激光脉冲法（共7篇）
激光脉冲法 篇1
0 引言
脉冲式激光测距峰值功率较高、探测距离远、测量速度快、结构相对简单并且对光源的相干性要求低, 故无论在军事、科学还是生产建设的领域都起着重要的作用。脉冲法测距的测程主要取决于激光二极管和APD的性能, 而测量精度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲上升沿、信噪比和脉冲飞行的时间[1]间隔测量精度等, 其中时间间隔的测量对测距精度有决定性的作用。
本文基于人眼安全性, 低成本, 低功耗的标准对省电、测量远距离、精度高的激光测距仪进行了研究, 选择了低功耗芯片MSP430系列单片机为MCU, 选择高精度计时芯片TDC-GP2为计时系统的核心器件, 同时对发射和接收的电路进行优化设计, 采用时差法结合软件的均值法从而有效地提高脉冲法激光测距系统的精度和测程。
1 脉冲法激光测距原理
激光器对目标发射出脉冲, 光脉冲到达被测目标面后部分能量反射, 根据测量光脉冲从发射到返回接收检测器的时间t, 计算出测距仪与目标之间的距离, 其测距公式为:
式中, L为目标距离, c为光速。根据式 (1) 可以得出脉冲测距精度为:
由式 (2) 可知, 在光速一定的情况下, 时间间隔测量的精度直接影响到脉冲激光测距系统测距的精度, 所以实现高精度的时间间隔测量是脉冲激光测距系统的关键[2]。
图1为激光测距系统的结构。该系统由发射模块、接收模块、信号控制模块、数据显示模块和电源模块组成。
系统采用了905nm, 75W的脉冲激光二极管, 选择雪崩光电二级管进行光电检测, 测程可以提高百米。在t时刻时激光二极管被驱动发射激光脉冲, 同时单片机产生不参与测量的信号送给TDC, 该信号送至start, 表示开始进入测量状态;激光器发出的光脉冲经过一段时间加上接收后的硬件电路有一定延迟, 单片机在经过延迟后发送信号至TDC的stop1通道, 接收组件光电探测器接收到返回脉冲后产生一个终止信号, 该信号被接收模块进行放大滤波处理比较之后, 送入信号处理模块, 结束飞行时间的测量。高精度计时芯片TDC-GP2单通道的分辨率高达65ps, 测量精度因而也大大地提高, 同时采用stop1和stop2通道进行时差测量, 消除了硬件电路的延迟, 飞行时间的精确度得到进一步提高。时间间隔测量模块把所测量的结果送至数据处理和控制模块进行计算, 最终显示出被测的结果L。
2 脉冲式激光测距系统的设计与实现
2.1 时差法高精度计时原理
TDC-GP2是ACAM公司通用TDC系列的新一代产品[3]。TDC是以信号通过内部门电路的传播延迟从而进行高精度时间间隔测量。图2显示了测量绝对时间的TDC主要构架。芯片的智能电路结构、担保电路和特殊布线方法使芯片能够精确地记下信号通过门电路的个数。芯片中信号通过芯片内部门电路最短的传播延迟时间决定了TDC能够获得的最高测量精度。
TDC-GP2主要是对脉冲进行计数来进行高精度计时实现时差法测量, GP2有高速脉冲发生器, 温度测量, 停止信号使能和时钟控制等功能[4]。对于TDC-GP2而言, 芯片本身具有两个测量范围, 测量范围1和测量范围2。其中测量范围1的时间测量是0ps~1.8μs, 即距离约等于0~270m。测量范围2的测量范围是从2倍的高速时钟周期到4ms, 也就是最大的测量距离可以至25公里以外, 意味着可测量距离范围的大大提高。
