CN1570570A - 一种转盘式机械快门同步时序控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种转盘式机械快门同步时序控制方法及其应用，在脉冲激光发射同步接收光电系统中控制脉冲激光器的发射时序和光电探测器的曝光时序，它采用内触发同步时序控制方式，即利用转盘式机械快门装置上自备的光电开关信号作为同步基准信号，并利用该转盘式机械快门上自备的可移动光电二极管精确测量实际入射光束的开门时间与同步基准信号间的时间延迟，然后确定脉冲激光触发的时刻，及确定脉冲激光的触发状态。本发明在脉冲激光发射同步接收光电系统中有效屏蔽脉冲激光发射时的各种近程杂散回光对高灵敏度光电探测器的干扰，并准确接收希望时间段内的有效回光信号。本发明简单易于实现，可用于激光雷达、激光测距、空间激光通讯、自适应光学中的激光人造导星等应用领域。

Description

一种转盘式机械快门同步时序控制方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种转盘式机械快门同步时序控制方法，与高重复频率高精度转盘式机械快门装置配套使用，在脉冲激光发射同步接收光电系统中控制脉冲激光器的发射时序和光电探测器的曝光时序。

背景技术

激光雷达系统、激光测距系统、空间激光通讯系统、采用人造导星的自适应光学系统等，都可以看作是脉冲激光发射同步接收光电系统。其工作体制都是先发射一个激光脉冲，延迟一定时间后用光电探测器接收从目标处返回的光信号，从回光信号中获取有效信息。在这类光电系统中，普遍采用像增强器、光电倍增管等高灵敏度的光电探测器件。由于脉冲激光发射时的各种杂散光和近距离内的大气后向散射光可能使这类高灵敏度器件不能正常工作或损坏，所以需要采用机械快门装置对这类高灵敏度器件的光敏面进行有效保护。有些种类的光电探测器自带电子快门，能对内部的电路和部件提供保护，但其暴露在外的光敏面在强杂散光的辐照下容易损坏，仍然需要用机械快门对其进行彻底保护。机械快门装置的开关门时序必须与脉冲激光器的发射时序、光电探测器的曝光时序精确同步，否则起不到保护作用。由于光速很快，从150米距离来回只需要约1微秒时间。在有些应用场合，例如在采用人造导星的自适应光学系统中，要求机械快门装置的重复频率高达几百上千赫兹，而同步时间控制精度要求达到微秒级。

转盘式机械快门可以达到很高的开关重复频率，但其时间设置精度取决于快门装置的机械结构和采用的同步时序控制方法，要在技术上同时实现高重复频率和高同步时间设置精度非常困难。检索国内外科技论文和专利文献发现，王静江在1981年出版的《光学工程》第4期第12-17页的“高精度旋转快门设计”一文中，公布了一种转盘式机械快门装置，该装置上用电机驱动一个齿轮组，利用齿轮使多组叶片同时工作，结构比较复杂，与之配套的同步时序控制方法由张秉华在1981年出版的《光学工程》第2期第1-9页的“高精度同步控制的锁相伺服系统”一文中公布，在这种同步时序控制方法中，同步基准信号来自于外部信号源，将机械快门装置与这个外部基准信号同步。由于机械快门装置的惯性较大，对外部同步触发信号的反应较慢，必须采用脉冲同步锁相控制这种非常复杂的技术手段。即使这样，只能做到最快曝光时间1/120秒，与外部基准信号的同步精度±20微秒。由于技术上的限制，这种外触发同步控制方式很难达到更高的重复频率和同步时间控制精度。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种转盘式机械快门同步时序控制方法，这种方法与高重复频率高精度转盘式机械快门装置配套使用，在脉冲激光发射同步接收光电系统中有效地控制脉冲激光器的发射时序和光电探测器的曝光时序，以达到高精度同步时间控制。

本发明的技术解决方案：一种转盘式机械快门同步时序控制方法，与高重复频率高精度转盘式机械快门装置配套使用，在脉冲激光发射同步接收光电系统中控制脉冲激光器的发射时序和光电探测器的曝光时序，其特征在于包括下列步骤：

(1)采用内触发同步时序控制方式，即利用转盘式机械快门装置上自带的光电开关实际测量转盘上通光孔开关门信号，作为控制脉冲激光器发射时序和光电探测器曝光时序的同步定位基准信号；

(2)再利用转盘式机械快门装置上自带的可移动光电二极管配合光电开关，对系统自身的时间延迟Δt0，即转盘式机械快门装置对实际入射光束的开门时刻相对与所述的定位基准信号的时间延迟Δt1进行实际精确标定，并作为同步时序控制的一个重要参数；

(3)根据实测时间延迟Δt0的大小，以及给定的希望时间延迟，即光电探测器曝光的时刻相对于脉冲激光发射时刻的时间延迟Δt2的大小，来计算脉冲激光发射时刻相对于所述同步定位基准信号的时间延迟Δt1的大小；

(4)根据逻辑判断方法确定脉冲激光器的触发状态，即在每次发射脉冲激光前检查转盘的开门状态，将脉冲激光触发信号与机械快门开门信号的反相信号进行逻辑与操作，将逻辑与后的输出作为新的脉冲激光触发信号，保证脉冲激光发射时机械快门处于关断状态。

将上述方法应用于脉冲激光发射同步接收系统，该系统由待探测目标、望远镜系统、分光镜、脉冲激光器、转盘机械快门装置、成像光学系统和光电探测器组成，脉冲激光器发出的激光束通过望远镜系统传输到待探测目标上后沿原光路返回，返回光信号经过同样的望远镜系统和成像光学系统后被光电探测器接收，发射光束和返回光束通过分光镜共用望远镜系统，转盘机械快门装置放置在望远镜系统的焦点位置，使转盘式机械快门装置的开关门时序与脉冲激光器的发射时序和光电探测器的曝光时序协调同步，保护光电探测器免受脉冲激光器发射时的各种杂散回光干扰。

本发明所提供的转盘式机械快门同步时序控制方法，其同步时序控制电路简单易实现，同步时序控制的精度决定于配套使用的转盘式机械快门装置的时间设置精度。该同步时序控制方法与一种高重复频率高精度转盘式机械快门装置配套使用，同步时序控制的重复频率可以达到上千赫兹，同步时间控制精度可以达到微秒级。这种转盘式机械快门同步时序控制方法可以用于激光雷达、激光测距、空间激光通讯、自适应光学中的激光人造导星等应用领域。

本发明与现有技术相比具有的优点在于：(1)采用内触发同步控制方式，即利用转盘式机械快门装置上自备的光电开关实际测量的转盘上通光孔的开关门信号作为同步基准信号，同步控制脉冲激光器的发射时序和光电探测器的曝光时序；(2)同步时序控制的一个重要参数，即机械快门装置对实际入射光束的开门时刻相对与定位基准信号的时间延迟，可以用机械快门装置上自带的可移动光电二极管配合光电开关实际精确标定；(3)对脉冲激光的触发状态进行保护性逻辑判断，保证脉冲激光发射时机械快门处于关断状态；(4)由于内触发同步控制方式是用机械装置去同步电子器件，不需要外触发同步控制时那种复杂的锁相同步控制电路，其同步时序控制电路容易实现；(5)该同步时序控制方法与高重复频率高精度转盘式机械快门装置配套使用，同步时序控制的重复频率可以达到上千赫兹，同步时间控制精度可以达到微秒级。

附图说明

图1为本发明在脉冲激光发射同步接收光电系统中应用的结构示意图；

图2为与本发明配套使用的高重复频率高精度转盘式机械快门装置的结构示意图；

图3为脉冲激光发射同步接收光电系统中的转盘式机械快门同步时序控制示意图(有效回光时间延迟小于一个快门周期)；

图4为脉冲激光发射同步接收光电系统中的转盘式机械快门同步时序控制示意图(有效回光时间延迟大于一个快门周期)。

具体实施方式

如图1所示为本发明在一个脉冲激光发射同步接收光电系统中应用的结构示意图。该系统由待探测目标1、望远镜系统2、分光镜3、脉冲激光器4、转盘机械快门装置5、成像光学系统6和光电探测器7组成。脉冲激光器4发出的激光束通过望远镜系统2传输到待探测目标1上后沿原光路返回，返回光信号经过同样的望远镜系统2和成像光学系统6后被光电探测器7接收，发射光束和返回光束通过分光镜3共用望远镜系统2，转盘机械快门装置5放置在望远镜系统2的焦点位置。

通常脉冲激光器4由外部脉冲信号触发，光电探测器7内部的电子快门也可以受外部脉冲信号控制，而本发明同步时序控制方法的主要内容是根据转盘式机械快门装置5的工作时序确定脉冲激光器4的出光时间以及光电探测器7的曝光时间，保护光电探测器7免受脉冲激光发射时的各种杂散光影响，并对脉冲激光器4和光电探测器7的工作时序进行同步控制。

