專利名稱：大氣多參數(shù)探測激光雷達的信號采集處理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種大氣多參數(shù)探測激光雷達的信號采集處理系統(tǒng)，屬于激光雷達大 氣探測領域，適用于多參數(shù)大氣探測激光雷達系統(tǒng)。
背景技術：
大氣探測激光雷達是大范圍、快速監(jiān)測和分析大氣環(huán)境的高技術主動遙感工具， 根據(jù)大氣對激光的散射、吸收、消光等物理效應，通過接受大氣對激光的后向散射信號探測 各種大氣參數(shù)。常用的大氣探測激光雷達系統(tǒng)的結構組成如圖1示，包括激光器、發(fā)射光 學模塊、接收光學模塊、信號采集處理模塊。其中信號采集處理模塊包括同步觸發(fā)模塊、光 電探測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊。激光器發(fā)射的激光經(jīng)發(fā)射光學模 塊射入大氣，激光出射的同時啟動同步觸發(fā)模塊，同步觸發(fā)模塊輸出同步觸發(fā)信號，該信號 啟動數(shù)據(jù)采集模塊開始工作。激光器發(fā)射的激光在大氣中傳輸受到大氣介質(zhì)的吸收和散 射，探測目標對激光的后向散射光被接收光學模塊接收，再由信號采集處理模塊中的光電 探測模塊對接收的回波光信號進行光電轉換，光電轉換后的電信號由數(shù)據(jù)采集模塊進行放 大甄別、采集存儲等操作，最后將數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理進行數(shù)據(jù)處理得到相應的 大氣參數(shù)。大氣探測激光雷達系包括①探測單一參數(shù)的大氣激光雷達系統(tǒng)。目前國內(nèi)公開 報道的大氣探測激光雷達系統(tǒng)大多是探測單一參數(shù)的，即一套系統(tǒng)只能探測一種大氣成分 或參數(shù)。其缺點是功能單一，結構復雜，體積較大，成本很高。②探測多參數(shù)的大氣探測激 光雷達系統(tǒng)。即利用一套激光雷達系統(tǒng)，可實現(xiàn)同時探測大氣多種參數(shù)。多個探測通道共用 系統(tǒng)中的激光器、發(fā)射光學模塊和接收光學模塊，而信號采集處理模塊增加相應的采集通 道和相應的處理和控制功能。多參數(shù)的大氣探測激光雷達系統(tǒng)的優(yōu)點是在并不顯著增加 系統(tǒng)體積和成本的情況下可以探測多個大氣參數(shù)，提高了資源利用率和系統(tǒng)集成度。同時， 得到的大氣同一目標區(qū)域的多個參數(shù)可以相互利用，利于開發(fā)新的數(shù)據(jù)處理算法提高數(shù)據(jù) 處理精度。由于激光雷達的遠距離回波光信號非常微弱，同時要實現(xiàn)多功能的大氣探測，因 此對多路回波光信號的精確探測采集和處理就成為激光雷達的關鍵技術之一。目前微弱光 信號的探測采集通常采用光子計數(shù)技術。通用的激光雷達信號采集處理系統(tǒng)包括光電倍增管、放大器、甄別器、光子計數(shù) 器和系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理，如圖2示。其中，光電倍增管通常還需配備高壓電源和冷卻模 塊，光子計數(shù)器一般采用外箱式或卡式的成品光子計數(shù)器。光電倍增管對接收到的回波光 信號進行光電轉換，得到電信號，放大器對該電信號進行放大，并由甄別器從中甄別出有效 信號，將有效信號傳輸至光子計數(shù)器，光子計數(shù)器對接收到的有效信號進行存儲、預處理等 操作，并將處理結果傳輸至系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理的處理后，最后 得到相應的大氣參數(shù)。此種常規(guī)的激光雷達信號采集處理系統(tǒng)存在一系列的不足，主要有
1、系統(tǒng)體積較大，不易移動，成本很高，均由分立器件構成，集成化程度低，可靠性 較差，難以實現(xiàn)自動化運行，限制了激光雷達的應用范圍，無法實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、實用化。2、光電倍增管一般還需配備高壓電源和冷卻系統(tǒng)，價格高，體積大。此外，其輸出 信號必須經(jīng)過放大、甄別等處理才能成為有用信號。3、成品光子計數(shù)器價格昂貴，通道較少，一般1-2個通道，不能滿足多功能激光雷 達的需要，如購買多個光子計數(shù)器，則成本成倍增長。4、成品光子計數(shù)器可實現(xiàn)的功能和性能參數(shù)已經(jīng)固定，無法按系統(tǒng)要求進行改 動。一方面，有些需要的功能和性能無法提供，如小型化多功能激光雷達需要一些控制功能 來實現(xiàn)自動化運行，而成品光子計數(shù)器無法提供這些特定的控制功能，如果另外再增加一 個控制系統(tǒng)，則降低了系統(tǒng)集成度，增加了系統(tǒng)體積和成本。而另一方面，成品光子計數(shù)器 有很多系統(tǒng)并不需要的功能，造成了資源的極大浪費