Start、Stop1和Stop2口为时间间隔起止脉冲信号, EN信号接高电平。计时结束信号INIT, 低电平有效, 单片机控制, 提供读取计时结果的标志;RSET是复位信号, 低电平有效, 接单片机控制TDC-GP2的复位。SSN、SCK、SI、SO为SPI总线端口, 连到单片机的SPI端口, 实现单片机与TDC-GP2的通信。
2.2 控制电路以及发射和接收电路设计
16位超低功耗的单片机MSP430F149具有高速处理信号能力[5]。MSP430寻址范围可达64k, 统一进行中断管理, 片内具有精密硬件乘法器、两个16位的定时器、一个14路12位的模数转换器、6路P口、一个看门狗、一个比较器、两路USART的通信端口、两个外部时钟和一个DCO内部振荡器, 支持在线调试和下载。
单片机MSP430F149控制驱动信号的产生, 发出触发脉冲, 给TDC-GP2开始信号使其进入测量状态, 通过SPI与其通信, 最后将处理好的数据结果显示到液晶屏上。图3为单片机的配置电路。
图4为发射接收部分的主要电路, 发射部分主要由单片机控制发射信号, 通过MOSFET驱动芯片MIC4452驱动脉冲二极管, 发射激光脉冲。接收部分主要是对微弱的信号通过前置放大和主放大[6]后, 进行快速比较得出的信号可用于后续计时得出结果。
2.3 软件设计
图5为该系统的单次测量软件流程。开始, 上电, 用户需要发送代码Init初始化, 使用按键来确认是否触发测量, 若不按键则进入休眠状态, 以降低功耗。按键开始测量, 选择测程模式, GP2进行寄存器配置, 单片机开始发送Start、Stop1信号, ALU按照设定模式计算出Start脉冲和Stop1、Stop2脉冲间的时间间隔后产生测量结束中断, 若接收到Start信号超时但未收到Stop信号, 则TDC-GP2会产生溢出中断, 通过读取TDC-GP2状态寄存器来分辨这两种中断, 对正常测量产生的中断, 继续读取结果寄存器中的数据并发送至上位机, (在实际测量中默认进行200次循环测量后进行均值) 并把结果转换成十进制显示在液晶屏上, 结束一次测量, 否则重新进行测程选择, 准备下一次测量。
2.4 数据结果分析
测量距离为300m, 在结合TDC-GP2特性和通道分辨率后, 结合使用时差法, 得到以下实验数据分析结果, 精度达到0.1m, 通过软件对200次测试的结果进行平均后, 精度大大地提高。图6-7两个图分别为平均前和平均后的数据图, 通过对比可以明显看出得到的精确度。
3 结束语
系统采用的时差法测距法, 通过TDC-GP2的高精度计时结合低功耗单片机的均值处理, 使得测距系统不仅精度较大地提高, 功耗更低, 在便携式高精度测距仪中会有较好的应用前景。
参考文献
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激光脉冲法 篇2
1 对 象 和 方 法
1.1 研究对象
选取我院2013年6月 -2014年7月所接收治疗的120例眼袋患者,本次实验研究已经经过我院伦理委员会批准,患者和患者家属都已经签署知情同意书。其中,女性患者85例,年龄为22岁 -58岁,平均年龄为(39.6±3.5)岁, 男性患者35例,年龄为20岁 -47岁,平均年龄为(30.6±2.7)岁。
