CN1340702A - 多波长激光雷达可程序控制的光闸装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的可控程序的光闸装置,其特征是所述的光闸装置包括,光闸叶片,光闸电机,光闸信号输出插头,光闸主光路窗口,光闸罩,透光狭缝,光闸检测电路暗箱,光闸基座,以及光电二极管和光闸检测电路组成,所述的控制方法当光闸叶片是否遮挡半导体发光管时,光电接收二极管输出低电平或高电平。当光闸旋转时,光闸信号输出一连串的高低电平交替的脉冲串。以此程控光闸装置。

Description

多波长激光雷达可程序控制的光闸装置及控制方法

本发明涉及大气污染检测技术领域。尤其是，涉及一种用于探测大气中的臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达中可程序控制的光闸装置及其控制方法。

在现有技术中，用于探测大气污染的激光雷达通常包含发射系统，控制系统，信号检测与处理系统以及接收系统(参见图1)，其中激光发射系统包括激光器、发射望远镜等。所述的发射望远镜是用来改善激光发射信号的。激光经发射望远镜射向大气，在大气中传输时，受到大气介质的衰减和散射。其中的后向散射信号返回到激光雷达接收系统。所述的激光雷达接收系统包括接收望远镜、光电转换和放大等部分。返回到激光雷达的激光散射信号被接收望远镜收集，经光电转换放大等环节，再由信号检测与处理系统分析和处理，得到我们所需要的大气参数和过程信息。控制系统是控制激光的发射与接收的同步和水平、俯仰转动等。

由于激光雷达探测大气时，大气回波信号是随探测距离而变化的，探测距离越远，信号就越小。根据激光雷达方程，我们知道，激光雷达接收信号与探测距离的平方成反比，当要求激光雷达探测距离达到40km时，信号的变化范围将＞10⁶。由于激光雷达的激光器发射功率是有限的，因此，在探测远距离信号时，一般都采用微弱信号检测技术，也就是光子计数技术。特别是在紫外波段，接收器件只能采用光电倍增管。而光电倍增管有一个特性，就是当光电倍增管被较强的光照射之后(如激光雷达的近距离的强信号)，需要一段恢复时间，才能使光电倍增管的输出信号线性的反映输入光的变化。因此，为了使激光雷达能够准确的测量远距离的微弱信号，除了要采用微弱信号检测技术外，还要采取一定的措施将近距离的强信号抑制掉。对此，现在技术中一般采用光闸技术，即，在光电倍增管上加门控电路的方法，实际是通过改变光电倍增管中极的电压抑制激光发射时光电倍增管的增益，不能从根本消除强光照射光电倍增管光电阴极产生的感应噪声。

已有的光闸技术是：光闸电机采用直流高速电机并只有一路光闸检测信号输出，它存在以下几个问题：

1.直流电机转速不稳定，其转速受电源波动和负载变化影响较大。

2.当电机停时(关掉电机电源)，光闸叶片停止的位置是随机的，此时光闸叶片可能已遮挡住主光路，光闸处于关断位置，也可能没遮挡，光闸处于开通位置或者处于半开半关状态，也就是说光闸静态的位置是随机的，不可控。

3.光闸电机转速的调整比较复杂。

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种新的可程序控制的光闸装置及其控制的方法。它是将高速直流电机改成高速交流同步电机，驱动电机的电源采用可编程的脉冲调制调频电源(变频器)。由于同步电机的转速与驱动电源的频率相对应，因此，同步电机的调速要比直流电机简单(不需要测速)，同时安装两套光闸信号检测电路，检测光闸位置，利用调频电源的点动与制动功能，实现对光闸的静态位置的控制。此外，在所述的可程序控制的装置中还应用嵌入系统技术并配置标准的RS-422A串行接口，使这套装置成为独立的设备，并可远距离控制其操作。

