置数N时，本次观测结束。观测结果(各高度段上的累加计数值)已存放在原设置的累加数存储区，在主计算机管理下经422串口把观测结果传输到主计算机进行处理。
例如，在一次观测开始前可通过主计算机对各通道光子计数器分别预置探测高度的起、止值；距离分辨率(门宽Tg)；累加次数N等。光子计数器在光子计数的过程中对数据进行预处理——如累加。观测完成后在主计算机控制下对单光子计数器的累加计数结果进行传送、显示和存储。
参见图7，图7表示探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达用的具有嵌入式系统和门控功能的单光子计数器程序流程。其中，激光同步触发信号输入，计数开始，然后分别设置延时、设置累加次数、设置计数门宽，再进入累加缓存区清零再进行DMA初始化并传输数据，若数据块没有传送完毕，则继续传送，若数据块传送完毕，则进入逐单元对应垒加，再对垒加次数减1，再判断垒加次数是否完成，若没有完成，则再次回到DMA初始化并传输数据程序，若已完成，则再分别进行初始化CTC和初始化SIO，在完成上述初始化之后，向主计算机传送数据，所传送的数据经计算机传送、显示和存储。因此单光子计数器的程序流程结束。
本发明用于探测臭氧和平流层气溶胶激光雷达单光子计数器实施例子如下：1.最高计数速率：50MHz，5MHz计数率时的脉冲丢失率为10％，50MHz时的丢失率为100％。2.高度分辩率为两档：150M；300M。3.触发信号的最高重复工作频率：100次/秒。4.垒加次数：可任意设置。5.同步触发信号的延时设置：由主计算机设置，最小为1微秒，步长为一微秒，延时时间可任意设置6.光电倍增管的门控触发信号来自经延时的激光同步脉冲信号，这个延时由CPU程序控制7.每次观测开始前可通过主计算机对各通道光子计数器的工作状态进行设置。
本发明的单光子计数器具有以下几个优点：
1.可在嵌入式系统中编入数据处理程序，使光子计数器具有数据预处理功能。
2.在该光子计数器中设有可程序控制接口，可程序控制光电倍增管的门控时间。
3.设有高抗干扰能力的标准的RS-422A串行通讯接口，可与主计算机联接。主计算机可对光子计数器进行远距离程序控制。
4.价格便宜，由于具有存储功能，在多通道使用时不会造成计算机争时的问题，有利于多通道数据的采集和处理。
本发明所属技术领域的普通技术人员在不偏离本发明说明书，权利要求书和附图的精神和范围下所作出的变化和改动均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达用的具有嵌入系统和门控功能的单光子计数器，所述的单光子计数器由时序控制器、延时电路、主计算机、标准穿口、嵌入系统、接口电路和双通道计数器以及门控电路组成。其特征在于，所述的嵌入式系统的CPU为Z80A，具有4KEPROM和4K RAM内存，时钟频率为4MHz。为了较远距离可靠传输数字信号，单光子计数器与主计算机之间的通讯采用RS-422A标准串口。延时电路采用可编程器件8253，通过软件设置探测高度的下限，最小延时为1微秒，步长1微秒。双通道计数器(计数器A和计数器B)的工作频率高于100MHz。延时电路的输出启动单光子计数器，并同时控制门控电路用以控制光电倍增管的增益，衰减强光信号。
2.如权利要求1所述的单光子计数器，其特征在于，所述的时序控制器所控制的时序是，输入的激光同步触发信号(Trig.In)经延时电路启动单光子计数器之后，由双通道计数器轮流对鉴幅器输出的光电子脉冲串计数。首先第一个计数器(如计数器A)计数，计满一个门宽时间Tg后，时序控制电路打开第二个计数器(如计数器B)，同时关闭第一个计数器，这时第一个计数器的计数值被数据选择器选中，经DMA控制器存入嵌入式系统的内存区的第一个缓存单元，第二个计数器计满门宽Tg时间后又被时序控制电路关闭，并同时再次打开第一个计数器，第二个计数器的计数值同样被数据选择器选中，经DMA控制器存入嵌入式系统的内存区的第二个缓存单元。两个计数器轮流交替计数，交替送入嵌入式系统的内存区存储。第一个计数器的计数值存入1、3、5、7----n-1等奇数单元，第二个计数器的计数值存入2、4、6、8----n偶数单元。因此，在激光雷达每发射一次激光束后，多道计数器便在同步信号的触发下按照光在大气中的传输时间分成了n个门宽Tg时间段，即n个高度段，每个高度段的高度Hg＝150×Tg×106米(Tg的单位为微秒)，对应每个Tg的光电子脉冲计数值存入对应的存储单元。探测高度的起点由延时电路决定。发射激光次数N和门宽Tg在开始观测前由程序设置。
所述的嵌入系统通过程序对内存单元存储的数据进行处理，如垒加。当激光发射次数等于初始设置数N时，本次观测结束，观测结果(各高度段上的累加计数值)已存放在原设置的累加数存储区，在主计算机管理下经422串口把观测结果传输到主计算机进行处理以及传送、显示和存储。
3.如权利要求1所述的单光子计数器，其特征在于，所述时序控制的程序是，
激光同步触发信号输入，计数开始，然后分别设置延时、设置累加次数、设置计数门宽，再进入累加缓存区清零，再进行DMA初始化并传输数据，若数据块没有完毕，则继续传送，若数据块传送完毕，则进入逐单元对应垒加，再对垒加次数减1，再判断垒加次数是否完成，若没有完成，则再次回到DMA初始化，并传输数据程序，若已完成，则再分别进行初始化CTC和初始化SIO，在完成上述初始化之后，向主计算机传送数据，所传送的数据经计算机传送、显示和存储，因此单光子计数器的程序流程结束。
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