1.2 入选标准
所有患者都符合世界卫生组织制定的眼袋临床诊断标准。患者的临床表现为下睑和外眦皮肤产生松弛,眼周会出现细小的小皱纹,眶隔脂肪下垂,患者会伴有流泪。
1.3 治疗方法
所有患者手术治疗前,常规使用抗生素眼液对双眼结膜囊进行冲洗,采用1% 的丁卡因进行表面麻醉,采用2% 的利多卡因浸润麻醉穹窿结膜。超脉冲CO2激光机购买自美国,型号为SSIMD50,设置为超脉冲,设置输出功率为5W,光斑直径为0.2mm。
对于单纯皮肤松弛型患者,采用结膜入路眼袋整复术。采用没有反光的金属睑板保护患者的眼球,采用睑板拉钩将患者的下睑结膜拉开,距离睑板缘2mm3mm的地方,将患者的眼睑结膜采用激光笔切开,切开控制在5mm,将眶隔筋膜暴露出来,将激光束聚焦,切开筋膜,使用眼科手术钳将脂肪团牵出,使用蚊式钳和结膜面钳夹平齐,采用激光将膨出的脂肪团切割,将激光散焦汽化,凝固筋膜残端,将蚊式钳去除,指导患者双眼向上看,查看除去的脂肪量是否科学,不进行缝合,眼睑结膜切开会自然的闭合,采用加压包扎,给予患者冰敷,常规滴注抗生素和眼液眼膏,滴注时间为5天[3]。
对于下睑轻中度膨隆型和下睑中重度膨隆型患者,采用结膜入路结合皮肤入路眼袋整复手术方式。依据上述手术方法,采用超脉冲CO2激光经过结膜入路,将膨出的脂肪团切割除去,再依据皮肤入路下睑整形切开,将下睑皮肤切开,在眼轮匝肌浅面向下分离到眶下缘,形成皮瓣,在皮肤切口线下5mm处,切开眼轮匝肌,将部分松弛的眼轮匝肌切除,进行止血,将眼轮匝肌牵拉悬吊,缝合在外眦韧带,缝合眼轮匝肌,指导患者双眼睁开向上看,将下睑皮瓣舒平,确定没有下睑外翻现象,将多余皮肤剪除,缝合皮肤。采用加压包扎,给予患者冰敷,常规滴注抗生素和眼液眼膏,滴注时间为5天[3]。
2 结 果
本次研究所接收治疗的120例眼袋患者,46例患者采用结膜入路整复手术治疗,74例患者采用结膜入路结合皮肤入路眼袋整复手术方式。三种类型眼袋患者中,单纯皮肤松弛型患者有38例,下睑轻中度膨隆型患者有46例,下睑中重度膨隆型患者有36例。所有患者手术后,随访治疗1年,3个月后有3例患者外眦部分皮肤伤口产生硬结,没有经过治疗,3个月后伤口软化消失,所有患者没有出现眼球损伤、复视、眼睑内翻、眼睑外翻、感染等不良反应。
3 讨 论
超脉冲CO2激光所产 生的红外 线激光波 长为10600mm,可以使机体组织细胞内的水分快速的加热汽化。激光焦点处的能量密度非常高,可以进行准确、快速的切割。散焦可以对机体组织起到凝固收缩的作用,可以封闭2mm以下的血管。手术过程视野清晰,出血量少,大大的缩短了手术时间[4]。
本次研究,单纯皮肤松弛型患者有38例,下睑轻中度膨隆型患者有46例,下睑中重度膨隆型患者有36例。所有患者没有出现眼球损伤、复视、眼睑内翻、眼睑外翻、感染等不良反应。所有患者对临床疗效较为满意。
综上所述,对于眼袋患者,采用超脉冲CO2激光法除去眶脂,不良反应发生率低,患者痛苦少,显著提高患者的临床修复价值,具有临床价值意义,可以大力推广。
