Design of the Image Lidar Control System
摘要：介紹了基于單片機(jī)的成像激光雷達(dá)控制系統(tǒng)的工作原理，并著重討論了系統(tǒng)硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用PIC16F877單片機(jī)為核心，配置以可編程延時(shí)器、脈寬發(fā)生器以及控制電路，從而實(shí)現(xiàn)了成像激光雷達(dá)對(duì)不同高度回波信號(hào)的探測(cè)能力。
關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)；激光雷達(dá)；測(cè)量系統(tǒng)
Abstract: The principles and methods of a controlling system based on microcontroller applied for the image Lidar are introduced in this paper and described the realizing approaches of both the hardware and software in particularly. The PIC16F877 single chip microcomputer is used as the kernel component of this system and the other parts are programmable delayer, pulse width generator and control circuit etc. which enable the detection of echo from differential layer of the image Lidar.
Keywords: Single-chip microcomputer, Lidar , Measuring system
激光雷達(dá)是測(cè)量大氣參數(shù)的重要手段，為了得到不同高度的大氣信息，需要對(duì)不同距離的激光回波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，傳統(tǒng)激光雷達(dá)是基于光電倍增管或光子計(jì)數(shù)器作為探測(cè)器的，因此控制系統(tǒng)只要對(duì)出光時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，再延時(shí)適當(dāng)時(shí)間（不要求特別精確），打開(kāi)倍增管或光子計(jì)數(shù)器，即可得到所需信息。但這種雷達(dá)所能得到的信息不能完全滿足需要，所以近年來(lái)又發(fā)展了成像激光雷達(dá)來(lái)獲得更多的大氣信息。但成像激光雷達(dá)比較復(fù)雜，需要對(duì)系統(tǒng)的各部分進(jìn)行協(xié)調(diào)。因?yàn)楣馑贅O高，很小的時(shí)間誤差就會(huì)帶來(lái)很大的測(cè)量誤差，所以就要求控制精度達(dá)到納秒量級(jí)。
近年來(lái)，單片機(jī)在我國(guó)的許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)良的性價(jià)比適合于成像激光雷達(dá)控制系統(tǒng)的要求。因此利用單片機(jī)對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行控制是實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)高度自動(dòng)化、并最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守的有效手段。
1. 成像激光雷達(dá)原理與控制方案設(shè)計(jì)
1.1 成像激光雷達(dá)原理
與傳統(tǒng)的能量探測(cè)激光雷達(dá)不同，成像激光雷達(dá)有其自身的特點(diǎn)。圖1是湍流廓線激光雷達(dá)測(cè)量原理圖，它是基于瑞利信標(biāo)原理，即由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一聚焦激光束，利用焦點(diǎn)處的后向散射信號(hào)作為一個(gè)瑞利信標(biāo)，作為接收系統(tǒng)的信標(biāo)。
圖1 測(cè)量原理圖
圖中Z為探測(cè)高度，它與探測(cè)器曝光開(kāi)啟時(shí)刻相對(duì)于激光發(fā)射時(shí)刻的延時(shí)Td的關(guān)系為
(1)
其中C為光速。Td為探測(cè)光柱長(zhǎng)度，它與探測(cè)器曝光閘門開(kāi)啟時(shí)間寬度Tp的關(guān)系為
(2)
1.2 控制方案設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)原理的描述，我們可以得到控制系統(tǒng)的時(shí)序關(guān)系，如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)時(shí)序
從圖2可以看出，當(dāng)探測(cè)器CCD采集完信號(hào)后，一方面它要將視頻信號(hào)輸送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)還要分離出場(chǎng)同步信號(hào)來(lái)觸發(fā)激光器，用來(lái)保證激光器與探測(cè)器CCD同步。當(dāng)激光器發(fā)射出脈沖的同時(shí)，要檢測(cè)出出光時(shí)刻，輸出出光信號(hào)，用來(lái)觸發(fā)延時(shí)器和可編程脈寬發(fā)生器，延時(shí)時(shí)間與探測(cè)高度有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，脈寬寬度決定了探測(cè)光柱的長(zhǎng)度，這些分別有（1）、（2）式?jīng)Q定。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，通過(guò)它來(lái)檢測(cè)CCD的同步信號(hào)以及激光器的出光信號(hào)，并控制激光器的出光以及延時(shí)器、脈寬發(fā)生器等。系統(tǒng)功能框圖如圖3。
圖3 系統(tǒng)功能框圖
2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用PIC16F877單片機(jī)作為控制核心，控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器、延時(shí)器、脈寬發(fā)生器等部件。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖4。
PIC16F877單片機(jī)具有在線編程能力，可以根據(jù)需要隨時(shí)修改內(nèi)部程序，優(yōu)化性能或擴(kuò)充功能。單片機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)并口與主控計(jì)算機(jī)通訊。為了保證通訊的可靠性，通訊采用雙向通訊，當(dāng)主控計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先檢測(cè)控制器有無(wú)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，控制器返回應(yīng)答信號(hào)，并立即進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理完后，再向主控計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)，通知主控計(jì)算機(jī)已準(zhǔn)備好接收下一組數(shù)據(jù)。為了節(jié)約單片機(jī)的資源，只使用單片機(jī)的PORTB口，8路信號(hào)中，1路做應(yīng)答信號(hào)，其余7路作為數(shù)據(jù)傳送信號(hào)使用。指令說(shuō)明如表1。
圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖
