本發(fā)明屬于激光主動遙感探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

激光雷達作為一種主動式的現(xiàn)代光學(xué)遙感手段，具有較高的時空分辨率，被廣泛應(yīng)用于大氣參量測量、環(huán)境監(jiān)測等方面。激光雷達的發(fā)射信號為具有高指向性、高能量的脈沖激光束，激光與大氣中的物質(zhì)相互作用產(chǎn)生散射光，通過對后向散射光收集，轉(zhuǎn)換，信號采集與演算等一系列處理，反演得到消光系數(shù)、后向散射系數(shù)、溫度、濕度等大氣參量廓線。單次散射激光雷達方程可表示為：

式中，p(z)為高度z處回波信號的接收功率，c為系統(tǒng)常數(shù)，p0為激光器發(fā)射功率(j)，c為光速(m/s)，τ為激光脈沖寬度(s)，a為接受望遠鏡的口徑面積(m²)，β(z)為距離z處大氣后向散射系數(shù)(sr^-1m^-1)，α(z)為距離z處大氣消光系數(shù)(m^-1)，y(z)為幾何重疊因子。顯然，激光雷達系統(tǒng)的回波信號強度p(z)除了與望遠鏡的接受面積、幾何重疊因子等系統(tǒng)常數(shù)，以及消光系數(shù)、后向散射系數(shù)等大氣參數(shù)相關(guān)以外，還與激光器的出射能量p0有關(guān)。在設(shè)備使用過程中，出射的脈沖峰值能量功率因為激光泵浦源等原因發(fā)生變化，對激光雷達測量數(shù)據(jù)的反演精度產(chǎn)生較大影響，需對其進行實時、準確監(jiān)測，以便對采集的數(shù)據(jù)進行校正。然而，為了獲得高空間分辨率，激光雷達出射的激光脈寬通常很窄，不易實現(xiàn)高頻率電路采集。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的激光雷達出射的激光脈寬窄，不易實現(xiàn)高頻率電路實時監(jiān)測和采集的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置，包括依次連接的光電轉(zhuǎn)換電路、信號放大電路、電壓峰值保持電路和單片機控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)還分別與上位機、lcd顯示屏以及放電電路連接，信號放大電路和單片機控制系統(tǒng)之間還連接有穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，放電電路又與電壓峰值保持電路連接。

本發(fā)明的特點還在于，

信號放大電路采用ad817芯片實現(xiàn)對電脈沖進行無失真放大。

電壓峰值保持電路具體結(jié)構(gòu)為：包括運算放大器n1，運算放大器n1連接電壓緩存器n2，運算放大器n1和電壓緩存器n2之間還正向?qū)ㄟB接有二極管vd，二極管vd和電壓緩存器n2之間連接有電容c的一端，電容c的另一端接地，電壓緩存器n2的輸出端還與運算放大器n1的反向輸入端連接。

運算放大器n1采用比較器max961，電壓緩存器n2采用max4104，二極管vd為肖特基二極管1n5817。

穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路采用能夠重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls123，單片機控制系統(tǒng)采用上升沿觸發(fā)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls123的clk引腳接入+5v電壓，a引腳接地，b引腳接輸入電壓，當輸入電壓為上升沿時，b引腳輸出一個上升沿脈沖信號觸發(fā)單片機控制系統(tǒng)。

放電電路采用ts5a3166單刀單擲模擬開關(guān)實現(xiàn)放電。

本發(fā)明的有益效果是，激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置，采用32位armcortex-m3內(nèi)核的stm32f103vbt6單片機作為控制核心，對激光雷達出射脈寬為10ns、重復(fù)頻率為20hz的激光脈沖進行實時能量監(jiān)測、采集與顯示，電壓峰值保持電路為整個監(jiān)測裝置的核心，能夠較好地對窄脈沖的激光雷達信號進行檢測和保持，為激光雷達實驗修正提供依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置中電壓峰值保持電路的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3(a)是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置實驗中脈寬10ns、脈沖頻率20hz、脈沖峰值2v的單脈沖保持結(jié)果；