摘要：目的 探讨超脉冲CO2激光法去眼袋的临床疗效。方法 选取我院2013年6月-2014年7月所接收治疗的120例眼袋患者,依据患者不同的病情,选择经过结膜结合皮肤入路眼袋整复术,将眶脂去除,依据常规皮肤径路,将皮肤皮下组织切开,将多余眼轮匝肌和皮肤剪除,将伤口缝合。也可以选择结膜入路单独眼袋整复术,在结膜面使用激光切开,将眶脂去除。结果 本次研究所接收治疗的120例眼袋患者,46例患者采用结膜入路整复手术治疗,74例患者采用结膜入路结合皮肤入路眼袋整复手术方式。三种类型眼袋患者中,单纯皮肤松弛型患者有38例,下睑轻中度膨隆型患者有46例,下睑中重度膨隆型患者有36例。所有患者手术后,随访治疗1年,3个月后有3例患者外眦部分皮肤伤口产生硬结,没有经过治疗,3个月后伤口软化消失,所有患者没有出现眼球损伤、复视、眼睑内翻、眼睑外翻、感染等不良反应。结论 对于眼袋患者,采用超脉冲CO2激光法除去眶脂,不良反应发生率低,患者痛苦少,显著提高患者的临床修复价值,具有临床价值意义,可以大力推广。
激光脉冲法 篇3
1 VO2智能薄膜材料的基本特性
自从1958年科学家Morin发现氧化钒薄膜具有温度相变特性[5]以来, 世界各国的研究者进行了广泛的研究。当VO2薄膜材料低于68℃时为半导体态, 高于68℃为金属态, 并且其晶体结构从单斜相向四方相转变。同时上述两种状态是可逆转变的, 而且转变速度快, 可达到皮秒量级。钒的氧化物VOx中氧原子含量x及薄膜生长温度与相结构的关系如图1所示。由图1可知, 氧化钒物相的稳定条件较窄, 制备条件非常苛刻。通常得到的是缺氧态或者富氧态的准VO2相, 或者是多种相的混合氧化物VOx。
VO2智能薄膜材料相变前后同时伴随着光学特性和电学特性的突变。图2给出了在波长为2500nm测得的透射率-温度曲线[6]。电阻率随温度变化的关系曲线如图3所示[6]。研究表明, VO2薄膜在低温条件下, 在可见光、红外光、射频波段及微波波段都具有很高的透射率[7] (见图4) , 但在高温下, 这些波段的透过率会明显下降, 反射率提高[6,8]。VO2薄膜这些特性使其成为很好的智能薄膜材料[9]。
2 脉冲激光沉积制备VO2的原理和特点
脉冲激光沉积 (Pulsed Laser Deposition, PLD) 技术产生于20世纪60年代。1965年, Smith[10]等第一次尝试用激光制备薄膜, 但由于当时的激光器主要为红宝石和二氧化碳激光器, 波长较长, 所以在薄膜制备方面不是很成功。随着短脉冲高能量的准分子激光器的问世, 1987年美国Bell实验室首次成功地利用短波长脉冲准分子激光制备出了高质量的钇钡铜氧 (YBCO) 超导薄膜[11], 从此这项技术引起了科技工作者极大的重视, 并获得了飞速的发展。
在PLD制备VO2的工艺过程中, 首先聚焦高强度的脉冲激光照射到金属钒靶材表面, 靶材吸收激光能量, 表面温度迅速升高并蒸发, 瞬间产生的靶材蒸气与激光继续作用电离而形成高温高压的等离子体。
然后等离子体与激光作用, 温度和压力都迅速升高, 使其沿靶面法线方向以一定角度向外膨胀, 形成等离子体羽辉。
最后激光烧蚀金属钒靶材产生的等离子体由于能量较高, 与基底吸附后有很大的活性[12], 与反应气体氧气进行反应, 生成VO2沉积在基底上形成薄膜。PLD制备VO2薄膜的装置如图5所示。
在制备 VO2的过程中, 由于VO2的熔点 (1970℃) [13]很高, 靶材一般采用金属钒 (熔点1890℃) , 制备过程中通入精确比例的氧气和氩气的混合气体作为背景气体。激光器一般采用准分子脉冲激光器, 常用的脉冲激光器工作气体有ArF, KrF和XeF等, 其工作波长分别为193, 248, 351nm, 激光器一般输出脉冲宽度为20ns左右, 脉冲重复频率为1～20Hz, 靶材到基底的距离控制在50mm左右。近年来, 随着激光器倍频和相关器件技术的发展, 采用YAG固体激光器作为激光源 (波长为1064nm) , 通过倍频技术制备薄膜也有了相关的报导[14]。
