CN1124495C - 采用网络技术的多波长激光雷达测量与控制***的电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大气污染检测技术领域，是一种激光雷达测量和控制***的电路结构，用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达。本发明将激光雷达整机电路分成若干个功能单元，组成一种分散式测控***；在每个功能单元内连接嵌入***，并加装符合EIA RS-422A标准的串行通讯接口，使之成为具有完成各自操作的独立单元；主计算机与各功能单元之间的数据交换采用网络技术；其网络拓朴采用星型结构，实行点对点的通讯，各通道分别建立通讯协议。嵌入***的CPU采用标准芯片，数据通信全部采用汇编语言编程软件，且汇编语言编程软件全部固化在EPROM内。本发明使激光雷达具有较强的可靠性、可操作性、可维修性和可扩展性。

Description

采用网络技术的多波长激光雷达 测量与控制***的电路结构

技术领域

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臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达中采用网络技术的激光雷达测量与控制装置的电路结构。

背景技术

图1是激光雷达的一般原理方框图，激光发射***包括激光器、发射望远镜等。其中，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。激光雷达接收***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***分析和处理，得到我们所需要的大气参数和过程信息。控制***是控制激光的发射与接收的同步和水平、俯仰转动等。

图2是探测大气中臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的原理方框图。图中，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)，532水平偏振(12)，532垂直偏振(13)，355发射望远镜(14)，532发射望远镜(15)，1060发射望远镜(16)，308发射望远镜(17)。

所述的探测大气中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，是目前我国口径最大的激光雷达。所述的多波长激光雷达具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。在近焦点处设置光闸，以减少光闸的开关过渡时间。分光***将激光雷达收集的不同波长的激光回波信息分离，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是所述与本发明相关的激光雷达的总体结构示意图，其中，所述的激光雷达包括，主计算机(33)，激光电源(34)，激光器(28)，光学平台(35)，发射望远镜(14)，调整镜(19)，光学平台(36)，监视器(25)，顶层楼板(37)，观测圆顶房(38)，接收望远镜(1)，光学平台(31)，分光与接收***(22)，控制机柜(32)，光闸(4)。

激光雷达测量(信号检测与数据处理***)与控制***是激光雷达的重要组成部分。随着科学研究和大气观测的需要，激光雷达的探测功能越来越广泛，激光雷达的技术也越来越复杂，对测量与控制***的要求也越来越高，已有的测量及控制***技术已不能适应新的激光雷达的要求，已有的激光雷达测量与控制***(见图4)采用的是并行接口技术，计算机与测量通道紧密相联，并且接收通道与控制点也较少。

并行接口的优点是传输速度快，但是也存在许多不足之处。比如，并行接口需要连接几十根联线，这其中包括地址总线、数据总线、控制总线等。当计算机速度较高时这些联线的距离不能太长，也就是传输距离有限，当计算机速度越高时，需要并行接口传输的距离就越短，否则抗干扰能力也越差，甚至根本不能联接到计算机以外。并行接口的另一个缺点是它必须与计算机CPU总线相结合，当计算机CPU总线不同时，很可能因总线不兼容而使接口不能工作。也就是说并行接口是一个专用接口。因此，至今世界上也没一个比较好的并行接口标准。并行接口的软件部分也是一样，数据传输的方式与格式一般都是自编的，也没有统一的标准。目前，计算机技术发展很快，计算机软、硬件更新的周期越来越短，采用并行接口的设备很容易因计算机技术的进步而过时。