如图2所示为与本发明配套使用的转盘式机械快门装置的结构示意图。一个存在若干轴对称开孔的不透光薄圆盘8通过反螺纹的紧定螺母9和轴套10直接固定在高速电机11的轴头上，高速电机11和光电开关13固定在底座12上，在信号光束穿过转盘的后面位置安装一个高响应速度光电二极管15，光电二极管1 5安装在一个可以自由放入光路或拿开的悬臂14上。

下面结合图2介绍本发明同步时序控制方法的具体实现过程：

(1)首先利用转盘式机械快门装置上自备的光电开关13实际测量的转盘9上各通光孔的开门信号作为时序控制的同步基准；

(2)在机械快门安装调试完成后，正式工作之前，用一个与待测量的脉冲回光信号同轴、光束口径相同的连续光源代替工作时的脉冲回光信号，将高速光电二极管15通过悬臂14放入光路中。当整个机械快门以设定的速度转动平稳后，光电二极管15上应能随着入射信号光的通-断-通产生相应的高-低-高电平的周期信号。利用示波器等仪器精确测量从光电开关13信号上升沿到光电二极管15收到通光孔完全开通信号的时间间隔，记为Δt0，测量完成后将替代连续光源移开，将高速光电二极管15通过悬臂14移出光路，机械快门自身的时间延迟Δt0是同步时序控制的一个重要参数；

(3)根据实测参数Δt0的大小，以及给定的希望时间延迟，即光电探测器曝光的时刻相对于脉冲激光发射时刻的时间延迟Δt2的大小，计算出脉冲激光器的出光时刻相对于同步定位基准信号的时间延迟Δt1。具体计算方法将在后面结合附图3和附图4介绍。

(4)以机械快门装置上光电开关13产生的周期信号上升沿为基准，延迟时间Δt1后触发脉冲激光，保证间隔Δt2后希望接收的脉冲回光信号正好落在机械开关的开门周期内。在脉冲激光发射前还需要对脉冲激光器的触发状态进行最终逻辑判断。(具体判断方法将在后面结合附图4详细介绍)

(5)如果所使用的光电探测器自带电子快门，就产生一个与机械快门同步的窄幅脉冲信号，在机械开关的开门周期内进一步控制光电探测器的曝光时间，达到更高的曝光时间设置精度。这时机械开关的主要作用是抑制杂光、保护光电探测器的光敏面。

(6)重复步骤(3)、(4)、(5)，使转盘式机械快门装置和脉冲激光器、光电探测器协调同步地连续工作。

转盘式机械快门装置的重复频率可达上千赫兹，与此对应，快门周期T不足一个毫秒。脉冲激光发射同步接收光电系统中，希望回光时间延迟Δt2的大小取决于实际应用需要。例如在自适应光学的人造激光导星中，回光距离几公里到十几公里，对应的回光时间延迟Δt2仅几十微秒，小于一个快门周期T。又比如激光雷达系统的探测距离可达几千公里，对应的回光时间延迟Δt2可达几十毫秒以上，远大于一个快门周期。这两种情况需要分别对待。

如图3所示，在有效回光时间延迟Δt2小于一个快门周期T的情况下，如果已经测量出时间延迟Δt0，只需要设置时间延迟Δt1＝Δt0-Δt2，即可以保证在快门完全开通时段只接受希望的回光信号，而其他时段快门处于完全关断状态，对后面的光电探测器提供彻底保护。机械快门的开关与脉冲激光发射、回光信号接收同步有序地进行。

如图4所示，在有效回光时间延迟Δt2远大于一个快门周期T的情况下，将Δt2分解为Δt2＝n×T+Δt2′，其中n为整数，Δt2′＜T，那么设置时间延迟Δt1＝Δt0-Δt2′，可以保证希望接受的信号落在机械快门的开门时间段内。注意n＝0就是希望时间延迟Δt2小于一个快门周期的情况，说明图3只是图4的一个特例。

当希望时间延迟Δt2大于一个快门周期时可能会存在这样一种情况，即在需要发射脉冲激光的时刻，也是需要接收回光的时刻。如果这时机械快门处在打开状态，就会对探测器失去保护作用。避免这种情况的方法是每次根据转盘的开门状态确定脉冲激光的触发状态，将脉冲激光要求触发信号与机械快门开门信号的反相信号进行逻辑与操作，将逻辑与后的输出作为新的脉冲激光触发信号。如果机械快门正在打开，其开门信号的反相信号为非，则无论输入的要求激光触发信号是否有效，实际的脉冲激光触发信号为非，使光电探测器得到保护；如果机械快门处在关断状态，其开门信号的反相信号为真，则脉冲激光可以正常触发。经逻辑判断后脉冲激光器的实际触发状态如下表所列。