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服已有激光雷達信號采集處理系統(tǒng)存在的不足，提出一種 大氣多參數(shù)探測激光雷達的信號采集處理系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。一種大氣多參數(shù)探測激光雷達的信號采集處理系統(tǒng)，包括η(η ^ 2, η為正整數(shù)) 個集成光電探測模塊、1個多通道光子計數(shù)與控制模塊、1個系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊、1個 同步觸發(fā)模塊。所述集成光電探測模塊用于接收外圍設備接收光學模塊輸出的光信號，并將其轉 換為電脈沖信號；其數(shù)量η根據(jù)需要探測的大氣參數(shù)的數(shù)量確定。所述多通道光子計數(shù)與控制模塊包括光子計數(shù)與控制模塊和接口模塊。其中，光子計數(shù)與控制模塊的主要功能是對η個集成光電探測模塊輸入的η路 脈沖信號分別按時序計數(shù)，并進行預處理，然后將預處理的結果存儲并傳輸至系統(tǒng)控制與 數(shù)據(jù)處理模塊，同時光子計數(shù)與控制模塊輸出激光雷達控制信號，控制外圍設備激光器和 集成光電探測模塊的開啟與關閉。其包括2Χη個計數(shù)器(計數(shù)器IA 計數(shù)器ηΑ、計數(shù)器 IB 計數(shù)器ηΒ)、η個累加模塊(累加模塊1 累加模塊η)、η個數(shù)據(jù)存儲模塊(數(shù)據(jù)存儲 模塊1 數(shù)據(jù)存儲模塊η)、1個時序控制模塊、1個觸發(fā)信號控制模塊、1個觸發(fā)信號計數(shù)模 塊、η個緩沖存儲模塊(緩沖存儲模塊1 緩沖存儲模塊η)。時序控制模塊的主要功能給計數(shù)器、累加模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、觸發(fā)信號控制模 塊、觸發(fā)信號計數(shù)模塊、緩沖存儲模塊、接口模塊發(fā)送控制命令，所述控制命令包括但不限 于開始工作、停止工作、清零、存儲、讀寫操作；觸發(fā)信號控制模塊的主要功能接收同步觸發(fā)模塊輸出的同步觸發(fā)信號后向觸發(fā) 信號計數(shù)模塊和時序控制模塊發(fā)送“開始采集”信號；觸發(fā)信號計數(shù)模塊的主要功能對輸入的“開始采集”信號進行計數(shù)，并將結果發(fā) 送至時序控制模塊；計數(shù)器的主要功能計數(shù)器IA 計數(shù)器ηΑ分別在奇數(shù)門寬時間內(nèi)對輸入的電脈 沖信號計數(shù)，用計數(shù)值IA 計數(shù)值ηΑ表示；計數(shù)器IB 計數(shù)器ηΒ分別在偶數(shù)門寬時間內(nèi) 對輸入的電脈沖信號計數(shù)，用計數(shù)值IB 計數(shù)值ηΒ表示；并且將結果分別發(fā)送至累加模塊1 累加模塊η。數(shù)據(jù)存儲模塊的主要功能數(shù)據(jù)存儲模塊1存儲一個脈沖采集周期內(nèi)計數(shù)器1Α、 計數(shù)器IB分別采集的電脈沖信號的總數(shù)，用總計數(shù)值IA和總計數(shù)值IB表示；數(shù)據(jù)存儲模 塊2存儲一個脈沖采集周期內(nèi)計數(shù)器2Α、計數(shù)器2Β分別采集的電脈沖信號的總數(shù)，用總計 數(shù)值2Α和總計數(shù)值2Β表示；以此類推，數(shù)據(jù)存儲模塊η存儲一個脈沖采集周期內(nèi)計數(shù)器 ηΑ、計數(shù)器ηΒ分別采集的電脈沖信號的總數(shù)，用總計數(shù)值ηΑ和總計數(shù)值ηΒ表示。累加模塊的主要功能累加模塊1累加一個脈沖采集周期內(nèi)計數(shù)器1Α、計數(shù)器IB 采集的電脈沖信號的總數(shù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊1 ；累加模塊2累加計數(shù)器2Α、計數(shù)器2Β 采集的電脈沖信號的總數(shù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊2 ；以此類推，累加模塊η分別累加計數(shù)器 ηΑ、計數(shù)器ηΒ采集的電脈沖信號的總數(shù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊η。緩沖存儲模塊的主要功能緩沖存儲模塊1 緩沖存儲模塊η以預先設定的緩存 更新頻 率Κ(κ為正整數(shù))分別存儲數(shù)據(jù)存儲模塊1 數(shù)據(jù)存儲模塊η內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)。所述接口模塊用于實現(xiàn)多通道光子計數(shù)與控制模塊和系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊 之間的通信。所述系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能包括①接收多通道光子計數(shù)與控制模 塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并進行處理，得到大氣參數(shù)；②通過接口模塊給時序控制模塊設定采集 參數(shù)以及發(fā)送控制命令；所述采集參數(shù)包括但不限于距離分辨率、探測高度層數(shù)、采集脈 沖數(shù)Μ(Μ為正整數(shù))、緩存更新頻率K ；所述控制命令為控制外圍設備激光器和集成光電探 測模塊開啟與關閉的控制命令。