多波长激光雷达是一台大型光、机、电一体化科研装备，见图2。它的测量与控制***采用并行接口便会产生很多问题，如多通道接收造成计算机争时的问题、强激光产生的干扰问题、***的可操作性问题：比如探测臭氧及气溶胶多波长激光雷达要占用二层楼的空间(见图3)，观测时操作人员不可能同时照顾各个方面。还有一个问题就是，大型仪器的寿命问题，采用并行接口技术，影响大型仪器功能的开发和利用。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，我们在激光雷达测量与控制***中改变了已往的采用并行接口的电路形式，在激光雷达内部，将整机电路分成不同的功能单元，再将这些单元内加装嵌入***，并采用了网络技术，将所有的数据采集单元和控制单元全部采用串行接口，组成一种新型的电路结构。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种采用网络技术的多波长激光雷达测量与控制***的电路结构，用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达，它包括激光发射***、激光信号接收***、激光雷达控制***、信号检测与采集***以及主计算机，其将激光雷达整机电路分成若干个功能单元，组成一种分散式测控***；在每个功能单元内连接嵌入***，并加装符合EIA RS-422A标准的串行通讯接口，使之成为具有完成各自操作的独立单元；主计算机与各功能单元之间的数据交换采用网络技术。

所述的电路结构，其所述的网络技术，其网络拓朴采用星型结构，实行点对点的通讯，各通道分别建立通讯协议。

所述的电路结构，其所述的功能单元，包括数据采集单元、接收望远镜控制单元、光闸控制单元、激光触发控制单元、分光光路控制单元和光子计数单元。

所述的电路结构，其各个功能单元内，数据采集单元或控制单元与嵌入***的连接采用的是并行接口，而对外通信采用标准串行接口，使这些数据采集单元或控制单元分别形成具有标准串行接口的单元仪器。

所述的电路结构，其所述嵌入***的CPU有Z80，Z64180、8051等标准芯片，数据通信全部采用汇编语言编程软件。

所述的电路结构，其所述的汇编语言编程软件全部固化在EPROM内。

采用串行接口的优点是：数据传输的联线较少，只要几根联线就可达到双向通信的目的。它的抗干扰能力也比并行接口强，通信距离可以很长，最近也可以达到几十米，例如有的标准(如RS-422A)在没有调制解调器的情况下通信距离可以达数公里远。同时，串行接口有国际统一的标准，使用时，只要符合标准，便可方便的联接，组成了一种新型的分散式测控***。

利用串行接口可以长距离传输的特点，使***分散化，即：功能分散—检测控制与数据处理功能分开、地域分散—增强***的电磁兼容性(提高抗干扰能力)、负载分散—解决多通道接收时数据处理的计算机争时问题、风险分散—单结点故障对整机的影响小，提高了整机的可靠性，并使大型雷达具有很强的可操作性。较好地解决了大型激光雷达所面临的设备复杂、操作困难、观测数据较难处理等问题，使该激光雷达具有较强的可靠性、可操作性、可维修性和可扩展性。由于采用的是标准接口，在主计算机更新或换型时，对整机没有影响，有利于延长大型设备的使用寿命和功能开发。

附图说明

图1表示现有的激光雷达的一般原理框图；

图2表示探测大气中臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的原理方框图；

图3表示与本发明相关的探测大气中臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的总体结构示意图；

图4表示已有的激光雷达中采用并行接口的测量与控制***的框图；

图5表示本发明中各个数据接收通道或控制单元在应用嵌入***同时分别加装具有标准串行接口的单元部分的连接框图；

图6表示本发明激光雷达测控***的网络拓朴框图；

图7表示本发明中在主计算机中***的多通道串行接口卡的电路框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所采用网络技术的激光雷达测量与控制***的电路结构进行详细的说明。

将激光雷达整机电路分为若干个数据采集单元，控制单元和光子计数单元，在每个单元内加装嵌入***。这些嵌入***的CPU有Z80、Z64180、8051等，由于采用了嵌入***，大量硬件功能改由软件实现，使有的单元具有自动判断和处理的功能，大大简化了主计算机的控制操作，同时各接收通道可对接收数据分别进行预处理，缓解了主计算机数据处理的压力。

如图5所示，其中，模拟信号接收通道(A/D)(数据采集单元)，控制***的各控制单元通道(控制单元)和光子计数单元中全部采用嵌入***。各个数据采集单元或控制单元在应用嵌入***的同时，分别加装串行接口(有的嵌入***的CPU本身带有串行接口)。在这些单元内，数据采集单元或控制单元与嵌入***的联接采用的是并行接口，而对外通信采用标准串行接口，使这些数据采集单元或控制单元分别形成具有标准串行接口的单元仪器。

主计算机与各单元之间的数据交换采用网络技术，使大量的控制信息、数据处理信息与主计算机间的数据通讯由专用并行接口电路改为标准串行数据通信接口。

由于在这个网络中要传输很多控制信息，不单是文件数据传送，同时考虑到大型激光雷达工作的电磁环境，我们采用的是具有高抗干扰能力的差分平衡电气串行数据通信接口EIA RS-422A。

网络拓朴采用星形结构，各通道分别建立通讯协议，软件生成、更改、维护比较容易。图6是雷达测控***网络拓朴方框图。

激光雷达测控网络不同其它网络，它传输不仅是一般的文本文件，它还要传输很多控制信息。为了提高该网络的传输效率，该网络的所有通信软件全部采用汇编语言编程。

嵌入***的汇编软件全部固化EPROM内。由于该网络的主计算机与各单元之间是直接的点对点通信，因此该网络具有较块的时间响应特性，有的网络有较长的传输延时。

实施例

A.如图6所示，将激光雷达控制电路分成接收望远镜控制(焦路

控制)，光闸控制，激光触发控制，分光光路控制等单元；将数

据采集分成1060nm接收通道的A/D转换单元、532nm水平偏振

接收通道的A/D转换单元、532nm垂直偏振接收通道的A/D转

换单元、355nm接收通道的光子计数单元、308nm接收通道的光

子计数单元，并在每个单元内加装嵌入***，并分别编制控制与

数据处理程序。

B.如图5所示，各嵌入***中加装串行接口(有的嵌入式***CPU

本身带有串行接口)，上述各路串行接口均采用RS-422A标准的

芯片。

C.在主计算机中***多通道串行接口卡，如图7是8通道串行接

口卡电路方框图。这些串行接口全部采用RS-422A标准。

图7中，所使用的芯片8251是标准的串行接口芯片。

D.联接网络，建立通讯协议，编制通信软件，进行整机联调。

由于在本发明激光雷达内部采用了具有嵌入***和串行接口的网络技术的电路结构，使激光雷达的测控***构成一种分散***，使大型激光雷达具有很强的可操作性，虽然各部件分布在两层楼内，操作人员只要在主计算机前，便可控制该雷达进行观测，见图3。

在上述的描述中已结合附图对本发明的用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达所采用网络技术的数据接收和控制***进行了详细的说明，因此对于本领域的普通技术人员在不偏离本发明的精神和范围的基础上所作出的任何变动和改进均属于本发明的权利要求书所述的保护范围内。

Claims (6)

1、一种采用网络技术的多波长激光雷达测量与控制***的电路结构，用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达，它包括激光发射***、激光信号接收***、激光雷达控制***、信号检测与采集***以及主计算机，其特征在于，将激光雷达整机电路分成若干个功能单元，组成一种分散式测控***；在每个功能单元内连接嵌入***，并加装符合EIA RS-422A标准的串行通讯接口，使之成为具有完成各自操作的独立单元；主计算机与各功能单元之间的数据交换采用网络技术。

2、如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述的网络技术，其网络拓朴采用星型结构，实行点对点的通讯，各通道分别建立通讯协议。

3、如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述的功能单元，包括数据采集单元、接收望远镜控制单元、光闸控制单元、激光触发控制单元、分光光路控制单元和光子计数单元。

4.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，各个功能单元内，数据采集单元或控制单元与嵌入***的连接采用的是并行接口，而对外通信采用标准串行接口，使这些数据采集单元或控制单元分别形成具有标准串行接口的单元仪器。

5.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述嵌入***的CPU有标准芯片，数据通信全部采用汇编语言编程软件。

6.如权利要求5所述的电路结构，其特征在于，所述的汇编语言编程软件全部固化在EPROM内。

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