经逻辑判断后脉冲激光器实际触发状态	要求脉冲激光器触发	不要求脉冲激光器触发
			机械快门处于关断状态	触发出光	不触发出光
机械快门处于开通状态	不触发出光	不触发出光

加入这样的逻辑判断后，在某些工作时段激光器将不出光，这部分工作时段称为“死区”，死区时段只占全部工作时段的很小一部分。例如在一个机械快门装置中，电机转速300转/秒，转盘开4个孔，回光光束到转盘中心距离60毫米，快门重复频率＝300×4＝1200赫兹，快门周期＝1/1200＝833微秒。如果希望接收的有效回光脉冲宽度20微秒，在快门转盘上的回光光束直径1毫米，则快门开启关断的过渡时间＝1/(2π×300×60)＝8.84微秒，转盘开孔部分相对转盘轴心的张角＝(8.84+20)×1e-6×300×360＝3.1度，保留一定的动态范围，设计开孔张角3.6度，对应开通时间为33.3微秒，相应的关断弧段为86.4°，关断时间为800微秒。假设Δt0＝T，Δt1＝0，那么只有在Δt2＝0～33.3微秒、T～T+33.3微秒、2T～2T+33.3微秒……这些时段无效，其余时段均可正常出光和接收回光，即死区时段只占全部时段的4％。这种影响在绝大多数应用场合是可以接收的。

以下简单分析本发明提供的转盘式机械快门同步时序控制方法的同步时间设置精度。由于这种同步时序控制方法采用内触发同步方式，即以转盘式机械快门装置上自带的光电开关实际测量的转盘开关门信号作为同步定位基准；并且同步时序控制中的一个重要参数，即机械快门装置对实际入射光束的开门时刻相对定位基准信号的时间延迟，也可以用机械快门装置上自带的可移动光电二极管配合光电开关实际精确标定，所以本发明提供的转盘式机械快门同步时序控制方法的精度主要决定于配套使用的转盘式机械快门装置自身的时间设置精度，其他因素如时序控制电子电路部分的时间延迟设置误差都可以忽略不计。按照本发明提供的同步时序控制方法，转盘式机械快门的同步时间设置精度可以达到微秒级的高精度。

以上的机械快门同步时序控制方法中，涉及到脉冲信号发生、可变时间延迟、逻辑判断等信号处理方法，都是信号处理技术中的一些最基本最简单的常规方法，利用电子电路技术手段很容易实现。

Claims (2)

1、一种转盘式机械快门同步时序控制方法及其应用，与高重复频率高精度转盘式机械快门装置配套使用，在脉冲激光发射同步接收光电系统中控制脉冲激光器的发射时序和光电探测器的曝光时序，其特征在于包括下列步骤：

(1)采用内触发同步时序控制方式，即利用转盘式机械快门装置上自带的光电开关实际测量转盘上通光孔开关门信号，作为控制脉冲激光器发射时序和光电探测器曝光时序的同步定位基准信号；

(2)再利用转盘式机械快门装置上自带的可移动光电二极管配合光电开关，对系统自身的时间延迟Δt0，即转盘式机械快门装置对实际入射光束的开门时刻相对与所述的定位基准信号的时间延迟Δt1进行实际精确标定，并作为同步时序控制的一个重要参数；

(3)根据实测时间延迟Δt0的大小，以及给定的希望时间延迟，即光电探测器曝光的时刻相对于脉冲激光发射时刻的时间延迟Δt2的大小，来计算脉冲激光发射时刻相对于所述同步定位基准信号的时间延迟Δt1的大小；

(4)根据逻辑判断方法确定脉冲激光器的触发状态，即在每次发射脉冲激光前检查转盘的开门状态，将脉冲激光触发信号与机械快门开门信号的反相信号进行逻辑与操作，将逻辑与后的输出作为新的脉冲激光触发信号，保证脉冲激光发射时机械快门处于关断状态。

2、采用权利要求1所述方法及其应用的脉冲激光发射同步接收系统，其特征在于：该系统由待探测目标、望远镜系统、分光镜、脉冲激光器、转盘机械快门装置、成像光学系统和光电探测器组成，脉冲激光器发出的激光束通过望远镜系统传输到待探测目标上后沿原光路返回，返回光信号经过同样的望远镜系统和成像光学系统后被光电探测器接收，发射光束和返回光束通过分光镜共用望远镜系统，转盘机械快门装置放置在望远镜系统的焦点位置。

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