圖3(b)是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置實驗中脈寬10ns、脈沖頻率20hz、脈沖峰值2v的雙脈沖保持結(jié)果；

圖3(c)是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置實驗中脈寬10ns、脈沖頻率20hz、脈沖峰值1.5v的單脈沖保持結(jié)果；

圖3(d)是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置實驗中脈寬10ns、脈沖頻率20hz、脈沖峰值1.5v的雙脈沖保持結(jié)果；

圖4(a)是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置實驗中脈沖頻率為60hz的實驗結(jié)果；

圖4(b)是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置實驗中脈沖頻率為100hz的實驗結(jié)果；

圖5是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置實驗中輸出脈沖能量與電路的輸出電壓對應(yīng)關(guān)系圖；

圖6是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置實驗中未修正的激光雷達距離平方修正信號曲線圖；

圖7是本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置實驗中修正后的激光雷達距離平方修正信號曲線圖。

圖中，1.光電轉(zhuǎn)換電路，2.信號放大電路，3.電壓峰值保持電路，4.單片機控制系統(tǒng)，5.穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，6.上位機，7.lcd顯示屏，8.放電電路。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括依次連接的光電轉(zhuǎn)換電路1、信號放大電路2、電壓峰值保持電路3和單片機控制系統(tǒng)4，單片機控制系統(tǒng)4還分別與上位機6、lcd顯示屏7以及放電電路8連接，信號放大電路2和單片機控制系統(tǒng)4之間還連接有穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路5，放電電路8又與電壓峰值保持電路3連接。

信號放大電路2采用ad817芯片實現(xiàn)對電脈沖進行無失真放大。

如圖2所示，電壓峰值保持電路3具體結(jié)構(gòu)為：包括運算放大器n1，運算放大器n1連接電壓緩存器n2，運算放大器n1和電壓緩存器n2之間還正向?qū)ㄟB接有二極管vd，二極管vd和電壓緩存器n2之間連接有電容c的一端，電容c的另一端接地，電壓緩存器n2的輸出端還與運算放大器n1的反向輸入端連接，運算放大器n1采用比較器max961，電壓緩存器n2采用max4104，二極管vd為肖特基二極管1n5817。

穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路5采用能夠重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls123，單片機控制系統(tǒng)4采用上升沿觸發(fā)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls123的clk引腳接入+5v電壓，a引腳接地，b引腳接輸入電壓，當輸入電壓為上升沿時，b引腳輸出一個上升沿脈沖信號觸發(fā)單片機控制系統(tǒng)4。

放電電路8采用ts5a3166單刀單擲模擬開關(guān)實現(xiàn)放電。

本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置，采用32位armcortex-m3內(nèi)核的stm32f103vbt6單片機作為控制核心，對激光雷達出射脈寬為10ns、重復(fù)頻率為20hz的激光脈沖進行實時能量監(jiān)測、采集與顯示。出射激光脈沖，由光電轉(zhuǎn)換電路1轉(zhuǎn)換為標準電壓信號，并進行信號放大。放大后的電壓信號，一方面通過穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路5來實現(xiàn)單片機觸發(fā)以進行采樣和轉(zhuǎn)換；另一方面由電壓峰值保持電路3對其進行峰值能量監(jiān)測與保持，并輸入單片機控制系統(tǒng)進行采集、計算、以及十進制轉(zhuǎn)換，最后在lcd顯示屏7上顯示數(shù)值，并上傳至上位機6存儲。通過控制電壓峰值保持電路3中電容電荷的充放時間，來保證下一個激光脈沖到來時，采樣電容的電荷為零。信號放大電路2使用高速放大器對電脈沖進行放大，在放大器壓擺率太小，帶寬太窄時，放大的信號往往會失真。此次設(shè)計選擇的是ad817芯片，該芯片具有50mhz的帶寬、350v/us的壓擺率，是一款低成本、低功耗、高速運算放大器，非常適合各種信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路5采用可以重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls123，單片機采用上升沿觸發(fā)，因此clk引腳接入+5v電壓，a引腳接地，b引腳接輸入電壓。當輸入電壓為上升沿的時候，b引腳輸出一個上升沿脈沖信號來觸發(fā)單片機。放電電路8采用ts5a3166單刀單擲(spst)模擬開關(guān)實現(xiàn)放電。峰值采用電容c35上的電荷充放電時間由ts5a3166芯片的in引腳控制。當in為高電平時，no與com連接，對電容c35進行放電；反之，no與com斷開，對電容進行充電。

