瞬态光谱ns量级脉冲光延时同步控制触发系统的制作方法

本发明属于光学测试，涉及一种瞬态光谱脉冲光延时同步控制触发系统，尤其涉及瞬态光谱仪中ns量级脉冲光延时同步控制触发系统。

背景技术：

1、瞬态光谱仪用于测量闪光时间在(ns～ms)量级的光源的波长和光谱曲线。所测瞬态光源包括三种，分别是脉冲激光器、闪光灯、发光元素物质。闪光灯包括：脉冲氙灯、脉冲氪灯、机场障碍灯、着陆.灯、特种照明灯具和光显示器件等；发光元素物质包括炸药高时间分辨爆炸、脉冲放电火花、炮弹火焰、导弹及发动机尾焰、元素等离子体等领域。瞬态光源发光瞬间，光强随着时间变化，光谱仪中的探测器不能同步接收到能量，无法实现光谱曲线高时间分辨测量。在炸药爆炸领域，瞬态光谱参数能为爆炸过程、爆炸机理分析等提供数据支持；在爆炸物等出光瞬间，实现准确参数测试必须保证有相同标准触发时间，否则试验后数据处理不准确。

2、瞬态光谱脉冲光延时同步控制触发系统可为光谱仪提供触发信号。目前触发方式主要有光触发法、电触发法、无线通信触发法和声触发法等。传统的触发系统的不足主要是:

3、1.光采集阈值触发缺点：光能量丢失一部分，存储数据和采集数据不准确。

4、光触发法将爆炸光作为触发信号,光经过传输后进入光谱仪中,转换为电信号。当信号强度阈值大于光谱仪中阵列探测器各像元噪声时，软件设置触发启动采集输出所测到光谱信号。反之，则不输出探测器信号。该方法缺点是光脉冲信号持续时间大于探测器积分周期，一个脉冲号由两帧或多帧光谱曲线按时序对应输出，无法保证光谱仪实时反映光变化。

5、当光到达光谱仪积分周期上升沿，在上升到高电平过程中，光能量会丢失。

6、2.触发速度慢

7、无线通信触发方式各节点无需引线连接,但数据传输速度慢,同步时间在毫秒级,同步性较低。

8、声触发法为爆炸产生的声信号作为触发信号,但是声音在空气中传播速度较慢,且受环境温度影响。现场布线不方便。

9、3.光电探测器光触发法干扰噪声大

10、光谱仪外接光电触发器。光电触发器内置单点光电探测器，接收到瞬态光源发出的脉冲光后转换为电信号后，即刻发出ttl电平作为触发命令给光谱仪，光谱仪接收到命令后立刻启动工作开始采集。该触发第一个缺点是响应速度慢，经历光电转换后在输出采集命令需要时间，一般在ms量级。第二个缺点时，在户外强光下会产生较大的光电流,容易把环境光误认为光源信号光，容易造成误触发现象。此外，针对爆炸光其响应干扰大，测试环境中各种物体瞬时反射到光电器件上的强光也可能导致误触发现象。

11、瞬态光谱信号测量装置，西北核技术研究所，2018年11月申请，专利号zl201810718456.x；为解决瞬态光谱信号高时间分辨测量问题，该装置包括光纤束、光纤耦合器、单色仪、面阵探测器和终端计算机；光纤束包括多根不同长度的光纤，光纤束入射端光纤呈面分布，光纤束输出端光纤呈线状排布，被测光信号进入光纤束入射端，光纤束中的多根不同长度的光纤对入射光信号进行传输并产生不同的时间延迟，光信号经单色仪分光成像系统后，不同的光纤对应的光信号成像在面阵探测器竖直方向不同的区域内，由终端计算机获得沿面阵探测器竖直方向的多组光谱信号。光纤束中的多根不同长度的光纤对入射光信号进行传输并产生不同的时间延迟，不同的光纤对应的光信号成像在面阵探测器竖直方向不同的区域内，面阵探测器具有门控功能，开门宽度小于相邻不同长度光纤产生的时间延迟差t。

12、四川大学高温高压物理研究所袁长迎,李萍于2003年在第04期原子与分子物理学报发表了“瞬态光谱测量中的触发与同步技术”论文，提到设计加工了一套高速单脉冲触发电路,触发门限在150mv～1.5v范围内连续可调，输出脉冲宽度可自行调节，其响应时间小于50ns。提出了通过短脉冲半导体激光器测量触发延时的同步方案。利用带像增强的iccd探测器,建立了瞬态光谱测试系统,并实时测量了1微秒环氧丙烷爆燃转爆轰过程的瞬态光谱。同步触发装置要求快响应、单脉冲触发，包括：传感器、触发电路和延时控制器三部分。传感器可选光电探测转换器件。触发电路即脉冲形成电路，对传感器信号放大、比较，给出标准ttl脉冲去触发延时控制器。