所述同步觸發(fā)模塊的主要功能是接收激光器發(fā)射的激光脈沖，輸出同步觸發(fā)信號 至觸發(fā)信號控制模塊。其連接關系為集成光電探測模塊i (0 < i < n，i為正整數(shù))分別與計數(shù)器iA、計數(shù)器iB、時序 控制模塊連接；計數(shù)器iA分別與集成光電探測模塊i、累加模塊i、時序控制模塊連接；計 數(shù)器iB分別與集成光電探測模塊i、累加模塊i、時序控制模塊連接；累加模塊i分別與計 數(shù)器iA、計數(shù)器iB、數(shù)據(jù)存儲模塊i、時序控制模塊連接；數(shù)據(jù)存儲模塊i分別與累加模塊 i、緩沖存儲模塊i、時序控制模塊連接；緩沖存儲模塊i分別與數(shù)據(jù)存儲模塊i、接口模塊、 時序控制模塊連接；時序控制模塊分別與集成光電探測模塊i、計數(shù)器iA、計數(shù)器iB、累加 模塊i、數(shù)據(jù)存儲模塊i、緩沖存儲模塊i、觸發(fā)信號控制模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模塊、接口模 塊、外圍設備激光器連接；同步觸發(fā)模塊分別與觸發(fā)信號控制模塊、外圍設備激光器連接； 觸發(fā)信號控制模塊分別與同步觸發(fā)模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模塊、時序控制模塊連接；觸發(fā)信號 計數(shù)模塊分別與觸發(fā)信號控制模塊、時序控制模塊連接；接口模塊分別與緩沖存儲模塊i、 時序控制模塊、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊連接；系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊與接口模塊連接。其工作過程第1步系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊通過接口模塊給時序控制模塊設定采集參數(shù)； 所述采集參數(shù)包括但不限于距離分辨率、探測高度層數(shù)、采集脈沖數(shù)M(M為正整數(shù))、緩存 更新頻率K ；第2步系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊通過接口模塊將控制命令發(fā)送給時序控制模 塊；所述控制命令為控制激光器和集成光電探測模塊開啟與關閉的控制命令；
第3步時序控制模塊控制激光器和集成光電探測模塊開始工作，激光器發(fā)射激 光脈沖，集成光電探測模塊接收外圍設備接收光學模塊輸出的回波光信號，并對其進行光 電轉換后，將電脈沖信號輸出至光子計數(shù)與控制模塊； 第4步激光器發(fā)射的激光脈沖觸發(fā)同步觸發(fā)模塊輸出同步觸發(fā)信號，并輸出至 觸發(fā)信號控制模塊；第5步觸發(fā)信號控制模塊接收到同步觸發(fā)信號后，判斷前一次計數(shù)工作是否完 成；如果完成，則向觸發(fā)信號計數(shù)模塊和時序控制模塊發(fā)送“開始采集”信號，開始一個脈沖 采集周期；否則，忽略該同步觸發(fā)信號；第6步觸發(fā)信號計數(shù)模塊接收到的“開始采集”信號后，在時序控制模塊的控制 下對輸入的“開始采集”信號進行計數(shù)，其個數(shù)用m(m為正整數(shù))表示，并將該結果發(fā)送至 時序控制模塊；觸發(fā)信號計數(shù)模塊記錄的“開始采集”信號的數(shù)量m代表脈沖采集周期數(shù)。第7步時序控制模塊接收到脈沖采集周期數(shù)m后，將其通過接口模塊發(fā)送至系統(tǒng) 控制與數(shù)據(jù)處理模塊，并判斷m-Ι的值是否與第1步設置的采集脈沖數(shù)M相等，如果相等， 則時序控制模塊給計數(shù)器、累加模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、觸發(fā)信號控制模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模 塊、地址產(chǎn)生模塊、緩沖存儲模塊發(fā)送停止工作信號，結束本次探測；判斷m/K得到的余數(shù) 是否為零或者m的值是否與第1步設置的采集脈沖數(shù)M相等，如果m/K得到的余數(shù)為零或 者m的值與第1步設置的采集脈沖數(shù)M相等，設置緩存更新標志為1，否則，設置緩存更新標 志為0 O第8步在第5步操作的基礎上，時序控制模塊接收到“開始采集”信號后，根據(jù)第 1步中設定的距離分辨率產(chǎn)生計數(shù)門寬時間信號，在該信號的奇數(shù)門寬時間內(nèi)計數(shù)器IA 計數(shù)器nA對輸入的電脈沖信號計數(shù)，在偶數(shù)門寬時間內(nèi)時序控制模塊啟動計數(shù)器IB 計 數(shù)器ηΒ對輸入的電脈沖信號計數(shù)；并且計數(shù)器IA 計數(shù)器ηΑ，計數(shù)器IB 計數(shù)器ηΒ計 滿一個門寬時間后，將計數(shù)值IA 計數(shù)值ηΑ或計數(shù)值IB 計數(shù)值ηΒ分別發(fā)送至分別累 加模塊1 累加模塊η，并將該計數(shù)器清零，同時時序控制模塊發(fā)送讀指令到數(shù)據(jù)存儲模塊 1 數(shù)據(jù)存儲模塊η，數(shù)據(jù)存儲模塊1 數(shù)據(jù)存儲模塊η根據(jù)該讀指令分別將存儲的總計數(shù) 值IA 總計數(shù)值ηΑ或總計數(shù)值IB 總計數(shù)值ηΒ發(fā)送到累加模塊1 累加模塊η，累加模 塊i (0 < i < n，i為正整數(shù))將計數(shù)值iA、總計數(shù)值iA或計數(shù)值iB和總計數(shù)值iB累加 后，重新存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊i。如果此時緩存更新標志為1，將數(shù)據(jù)存儲模塊i的數(shù)據(jù)發(fā) 送至緩沖存儲模塊i。每次存儲后，統(tǒng)計門寬時間的數(shù)量并判斷其是否等于探測高度層數(shù)； 如果相等，則完成一個脈沖采集周期，返回到第5步。第9步系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊從緩沖存儲模塊1 緩沖存儲模塊η讀取IA 總計數(shù)值ηΑ、總計數(shù)值IB 總計數(shù)值ηΒ，并進行處理，即可得到需要探測的大氣參數(shù)。有益效果本發(fā)明方案與已有技術相比較，具有如下優(yōu)點①系統(tǒng)集成度高，抗電磁干擾能力強，可靠性高，易于維護，并有效降低了系統(tǒng)復 雜度；②體積小，成本低，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化、實用化，便于外場使用；③將多路采集計數(shù)、預處理和控制、接口等模塊集成在一起，功能靈活多變，控制 方便，實現(xiàn)激光雷達的自動化運行。
④采用在時序控制方面有顯著優(yōu)勢的現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)，加上獨特的時 序控制邏輯，使采集精度提高，探測時間縮短，可適應各種不同傳輸速度的接口方式。


圖1為已有技術的常用大氣探測激光雷達系統(tǒng)的結構組成圖； 圖2為已有技術的通用激光雷達信號采集處理系統(tǒng)組成圖；圖3為本發(fā)明關于一種大氣多參數(shù)探測激光雷達的信號采集處理系統(tǒng)的具體實 施方式的結構組成圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例中，提供能夠探測大氣溫度及氣溶膠的多參數(shù)激光雷達的信號采集處理系 統(tǒng)，其組成如圖3所示，包括3個集成光電探測模塊、1個多通道光子計數(shù)與控制模塊、1個 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊、1個同步觸發(fā)模塊。其中，多通道光子計數(shù)與控制模塊包括光子 計數(shù)與控制模塊和接口模塊。光子計數(shù)與控制模塊包括6個計數(shù)器(計數(shù)器IA 計數(shù)器 3A、計數(shù)器IB 計數(shù)器3B)、3個累加模塊(累加模塊1 累加模塊3)、3個數(shù)據(jù)存儲模塊 (數(shù)據(jù)存儲模塊1 數(shù)據(jù)存儲模塊3)、1個時序控制模塊、1個觸發(fā)信號控制模塊、1個觸發(fā) 信號計數(shù)模塊、3個緩沖存儲模塊(緩沖存儲模塊1 緩沖存儲模塊3)。其連接關系為集成光電探測模塊i (0 < i < 3，i為正整數(shù))分別與計數(shù)器iA、計數(shù)器iB、時序 控制模塊連接；計數(shù)器iA分別與集成光電探測模塊i、累加模塊i、時序控制模塊連接；計 數(shù)器iB分別與集成光電探測模塊i、累加模塊i、時序控制模塊連接；累加模塊i分別與計 數(shù)器iA、計數(shù)器iB、數(shù)據(jù)存儲模塊i、時序控制模塊連接；數(shù)據(jù)存儲模塊i分別與累加模塊 i、緩沖存儲模塊i、時序控制模塊連接；緩沖存儲模塊i分別與數(shù)據(jù)存儲模塊i、接口模塊、 時序控制模塊連接；時序控制模塊分別與集成光電探測模塊i、計數(shù)器iA、計數(shù)器iB、累加 模塊i、數(shù)據(jù)存儲模塊i、緩沖存儲模塊i、觸發(fā)信號控制模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模塊、接口模 塊、外圍設備激光器連接；同步觸發(fā)模塊分別與觸發(fā)信號控制模塊、外圍設備激光器連接； 觸發(fā)信號控制模塊分別與同步觸發(fā)模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模塊、時序控制模塊連接；觸發(fā)信號 計數(shù)模塊分別與觸發(fā)信號控制模塊、時序控制模塊連接；接口模塊分別與緩沖存儲模塊i、 時序控制模塊、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊連接；系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊與接口模塊連接。集成光電探測模塊的一種具體實現(xiàn)為采用德國PerkinEImer公司生產(chǎn)的 CPM-Channel Photomultiplier MP944。MP944為輕小型模塊化器件，無需另外配備高壓電 源和冷卻模塊以及后續(xù)的放大、甄別等處理電路，外部5V供電即可直接將輸入的光信號轉 換為TTL電平的電脈沖信號輸出，所以具有結構簡單、體積小、使用方便、集成度高、成本低 等優(yōu)點。多通道光子計數(shù)與控制模塊中的光子計數(shù)與控制模塊的一種具體實現(xiàn)為采用 Altera公司的現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA) EP3C25Q240C8，該芯片包含24624個LE，596kB 的嵌入式存儲器，4個獨立PLL，外部時鐘選用40MHz有源晶振。所需的6個計數(shù)器(計數(shù) 器IA 計數(shù)器3A、計數(shù)器IB 計數(shù)器3B)、3個累加模塊(累加模塊1 累加模塊3)、3個數(shù)據(jù)存儲模塊(數(shù)據(jù)存儲模塊ι 數(shù)據(jù)存儲模塊3)、1個時序控制模塊、1個觸發(fā)信號控制 模塊、1個觸發(fā)信號計數(shù)模塊、3個緩沖存儲模塊(緩沖存儲模塊1 緩沖存儲模塊3)均在 FPGA內(nèi)部實現(xiàn)，使系統(tǒng)具有更高的集成度。多通道光子計數(shù)與控制模塊中的接口模塊的一種具體實現(xiàn)為采用PCI接口方式。 可選用美國PLX公司的PCI9054橋接芯片，該芯片符合PCI規(guī)范2. 2版本。采用PCI9054 的C模塊工作方式，本地總線設計為數(shù)據(jù)地址非復用，在多通道光子計數(shù)與控制模塊中的 主芯片F(xiàn)PGA中設計PCI9054的本地控制邏輯信號，實現(xiàn)緩沖寄存器和命令狀態(tài)寄存器通過 PCI9054與系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊之間的雙向通信。系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊的一種具體實施方式
為采用VC++編程實現(xiàn)，通過驅(qū)動 實現(xiàn)對多通道光子計數(shù)與控制模塊的完全控制。同步觸發(fā)模塊的一種具體實施方式
為采用高速PIN光電二極管。光電二極管接收 激光器發(fā)出的激光脈沖產(chǎn)生同步觸發(fā)信號。其工作過程 第1步系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊通過接口模塊給時序控制模塊設定采集參數(shù)； 所述采集參數(shù)包括但不限于距離分辨率、探測高度層數(shù)、采集脈沖數(shù)M(M為正整數(shù))、緩存 更新頻率K ；第2步系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊通過接口模塊將控制命令發(fā)送給時序控制模 塊；所述控制命令為控制激光器和集成光電探測模塊MP944開啟與關閉的控制命令；第3步時序控制模塊控制激光器和集成光電探測模塊MP944開始工作，激光器發(fā) 射激光脈沖，集成光電探測模塊MP944接收外圍設備接收光學模塊輸出的大氣分子高低量 子數(shù)轉動拉曼(Raman)光譜兩路回波信號和氣溶膠米(Mie)散射一路回波信號，并分別對 其進行光電轉換后，將電脈沖信號輸出至光子計數(shù)與控制模塊；第4步激光器發(fā)射的激光脈沖觸發(fā)同步觸發(fā)模塊輸出同步觸發(fā)信號，并輸出至 觸發(fā)信號控制模塊；第5步觸發(fā)信號控制模塊接收到同步觸發(fā)信號后，判斷前一次計數(shù)工作是否完 成；如果完成，則向觸發(fā)信號計數(shù)模塊和時序控制模塊發(fā)送“開始采集”信號，開始一個脈沖 采集周期；否則，忽略該同步觸發(fā)信號；第6步觸發(fā)信號計數(shù)模塊接收到的“開始采集”信號后，在時序控制模塊的控制 下對輸入的“開始采集”信號進行計數(shù)，其個數(shù)用m(m為正整數(shù))表示，并將該結果發(fā)送至 時序控制模塊；觸發(fā)信號計數(shù)模塊記錄的“開始采集”信號的數(shù)量m代表脈沖采集周期數(shù)。第7步時序控制模塊接收到脈沖采集周期數(shù)m后，將其通過接口模塊發(fā)送至系統(tǒng) 控制與數(shù)據(jù)處理模塊，并判斷m-Ι的值是否與第1步設置的采集脈沖數(shù)M相等，如果相等， 則時序控制模塊給計數(shù)器、累加模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、觸發(fā)信號控制模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模 塊、地址產(chǎn)生模塊、緩沖存儲模塊發(fā)送停止工作信號，結束本次探測；判斷m/K得到的余數(shù) 是否為零或者m的值是否與第1步設置的采集脈沖數(shù)M相等，如果m/K得到的余數(shù)為零或 者m的值與第1步設置的采集脈沖數(shù)M相等，設置緩存更新標志為1，否則，設置緩存更新標 志為0 O第8步在第5步操作的基礎上，時序控制模塊接收到“開始采集”信號后，根據(jù)第 1步中設定的距離分辨率產(chǎn)生計數(shù)門寬時間信號，在該信號的奇數(shù)門寬時間內(nèi)計數(shù)器IA 計數(shù)器3A對輸入的電脈沖信號計數(shù)，在偶數(shù)門寬時間內(nèi)時序控制模塊啟動計數(shù)器IB 計 數(shù)器3B對輸入的電脈沖信號計數(shù)；并且計數(shù)器IA 計數(shù)器3A，計數(shù)器IB 計數(shù)器3B計 滿一個門寬時間后，將計數(shù)值IA 計數(shù)值3A或計數(shù)值IB 計數(shù)值3B分別發(fā)送至分別累 加模塊1 累加模塊3，并將該計數(shù)器清零，同時時序控制模塊發(fā)送讀指令到數(shù)據(jù)存儲模塊 1 數(shù)據(jù)存儲模塊3，數(shù)據(jù)存儲模塊1 數(shù)據(jù)存儲模塊3根據(jù)該讀指令分別將存儲的總計數(shù) 值IA 總計數(shù)值3A或總計數(shù)值IB 總計數(shù)值3B發(fā)送到累加模塊1 累加模塊3，累加模 塊i (O < i < 3，i為正整數(shù))將計數(shù)值iA、總計數(shù)值iA或計數(shù)值iB和總計數(shù)值iB累加 后，重新存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊i。如果此時緩存更新標志為1，將數(shù)據(jù)存儲模塊i的數(shù)據(jù)發(fā) 送至緩沖存儲模塊i。每次存儲后，統(tǒng)計門寬時間的數(shù)量并判斷其是否等于探測高度層數(shù)； 如果相等，則完成一個脈沖采集周期，返回到第5步。第9步系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊從緩沖存儲模塊1 緩沖存儲模塊3讀取IA 總計數(shù)值3A、總計數(shù)值IB 總計數(shù)值3B，并進行處理，即可得到需要探測的大氣溫度及氣 溶膠分布。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，或者對其中部分技術特征進 行等同替換，這些改進和替換也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
一種大氣多參數(shù)探測激光雷達的信號采集處理系統(tǒng)，其特征在于包括n個集成光電探測模塊、1個多通道光子計數(shù)與控制模塊、1個系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊、1個同步觸發(fā)模塊；其中n≥2，n為正整數(shù)；所述集成光電探測模塊用于接收外圍設備接收光學模塊輸出的光信號，并將其轉換為電脈沖信號；其數(shù)量n根據(jù)需要探測的大氣參數(shù)的數(shù)量確定；所述多通道光子計數(shù)與控制模塊包括光子計數(shù)與控制模塊和接口模塊；其中，光子計數(shù)與控制模塊的主要功能是對n個集成光電探測模塊輸入的n路脈沖信號分別按時序計數(shù)，并進行預處理，然后將預處理的結果存儲并傳輸至系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊，同時光子計數(shù)與控制模塊輸出激光雷達控制信號，控制外圍設備激光器和集成光電探測模塊的開啟與關閉；其包括2×n個計數(shù)器計數(shù)器1A～計數(shù)器nA、計數(shù)器1B～計數(shù)器nB；n個累加模塊累加模塊1～累加模塊n；n個數(shù)據(jù)存儲模塊數(shù)據(jù)存儲模塊1～數(shù)據(jù)存儲模塊n；1個時序控制模塊；1個觸發(fā)信號控制模塊；1個觸發(fā)信號計數(shù)模塊；n個緩沖存儲模塊緩沖存儲模塊1～緩沖存儲模塊n；時序控制模塊的主要功能給計數(shù)器、累加模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、觸發(fā)信號控制模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模塊、緩沖存儲模塊、接口模塊發(fā)送控制命令，所述控制命令包括但不限于開始工作、停止工作、清零、存儲、讀寫操作；觸發(fā)信號控制模塊的主要功能接收同步觸發(fā)模塊輸出的同步觸發(fā)信號后向觸發(fā)信號計數(shù)模塊和時序控制模塊發(fā)送“開始采集”信號；觸發(fā)信號計數(shù)模塊的主要功能對輸入的“開始采集”信號進行計數(shù)，并將結果發(fā)送至時序控制模塊；計數(shù)器的主要功能計數(shù)器1A～計數(shù)器nA分別在奇數(shù)門寬時間內(nèi)對輸入的電脈沖信號計數(shù)，用計數(shù)值1A～計數(shù)值nA表示；計數(shù)器1B～計數(shù)器nB分別在偶數(shù)門寬時間內(nèi)對輸入的電脈沖信號計數(shù)，用計數(shù)值1B～計數(shù)值nB表示；并且將結果分別發(fā)送至累加模塊1～累加模塊n；數(shù)據(jù)存儲模塊的主要功能數(shù)據(jù)存儲模塊1存儲一個脈沖采集周期內(nèi)計數(shù)器1A、計數(shù)器1B分別采集的電脈沖信號的總數(shù)，用總計數(shù)值1A和總計數(shù)值1B表示；數(shù)據(jù)存儲模塊2存儲一個脈沖采集周期內(nèi)計數(shù)器2A、計數(shù)器2B分別采集的電脈沖信號的總數(shù)，用總計數(shù)值2A和總計數(shù)值2B表示；以此類推，數(shù)據(jù)存儲模塊n存儲一個脈沖采集周期內(nèi)計數(shù)器nA、計數(shù)器nB分別采集的電脈沖信號的總數(shù)，用總計數(shù)值nA和總計數(shù)值nB表示；累加模塊的主要功能累加模塊1累加一個脈沖采集周期內(nèi)計數(shù)器1A、計數(shù)器1B采集的電脈沖信號的總數(shù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊1；累加模塊2累加計數(shù)器2A、計數(shù)器2B采集的電脈沖信號的總數(shù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊2；以此類推，累加模塊n分別累加計數(shù)器nA、計數(shù)器nB采集的電脈沖信號的總數(shù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊n；緩沖存儲模塊的主要功能緩沖存儲模塊1～緩沖存儲模塊n以預先設定的緩存更新頻率K分別存儲數(shù)據(jù)存儲模塊1～數(shù)據(jù)存儲模塊n內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)；其中，K為正整數(shù)；所述接口模塊用于實現(xiàn)多通道光子計數(shù)與控制模塊和系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊之間的通信；所述系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能包括①接收多通道光子計數(shù)與控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并進行處理，得到大氣參數(shù)；②通過接口模塊給時序控制模塊設定采集參數(shù)以及發(fā)送控制命令；所述采集參數(shù)包括但不限于距離分辨率、探測高度層數(shù)、采集脈沖數(shù)M，M為正整數(shù)、緩存更新頻率K；所述控制命令為控制外圍設備激光器和集成光電探測模塊開啟與關閉的控制命令；所述同步觸發(fā)模塊的主要功能是接收激光器發(fā)射的激光脈沖，輸出同步觸發(fā)信號至觸發(fā)信號控制模塊；其連接關系為集成光電探測模塊i，0＜i≤n，i為正整數(shù)，分別與計數(shù)器iA、計數(shù)器iB、時序控制模塊連接；計數(shù)器iA分別與集成光電探測模塊i、累加模塊i、時序控制模塊連接；計數(shù)器iB分別與集成光電探測模塊i、累加模塊i、時序控制模塊連接；累加模塊i分別與計數(shù)器iA、計數(shù)器iB、數(shù)據(jù)存儲模塊i、時序控制模塊連接；數(shù)據(jù)存儲模塊i分別與累加模塊i、緩沖存儲模塊i、時序控制模塊連接；緩沖存儲模塊i分別與數(shù)據(jù)存儲模塊i、接口模塊、時序控制模塊連接；時序控制模塊分別與集成光電探測模塊i、計數(shù)器iA、計數(shù)器iB、累加模塊i、數(shù)據(jù)存儲模塊i、緩沖存儲模塊i、觸發(fā)信號控制模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模塊、接口模塊、外圍設備激光器連接；同步觸發(fā)模塊分別與觸發(fā)信號控制模塊、外圍設備激光器連接；觸發(fā)信號控制模塊分別與同步觸發(fā)模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模塊、時序控制模塊連接；觸發(fā)信號計數(shù)模塊分別與觸發(fā)信號控制模塊、時序控制模塊連接；接口模塊分別與緩沖存儲模塊i、時序控制模塊、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊連接；系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊與接口模塊連接。
2.如權利要求1所述的一種大氣多參數(shù)探測激光雷達的信號采集處理系統(tǒng)，其特征在 于其工作過程第1步系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊通過接口模塊給時序控制模塊設定采集參數(shù)；所述 采集參數(shù)包括但不限于距離分辨率、探測高度層數(shù)、采集脈沖數(shù)M、緩存更新頻率K ；其中， M為正整數(shù)；第2步系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊通過接口模塊將控制命令發(fā)送給時序控制模塊；所 述控制命令為控制激光器和集成光電探測模塊開啟與關閉的控制命令；第3步時序控制模塊控制激光器和集成光電探測模塊開始工作，激光器發(fā)射激光脈 