图1表示激光雷达的一般工作原理框图；

图2表示探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的装置示意图；

图3表示激光雷达总体结构的框图；

图4表示用于本发明的可程序控制的光闸装置中的光闸结构示意图；

图5表示用于本发明的可程序控制的光闸装置的示意图；

图6表示用于本发明的可程序控制的光闸装置的光闸叶片宽度和光闸检测电路的安装位置关系的示意图；

图7表示用于本发明的可程序控制的光闸装置的光闸电机与光闸座结构位置的示意图；

图8表示用于本发明的可程序控制的光闸装置的光闸控制电路的示意框图；

图9表示用于本发明的可程序控制的光闸装置的控制程序的框图；

图10表示用于本发明的可程序控制的光闸装置的联机程序的框图；

图11表示用于本发明的可程序控制的光闸装置的电机开的程序框图；

图12表示用于本发明的可程序控制的光闸装置的光闸开的程序框图；

图13表示用于本发明的可程序控制的光闸装置的光闸关的程序框图；

下面将结合附图对本发明的可程序控制的光闸装置及控制方法进行详细的说明。

目前我国用于探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达是一种具有大功率激光发射能力的和大口径(如1m或以上的口径)接收望远镜的、多波长(从紫外到红外)的激光雷达，它的探测能力是很强的。图2是探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的方框图。图中，所述的探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达包括：接收望远镜(1)，光栏电机(2)，小孔光栏(3)，光闸叶片(4)，光闸电机(5)，准光镜(6)，308nm光路(7)，355nm光路(8)，1060nm光路(9)，532nm光路(10)，偏振棱镜(11)，532nm水平偏振(12)，532nm垂直偏振(13)，355nm发射望远镜(14)，532nm发射望远镜(15)，308nm发射望远镜(16)，1060nm发射望远镜(17)。

在所述的激光雷达中有两台大功率激光器，其中Nd-YAG激光器输出三个波长的激光，分别是1060nm、532nm和355nm；XeCl激光器输出波长为308nm。这些激光经发射望远镜扩束并压缩发散角射向大气，接收望远镜(1)是一个口径为1米的卡塞格林式望远镜，焦点被侧转拉出，在焦点处有一个可调节的视场光阑(3)。在近焦点处设置可控的光闸(4)，以控制光闸的开关过渡时间。分光系统将激光雷达收集的不同波长的激光回波进行信息分离，并导向光电转换器的光敏面上。其中308nm、355nm为紫外波段，采用微弱信号检测技术(光子计数技术)进行检测，532nm、1060nm采用模拟信号接收技术，并通过高速A/D转换成数字信号进入计算机进行信号处理。532nm有三个通道接收，其中有两个通道是用来检测激光大气偏振信息的。

控制部分包括光闸控制、激光触发控制、接收信号同步控制、望远镜调焦控制、接收视场角控制(改变视场光阑)、滤光片选择控制以及光轴平行调整。

图3是用于探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的总体结构示意图。其中，主计算机(1)，激光光源(2)，激光器(3)，光学平台(4)，发射望远镜(5)，调整镜(6)，光学平台(7)，监视器(8)，顶层楼板(9)，观测圆顶房(10)，接收望远镜(11)，光学平台(12)，分光与接收系统(13)，控制机柜(14)，光闸(15)。

图4是光闸结构的示意图。所述的光闸是由光闸叶片(1)、高速电机(2)、和电机支架/机座(4)和主光路(4)等部分组成。

当光闸接通电源时，高速电机(2)带动叶片(2)旋转，叶片旋转到主光路(4)时，便把主光路挡住，使光路后面的光电转换器接收不到激光大气回波信号。当光闸叶片缺口旋转到主光路时，主光路打开，后面的光电转换器便可以接收到大气回波信号。在激光雷达观测时，光闸的开通与关断不能是随机的，必须要与激光器配合起来，使激光发射与光闸旋转同步，才能达到观测目的。因此，需要检测出光闸旋转时，主光路通断的信号。一般的检测方法是：在光闸叶片一边装上半导体发光管，而另一边装上半导体光电接收二极管，这两只管子相对应。当光闸叶片遮挡半导体发光管时，光电接收二极管检测不到光信号，光闸信号输出为低电平。当光闸叶片没有遮挡半导体发光管时，光电接收二极管可以检测到光信号，光闸信号输出为高电平。当光闸旋转时，光闸信号输出一连串的高低电平交替的脉冲串。

上述的本发明可程序控制的光闸。其原理(方法)是将高速直流电机改成高速交流同步电机，驱动电机的电源采用可编程的脉冲调制调频电源(变频器)。由于同步电机的转速与驱动电源的频率相对应，因此，同步电机的调速要比直流电机简单(不需要测速)，同时安装两套光闸信号检测电路，检测光闸位置，利用调频电源的点动与制动功能，实现对光闸的静态位置的控制。此外，在这套装置中还应用嵌入系统技术并配置标准的RS-422A串行接口，使这套装置成为独立的设备，并可远距离控制其操作。具体技术方案如下：

1.光闸叶片

如图6所示，图中，光闸叶片(6-1)，(6-2)，光电二极管位置分别为(6-3)、(6-4)、(6-5)、(6-6)。其中，光闸叶片的宽度(角度)要大于光闸叶片缺口的宽度(角度)，两套光闸检测电路的安装位置要小于光闸缺口的宽度，并使两路光闸检测信号能够有同时是高电平状态，也有同时是低电平状态的输出。

2.光闸结构

如图7所示，图中，光闸电机(7-1)，光闸信号输出插头(7-2)，光闸主光路窗口(7-3)，光闸罩(7-4)，透光狭缝(7-5)、(7-6)，光闸检测电路暗箱(7-7)，光闸座(7-8)。

具体地说，光闸电机(7-1)固定在光闸座(7-8)上，由于电机转速很高，因此光闸座要有一定质量，以防电机旋转时发生振动。在底座上开有安装光闸检测电路的暗箱，同时开有两个透光狭缝。光闸叶片被光罩罩住，在光闸罩上也有两个透光狭缝，发光二极管安装在光闸罩外面。

3.电路原理

图8表示光闸控制电路的框图，所述的光闸控制电路由两部分组成，一部分是光闸检测电路，一部分是控制电路。

嵌入系统的CPU为Z64180，EPROM 8K，RAM 8K，Z64180本身带有串行接口，并行接口为普通的并行输入输出接口，面板手动控制开关有3个：A.电机开/电机停；B.光闸开/光闸关；C.手动/联机(由主计算机通过串行接口控制)，调频电源采用的是西门子公司生产的变频器，功率0.45KW，嵌入系统与并行接口都是通用技术，我们采用的是STD总线工业控制机，CPU板采用的是康拓公司生产的STD5024，并行输入输出接口板是北工大生产的TP STD8511。其电原理图在此省略。

图9-图13分别表示光闸装置的可控制程序，联机程序，电机开，光闸开和光闸关时的控制程序图。其中，程序用汇编语言写成并固化在EPROM内。如图9所示，控制程序开始后，进行初始化，再输入面板开关量，然后进行联机、电机开、光闸开、电机停、入串接口状态和询问程序，如是“N”，再进入初始化后的程序，如是“Y”，则进入输出工作状态，直至控制程序结束，如果程序：联机、电机开和光闸开均为“Y”，则分别进入：调联机、调电机开、调光闸开，电机停程序，再把输出送入入串接口状态。

图10表示联机程序框图其中，由子程序入口，至有指令输入，如无指令输入“N”，则进入子程序返回，如有指令输入“Y”，则进入电机开程序，如电机不开，则进入调电机开程序，如电机开，则进入光闸开程序，如光闸不开，则进入调电机开、光闸开程序，如光闸开，则进入条电机停、光闸开程序，最后进入子程序返回。

图11表示电机开的程序图。其中，由子程序人口程序，进入取消制动程序，子进入输出电机开指令程序，再进入子程序返回程序。

图12和13分别为光闸开和光闸关程序框图。其中，通过子程序人口进入电机停程序，如电机不停，则再进入电机停程序，如电机停，则进入点动程序，再进入两光闸信号是否都是低电平，如是“N”，则再进入点动程序，如是“Y”，则进入制动和返回程序。由于光闸关的程序相同于光闸开的程序，因此不再具体说明。