13、发明专利“基于快照光谱成像技术的瞬态温度测量装置(申请号202010467446.0)”，采用快照型光谱成像模块、高速面阵图像传感器得到光谱信息和空间信息的二维图像。采用带通滤光片选通特定波长范围光透过。利用微透镜阵列和双折射棱镜组，建立共光路偏振光干涉，得到二维干涉图案阵列，由傅立叶变换得到光谱图像序列。高速面阵探测器时间分辨率优于微秒级，面阵图像传感器内置电子快门，得到被测物体瞬时温度场变化过程。波长为800nm～5000nm；温度测量范围580k～1160k；

14、西安应用光学研究所1981年专利1闪光光谱仪、1998年专利2瞬态分光辐射仪，2008年瞬态光谱辐射计，采用光触发阈值方式，光栅分光色散、捕捉闪光灯、炸药爆炸等曲线。中国测试技术研究院2005年采用瞬态光谱辐射计、高速a/d转换器件、漫射器等实现了1秒内，爆炸光源光谱辐射强度测量。

15、南京智测控公司一种爆炸场无线式瞬态触发控制装置，(201720627831.0)。该装置包括调制光源装置与光电信号处理装置，第一控制器通过调制信号线接调制激光器,光敏器件接收调制激光器产生方波式光信号,光敏器件的输出端接前置放大电路。通过该爆炸场无线式瞬态触发控制装置可以解决触发系统中的触发响应速度慢、现场布线不方便以及减小环境光对触发系统的影响等一系列问题。

16、目前，对于瞬态光谱分布特性的测量，常用光谱仪时间分辨能力在几十微秒到毫秒量级，将单色仪与百万帧高速相机结合能够达到微秒量级时间分辨，但系统较为复杂、昂贵。

17、综上所述，常见的爆炸场触发方式都无法同时达到无线式、响应速度快与抗干扰能力强等要求。目前尚未看到瞬态光谱测量用脉冲光延时同步控制触发系统，使得一台瞬态光谱仪器具备高时间分辨率时间延时同步触发控制系统的相关报道。如何实现ns量级瞬态光脉冲能量的光谱曲线精测量，迫切需要一种新的精准时间延时同步触发控制方法，实现时间序列测量，满足瞬态过程高时间分辨同步精准测量。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本发明的目的：提供一种瞬态光谱ns量级脉冲光延时同步控制触发系统，解决瞬态光谱测量时光脉冲难以同步触发、纳秒级脉冲激光信号难以捕捉、脉冲光和光谱仪中探测器二者最佳延时同步精确控制、环境光瞬变造成的测量误触发等难题。

3、(二)技术方案

4、为了解决上述技术问题，本发明提供一种瞬态光谱ns量级脉冲光延时同步控制触发系统，其包括：fpga电路和与之连接的接口电路、激光器驱动电路、探测器驱动电路，激光器驱动电路连接激光器，探测器驱动电路连接探测器；接口电路包括usb转接口、rs232转接口，具备rs232转ttl电平功能，上位机发送的指令先经过rs232转接口接入进行电平转换，转换为ttl电平传送给fpga电路；激光器驱动电路包括驱动电平转换电路，用于控制激光器驱动电平转换和电流增强，实现对激光器电平命令控制；探测器驱动电路驱动光谱仪中探测器电平转换电路，用于控制探测器驱动电平转换，实现对探测器电平命令控制；在ns或μs量级光源光谱测量时，fpga电路通过调整系统内脉冲延时同步控制，实现fpga电路同步时序功能，同时实现探测器的曝光时间和待测脉冲激光器出光时间同步，保证光源所有光能量被瞬态光谱仪准确完整捕捉到。

5、其中，还包括：时钟电路，时钟电路为fpga电路提供时钟信号。

6、其中，所述时钟电路包括依次连接的晶振模块、时钟消抖模块、锁相环模块、时钟缓冲模块、时钟分频模块和时钟分发模块；晶振模块产生一个晶振时钟信号，先经过时钟消抖模块使频率稳定，之后时钟信号再经锁相环模块实现电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步，锁相环模块通过将外部参考信号的相位与时钟信号的相位进行比较，调整晶体振荡器时钟信号的相位以匹配参考信号的相位，将其板上时钟的相位与外部参考信号同步；时钟缓冲模块将晶振产生的时钟信号进行复制、格式转换及电平转换；时钟分频模块功能是调整时钟信号的频率，最后时钟分发模块将调整好的高质量时钟信号分给fpga各个工作单元。