沖，集成光電探測模塊接收外圍設備接收光學模塊輸出的回波光信號，并對其進行光電轉 換后，將電脈沖信號輸出至光子計數(shù)與控制模塊；第4步激光器發(fā)射的激光脈沖觸發(fā)同步觸發(fā)模塊輸出同步觸發(fā)信號，并輸出至觸發(fā) 信號控制模塊；第5步觸發(fā)信號控制模塊接收到同步觸發(fā)信號后，判斷前一次計數(shù)工作是否完成；如 果完成，則向觸發(fā)信號計數(shù)模塊和時序控制模塊發(fā)送“開始采集”信號，開始一個脈沖采集 周期；否則，忽略該同步觸發(fā)信號；第6步觸發(fā)信號計數(shù)模塊接收到的“開始采集”信號后，在時序控制模塊的控制下對 輸入的“開始采集”信號進行計數(shù)，其個數(shù)用m表示，其中，m為正整數(shù)，并將該結果發(fā)送至時 序控制模塊；觸發(fā)信號計數(shù)模塊記錄的“開始采集”信號的數(shù)量m代表脈沖采集周期數(shù)；第7步時序控制模塊接收到脈沖采集周期數(shù)m后，將其通過接口模塊發(fā)送至系統(tǒng)控制 與數(shù)據(jù)處理模塊，并判斷m-1的值是否與第1步設置的采集脈沖數(shù)M相等，如果相等，則時 序控制模塊給計數(shù)器、累加模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、觸發(fā)信號控制模塊、觸發(fā)信號計數(shù)模塊、地 址產(chǎn)生模塊、緩沖存儲模塊發(fā)送停止工作信號，結束本次探測；判斷m/K得到的余數(shù)是否為零或者m的值是否與第1步設置的采集脈沖數(shù)M相等，如果m/K得到的余數(shù)為零或者m的 值與第1步設置的采集脈沖數(shù)M相等，設置緩存更新標志為1，否則，設置緩存更新標志為0；第8步在第5步操作的基礎上，時序控制模塊接收到“開始采集”信號后，根據(jù)第1步中設定的距離分辨率產(chǎn)生計數(shù)門寬時間信號，在該信號的奇數(shù)門寬時間內(nèi)計數(shù)器IA 計 數(shù)器nA對輸入的電脈沖信號計數(shù)，在偶數(shù)門寬時間內(nèi)時序控制模塊啟動計數(shù)器IB 計數(shù) 器nB對輸入的電脈沖信號計數(shù)；并且計數(shù)器IA 計數(shù)器ηΑ，計數(shù)器IB 計數(shù)器ηΒ計滿一 個門寬時間后，將計數(shù)值IA 計數(shù)值ηΑ或計數(shù)值IB 計數(shù)值ηΒ分別發(fā)送至分別累加模 塊1 累加模塊η，并將該計數(shù)器清零，同時時序控制模塊發(fā)送讀指令到數(shù)據(jù)存儲模塊1 數(shù)據(jù)存儲模塊η，數(shù)據(jù)存儲模塊1 數(shù)據(jù)存儲模塊η根據(jù)該讀指令分別將存儲的總計數(shù)值 IA 總計數(shù)值ηΑ或總計數(shù)值IB 總計數(shù)值ηΒ發(fā)送到累加模塊1 累加模塊η，累加模塊 i將計數(shù)值iA、總計數(shù)值iA或計數(shù)值iB和總計數(shù)值iB累加后，重新存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊1；如果此時緩存更新標志為1，將數(shù)據(jù)存儲模塊i的數(shù)據(jù)發(fā)送至緩沖存儲模塊i ；每次存儲 后，統(tǒng)計門寬時間的數(shù)量并判斷其是否等于探測高度層數(shù)；如果相等，則完成一個脈沖采集 周期，返回到第5步；第9步系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊從緩沖存儲模塊1 緩沖存儲模塊η讀取IA 總計 數(shù)值ηΑ、總計數(shù)值IB 總計數(shù)值ηΒ，并進行處理，即可得到需要探測的大氣參數(shù)。
全文摘要
一種大氣多參數(shù)探測激光雷達的信號采集處理系統(tǒng)，包括多個集成光電探測模塊接收外圍設備接收光學模塊輸出的光信號，轉換為電脈沖信號至多通道光子計數(shù)與控制模塊；1個多通道光子計數(shù)與控制模塊對多路脈沖信號分別按時序計數(shù)并進行預處理，將結果存儲并傳輸至系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊，同時光子計數(shù)與控制模塊輸出激光雷達控制信號，控制外圍設備激光器和集成光電探測模塊；1個系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理模塊接收多通道光子計數(shù)與控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并處理，得到大氣參數(shù)；1個同步觸發(fā)模塊接收激光器發(fā)射的激光脈沖，輸出同步觸發(fā)信號至多通道光子計數(shù)與控制模塊。本系統(tǒng)具有系統(tǒng)集成度高，抗電磁干擾能力強，可靠性高，易于維護等優(yōu)點。
文檔編號G01S17/95GK101866007SQ20101020936
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2010年6月25日
發(fā)明者孔衛(wèi)國, 康鍵, 張寅超, 陳和, 陳思穎 申請人:北京理工大學