基于以上的物理过程, 可以总结出:由于激光能量的高度集中, 瞬间产生极高的温度, 使得脉冲激光沉积技术可以蒸发金属、半导体、陶瓷、金属氧化物等多种材料;脉冲激光沉积的最大优点就是可以生长和靶材成分一致的多元化合物薄膜, 甚至含有易挥发元素的多元化合物薄膜;由于它可引入活性气体, 对于多元素化合物薄膜, 特别是多元氧化物薄膜的制备极为有利;相比其他的沉积方法, 对基底的温度要求较低, 可以在较低温度下原位实现薄膜的生长。
由于钒氧系化合物的复杂性, 使得制备纯净的VO2非常困难。与常规的沉积技术相比, 脉冲激光沉积的过程被认为是“化学计量过程”, 如果能准确地控制工艺参数, 就能得到高质量的VO2薄膜。经过科研工作者不断努力探索, 发现影响薄膜纯度的最主要的因素是背景气体的总气压和氧气与氩气的比例。当氩气/氧气为10/1, 总气压保持在26.6Pa时, 沉积的薄膜中只包含五氧化二钒。然而, 在较低的气压下 (11.97Pa) , 氩气/氧气比例在40/1到20/1之间, 沉积的薄膜中只包含VO2。在背景气体只含有氧气条件下, 总气压控制在26.6Pa时, 沉积的薄膜中是VO2和五氧化二钒的混合相。实验发现, 沉积VO2薄膜最佳参数是:总大气压为11.97Pa, 氩气/氧气保持在50/1到20/1之间, 基底温度保持在520℃左右[15]。表1[16,17,18,19,20,21,22]给出了脉冲激光沉积方法与其他传统制备方法的对比。
3 脉冲激光沉积制备VO2薄膜的研究进展
在20世纪80年代后期, 脉冲激光沉积首次被用于超导氧化物的沉积。1993年Singh[23]等人第一次使用该技术来制备VO2薄膜。其主要工艺参数:总气压为13.3～26.6Pa, 氩气和氧气比例为10/1, 基片温度为500℃, 使用的是KrF (248nm) 脉冲激光器来烧蚀金属钒靶。在实验中发现:氧分压是一个控制VO2纯度重要的参数。然后把沉积后的样品在相同的温度和气压下退火1h, 就能得到纯净的VO2薄膜。在Singh实验后不久, Kim和Kwok[24]报导了采用脉冲激光沉积在高温但没有后退火的情况下, 在蓝宝石基底上沉积了高质量的VO2薄膜。Maaza[25]第一次成功地在没有利用后退火工艺下使用脉冲激光沉积技术, 在室温下制备出了VO2薄膜, 制备的薄膜在70℃表现出了突变的相变特性。
目前国内采用PLD制备氧化锌薄膜的报导较多[26], 但采用PLD制备VO2薄膜的研究报导较少, 国内在此方面尚处于方案论证和技术准备阶段。作为一种新兴的制备薄膜的技术, 国内的研究还存在一些技术上的困难。然而随着国内科研人员的努力, 在不久的将来, 相信一定能够取得应有的研究进展和成果。
4 脉冲激光沉积掺杂VO2薄膜