7、其中，所述fpga电路包括：串口协议单元、脉冲产生单元、时延计数单元、能量检测单元和探测器控制信号产生单元；脉冲产生单元、时延计数单元、能量检测单元和探测器控制信号产生单元均通过串口协议单元连接接口电路，脉冲产生单元提供激光器驱动电路连接激光器，时延计数单元和能量检测单元连接探测器，探测器控制信号产生单元通过探测器驱动电路连接探测器。

8、其中，所述脉冲产生单元包括：串口指令转发模块、脉冲激光器计数模块、可控频率脉冲模块、延时计数模块、探测器计数模块和可控频率脉冲模块；串口指令转发模块连接串口协议单元，脉冲激光器计数模块连接串口指令转发模块和可控频率脉冲模块，可控频率脉冲模块连接激光器，延时计数模块连接串口指令转发模块和探测器计数模块，可控频率脉冲模块连接探测器计数模块和探测器；串口协议单元实现与接口电路的连通，再由串口指令转发模块，将串口输入指令传送到fpga电路进行逻辑处理；脉冲产生单元发出触发脉冲信号控制待测脉冲激光器出光的时间，输出指令所对应的频率脉冲波和可设定延时的频率脉冲波。

9、其中，所述时延计数单元包括：采样触发计数器模块、时间计数器模块和控制电路模块，控制电路模块通过接口连接探测器，并连接采样触发计数器模块、时间计数器模块，时间计数器模块连接串口协议单元；时延计数单元测量探测器采集处理时间，该采集处理时间是从脉冲激光器出光信号、传输、采集处理到输送到上位机软件的这一段探测器采集处理时间；时延计数单元保证探测器在工作时间内一帧光谱开始，同步到探测器完整捕获脉冲激光器出光，不存在能量损失。

10、其中，所述时间计数器模块通过接口电路接收上位机发出指令开始启动采样触发计数器模块开始计时，之后实时接收探测器采集到的光信号数据，在采集到脉冲激光器的光信号数据变化超过fpga电路设定的阈值时，则判定探测器捕获到了脉冲激光器光信号，停止采样，采样触发计数器模块出发开始计时，处理时间通过时间计数器模块发给探测器对应的上位机显示。

11、其中，所述能量检测单元包括：依次连接的滤波模块、能量统计模块、最大值检测模块、有效性判决模块和有效值模块，滤波模块连接探测器，有效值模块连接串口协议单元；探测器采集到的光数据传到到能量检测单元后，先经过滤波模块，滤波后使信号中特定的频率成分通过，能量统计模块对滤波后的数据进行能量统计；再由最大值检测模块根据统计结果判断是否满足设定的阈值，最后通过有效性判决模块对数据进行有效性判定，有效数据存储至有效值模块。

12、其中，所述探测器控制信号产生单元包括依次连接的协议转换模块、控制电路模块、计数器模块和信号产生模块；协议转换模块通过接口连接串口协议单元，信号产生模块通过探测器驱动电路连接探测器；协议转换模块接收到上位机发送的电平指令后，控制电路模块识别到相应的指令开始启动计数器模块进行计数，并且计数器持续循环计时，保证产生频率脉冲驱动探测器一直在工作状态；信号产生模块产生标准ttl电平标准，并且脉冲宽度固定，输出到探测器驱动电路中，满足驱动要求。

13、(三)有益效果

14、上述技术方案所提供的瞬态光谱ns量级脉冲光延时同步控制触发系统，具有以下有益效果：

15、1)设计了瞬态光谱ns量级脉冲光延时同步控制触发系统，解决了纳秒级脉冲激光信号难以捕捉的问题。

16、2)瞬态光谱脉冲光延时同步控制触发系统，实现待测脉冲光和光谱仪中探测器二者最佳延时同步精确控制，调整得到最佳同步延时，时间，保证光源所有光能量被瞬态光谱仪实时按时序完整捕捉到，测量输出对应的光谱曲线。

17、3)采用ns量级脉冲延时同步控制触发方式，解决了瞬态光谱测量时光脉冲难以同步触发、环境光瞬变造成的测量误触发、部分光能量丢失采集数据不准确等难题。