電壓峰值保持電路3是此次設(shè)計的核心，分為電壓型和跨導(dǎo)型峰值保持電路，本文采用電壓型。電壓型保持電路的原理如圖2所示，由主運算放大器n1，電壓緩存器n2，二極管vd，保持電容c構(gòu)成。當主運算放大器n1輸入電壓vin時，若vin>vout，則二極管vd導(dǎo)通，對電容c進行充電，直至vin＝vout，二極管vd截至，充電停止；此時，電容c上的電壓與輸入電壓vin的最大值以及輸出電壓vout相等，對輸入電壓的峰值進行保持。具體電路由比較器u5(max961)、電壓緩存器u6(max4104)、檢測二極管d1(肖特基二極管1n5817)和保持電容c35組成。max961為超高速電壓比較器，傳輸延時為4.5ns，上升時間為2.3ns，其內(nèi)部具有滯回功能，幅度為3.5mv，可防止輸入信號中毛刺帶來的輸出信號抖動。考慮到電路中的雜散電容、雜散電感以及電源內(nèi)阻等因素會導(dǎo)致輸出端與輸入端之間產(chǎn)生寄生反饋，出現(xiàn)嚴重寄生振蕩，使電路無法工作。本次設(shè)計在max961比較器的正向輸入端1引腳與負向輸入端2引腳之間連接一個100pf電容c9來消除寄生振蕩。檢測二極管d1采用肖特基二極管1n5817。肖特基二極管作為一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，是一種快恢復(fù)的二極管，通過二極管d1的導(dǎo)通與截止來控制采樣電容c35的充電或者電壓保持狀態(tài)。若二極管導(dǎo)通，則電容c35充電；反之，電容保持峰值電壓。當能量監(jiān)測系統(tǒng)工作時，若光電轉(zhuǎn)換及放大后的信號輸出電壓小于或者等于峰值保持電壓，則電壓比較器max961輸出低電平，檢測二極管d1截止電容c35上的電壓保持不變否則，對保持電容充電，采樣峰值。此次設(shè)計中，為了確保比較器輸出低電平時，二極管d1為截止狀態(tài)，在電壓比較器的輸出端接入一個20ω分壓電阻r50，使得輸出的低電壓小于二極管的開啟電壓(約300mv)，保證峰值保持電路的正常工作。

單片機控制系統(tǒng)4主要由stm32f103vbt6單片機完成，包括電壓信號采集、a/d轉(zhuǎn)換、電容充放電時間控制、lcd顯示和上位機傳送等。單片機首先對各個端口進行初始化，接收采集到的電壓值，通過lcd顯示電壓值，并經(jīng)由串口上傳至上位機，單次a/d轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。單片機的外部中斷采用上升沿觸發(fā)，當上升沿中斷觸發(fā)時，pa1為上升沿，pa2＝0，放電電路處于保持階段，對電容進行充電，單片機對電壓信號進行a/d轉(zhuǎn)換和采集，數(shù)據(jù)由lcd顯示并上傳至上位機；完成電壓信號采集后，使pa2＝1，對保持電容進行放電、延時，以保證在下一個激光脈沖到來之前電容電荷為零。

需要說明的是，峰值保持時間為a/d轉(zhuǎn)換和采集的時間。如果a/d采集和轉(zhuǎn)換時間過長，可能會造成脈沖遺漏，或者在下一個激光脈沖來臨時，電容放電未完成。反之，如果a/d采集和轉(zhuǎn)換時間過短，則可能造成電容的充電時間不足，充電未完成，采集的電壓值不準確。因此，此次峰值檢測設(shè)計對電壓進行了四次采樣平均。

本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置，模擬檢測結(jié)果如下：

為了檢驗所設(shè)計電路的效果，首先采用信號發(fā)生器對不同能量峰值，不同頻率的信號進行模擬實驗，同時采用高頻數(shù)字示波器對峰值保持輸出結(jié)果進行實時監(jiān)測，實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3所示為脈寬10ns、脈沖頻率20hz的不同峰值的結(jié)果實驗，其中圖3(a)和圖3(b)分別為脈沖峰值2v的單脈沖和多脈沖的保持結(jié)果。圖3(c)和圖3(d)為脈沖峰值1.5v的單脈沖和多脈沖的保持結(jié)果。從模擬結(jié)果來看，對于相同的頻率和脈寬，該保持電路對不同的信號峰值能夠完成檢測和保持，峰值保持所得電壓與模擬電壓基本一致，而且沒有脈沖遺漏現(xiàn)象。圖4為不同脈沖頻率的模擬實驗結(jié)果，其中圖4(a)為頻率60hz的實驗結(jié)果，圖4(b)為100hz。在脈沖頻率不斷增加的情況下，設(shè)計電路仍能很好地對其進行檢測和保持，與原模擬的峰值基本一致，沒有脈沖遺漏現(xiàn)象。

使用所設(shè)計的電路對激光雷達所采用的美國continuum公司單頻大功率脈沖nd:yag激光器的脈沖能量進行實時監(jiān)測，得到輸出脈沖能量與電路的輸出電壓對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以看出，激光脈沖能量與電路電壓值具有很好地線性關(guān)系，擬合結(jié)果為：

u＝0.00904e+0.00465

式中u為電路的輸出電壓，e表示激光脈沖的峰值能量。當沒有激光脈沖輸出時，u＝0.00465，這可能是電路中存在暗電流所致。

在2016年1月16日夜間，將設(shè)計的電路用于532nm米散射激光雷達實驗觀測研究，對激光器輸出脈沖能量進行實時監(jiān)測，以對激光雷達回波信號進行p0校正。從圖6中可以看出，在很短的時間內(nèi)，激光雷達距離平方修正信號有較大偏差，考慮到大氣的時間尺度效應(yīng)，這些偏差很可能由激光雷達的硬件引起。通過觀察發(fā)現(xiàn)，20:06時峰值監(jiān)測電路的輸出電壓值為2.26v，而20:10為2.78v，顯然，激光能量出現(xiàn)了較大波動。對兩組數(shù)據(jù)進行歸一化修正，如圖7所示，與未修正前數(shù)據(jù)相比，兩組數(shù)據(jù)更具合理性。

本發(fā)明一種激光雷達出射的窄脈沖峰值能量監(jiān)測裝置，由于激光脈寬比較窄，只有十幾納秒或者更窄，使用高速采樣電路很難采集，因此采用峰值保持電路對激光脈沖進行峰值保持，以實現(xiàn)對激光脈沖的能量進行實時監(jiān)測和采樣存儲，為激光雷達數(shù)據(jù)的反演提供校正。通過對不同峰值和不同頻率的脈沖信號進行模擬實驗發(fā)現(xiàn)，該電路對不同的峰值和頻率的脈沖信號都具有較好地檢測和保持功能，并且沒有任何脈沖遺漏現(xiàn)象。對532nm米散射激光雷達采用的大功率激光器輸出脈沖實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，電路輸出電壓與脈沖能量存在u＝0.00904e+0.00465的線性關(guān)系。同時，采用該電路對激光雷達實驗觀測數(shù)據(jù)進行了激光能量p0歸一化修正，修正后的數(shù)據(jù)更具有合理性。因此，設(shè)計的電路簡單可行，能夠較好地對窄脈沖的激光雷達信號進行檢測和保持，為激光雷達實驗修正提供依據(jù)。