4.转速调整

该光闸采用的是交流同步电机，其特点是电机的转速与提供给电机电源的频率成正比。当提供给电机的电源频率高时，电机转速就快(要在额定频率以内)，当提供给电机的电源频率低时，电机转速就慢，当提供给电机的电源频率不变时，电机转速保持恒速。我们采用的是西门子公司生产的变频器为光闸的同步电机供电，这种变频器是可程控的，完全可以适应光闸同步电机的启动、调速、停止、制动、点动等技术要求。

本发明的实施例简述如下：

将光闸装置中的光闸叶片(4)，光闸电机(5)，参见图2，安装在主光路焦点附近(主光路焦点处有视场光阑)，这样可以使光闸的开关过渡时间最短，光闸检测部分(如图6中的光电二极管)，安装在光闸处，控制部分和变频器安装在一个机箱内(如图7中的光闸检测电路暗箱)，接通二者的连线即可以使用。为了与激光触发同步，光闸检测信号同时要分出一路供激光触发控制使用。

当激光雷达进行探测臭氧观测时开动光闸，在激光发射的初期光闸处于关状态，随着时间的推移，光闸旋转打开主光路，激光雷达接收远距离的回波信号，光闸起到抑制近距离强信号的作用。当激光雷达要进行近距离观测时，将光闸置于常开状态，这时激光雷达可以接收到从激光触发开始“0”时刻到一定距离的信号。使激光雷达具备既能探测高层大气回波信号，又能进行近距离观测的目的。

采用可程控的光闸技术解决了原来光闸转速不可控的问题，也解决了光闸开通与关断的位置不可控的问题，为激光雷达的自动观测提供了技术保障。

本发明所述的用于探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的可控程序的光闸装置及控制方法，对于本技术领域的普通技术人员根据本发明所公开的技术内容，再不偏离本发明的权利要求书所述的精神和范围内所作出的修改或变动均属于本发明所要保护的范围。

Claims (2)

1.一种探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的可控程序的光闸装置，其特征是所述的光闸装置包括，光闸叶片，光闸电机，光闸信号输出插头，光闸主光路窗口，光闸罩，透光狭缝，光闸检测电路暗箱，光闸基座，以及光电二极管和光闸检测电路组成，所述的光闸叶片的宽度(角度)大于光闸叶片缺口的宽度(角度)，使两路光闸检测信号能够有同时是高电平状态，也有同时是低电平状态的输出，所述的光闸叶片开有两个透光狭缝，而在光闸罩上也有两个透光狭缝，分光二极管安装在所述的光闸罩外面，所述的光闸电机是高速交流同步电机，电机的驱动电源是可编程序的脉冲调制调频电源(变频器)，所述的光闸检测电路由两部分组成，其中一部分是光闸检测电路，另一部分是控制电路，控制电路中嵌入系统的CPU本身带有串行接口，并行接口为普通的并行输入输出接口，面板手动控制开关有用主计算机通过串行接口控制的，电机开/电机停；光闸开/光闸关；和手动/联机三个构成。

2.如权利要求1所述的多波长激光雷达的可控程序的光闸装置的控制方法，其特征是，当光闸接通电源时，高速电机(2)带动叶片(2)旋转，叶片旋转到主光路(4)时，便把主光路挡住，使光路后面的光电转换器接收不到激光大气回波信号。当光闸叶片缺口旋转到主光路时，主光路打开，后面的光电转换器便可以接收到大气回波信号。在激光雷达观测时，光闸的开通与关断不能是随机的，必须要与激光器配合起来，使激光发射与光闸旋转同步，才能达到观测目的。因此，需要检测出光闸旋转时，主光路通断的信号。一般的检测方法是：在光闸叶片一边装上半导体发光管，而另一边装上半导体光电接收二极管，这两只管子相对应。当光闸叶片遮挡半导体发光管时，光电接收二极管检测不到光信号，光闸信号输出为低电平。当光闸叶片没有遮挡半导体发光管时，光电接收二极管可以检测到光信号，光闸信号输出为高电平。当光闸旋转时，光闸信号输出一连串的高低电平交替的脉冲串。

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