在所有的钒氧化合物中, VO2的相变温度 (68℃) 最接近室温, 得到了最广泛的研究。但是, 68℃依然限制了VO2在实际中的应用。降低相变温度成为了实际应用中的重点问题。在所有降低相变温度的研究中, 掺杂金属元素到薄膜中是研究最多、也是最有效率的方法。掺杂剂包括很多种, 常见的有钨、钛、氟、钼、铌、铬、锂和铝等。不同的掺杂剂对相变温度影响有很大的差异, 详见表2。研究表明[1], 本征VO2薄膜是n型的, 任何受主掺杂都可以补偿未掺杂的n型本征VO2, 因此可以降低相变温度但仍保持它的金属-半导体的转变特征, 例如, 保持了相变过程中电阻率和光学折射率的突变。但是, 掺杂后的VO2薄膜与未掺杂的VO2薄膜相比较, 相变前后的光学和电学特性也会相对弱化[24]。
早期的掺杂主要使用的是化学气相沉积技术和溶胶-凝胶技术, 随后也有用共溅射的方法来完成掺杂的报导[27,28]。脉冲激光沉积装置拥有灵活的多靶转换装置, 易于控制反应沉积的条件, 尤其是控制氧分压和沉积室中的总气压, 而且使用该技术掺杂后的薄膜比其他方法掺杂的薄膜的光电特性变化更明显, 所以该技术更适合制备掺杂的VO2薄膜。
M.Soltani等人[15]使用反应脉冲激光沉积方法在各种基底上制备了VO2薄膜和掺杂钨的VO2薄膜。脉冲激光由XeCl准分子激光器产生, 波长是308nm, 脉冲周期是20ns, 透过石英窗口进入到沉积室中, 通过石英透镜聚焦到靶材。靶材上的能量密度为5J/cm2。钒金属靶材用来沉积VO2薄膜, 掺杂1.6% (质量分数) 钨的氧化钒靶材用来沉积钨掺杂的VO2薄膜。实验发现:在总气压为11.97Pa, 氧气/氩气比例为5%, 基底温度为520℃时, 能够制备纯净的VO2薄膜, 而且与基底的种类无关。研究还发现:在石英基底上制备的未掺杂的VO2薄膜和钨掺杂的VO2薄膜, 随着温度的升高电阻率变小, 即经历了半导体-金属的相变。对于两种薄膜, 红外透过率都是随着温度的升高而降低。在波长3.3μm下, 未掺杂的VO2相变前后红外透过率改变量是77%。而在波长2.5μm下, 钨掺杂的薄膜相变前后红外透过率变化的最大值降低到45%。使用溶胶-凝胶掺杂1.5%钨的VO2薄膜[29], 发现相变温度在30℃左右, 在0.8～2.2μm的红外区域内, 相变前后光学透过率改变量低于30%。使用直流溅射掺杂钨的VO2薄膜[30,31] (钨靶沉积功率为5W) , 在波长为0.5～2.5μm范围内, 相变前后光学透过率的改变也低于30%。
使用脉冲激光沉积不仅能够在大面积的基底上 (蓝宝石, 硅, 石英, 抛光铝面) 制备未掺杂或者是掺杂金属 (W和Ti) 的单相VO2薄膜, 也可在小面积的基底上比如光纤末端和标准光纤的连接头处沉积VO2薄膜。同样, 使用该技术也可以在可弯曲的基底上比如聚酰亚胺薄片上沉积薄膜[32]。
5 脉冲激光沉积制备VO2纳米薄膜
VO2纳米颗粒最早使用离子注入技术制备成功, 并发现在金属-半导体的相变中, 颗粒大小与热滞宽度有关系。目前使用PLD制备VO2纳米颗粒主要有两种方法:第一种方法是采用有限扩散凝聚和奥斯特瓦尔德熟化将非常小数量的原料沉积在基片上, 随后通过退火形成不同大小的纳米颗粒;另外一种方法是用聚焦的离子束 (FIB) 或者电子束制作掩模光刻图形, 通过掩模方式淀积VO1.7, 最终通过退火得到VO2颗粒。
2004年, Suh[33]等人描述了VO2纳米颗粒与薄膜的结晶成核和生长对半导体-金属相变的影响, 这里的薄膜和纳米颗粒都是通过PLD制备的。研究结果表明:颗粒大小和结晶的竞争效应决定了热滞周期的宽度和形状。
Willmott[34]小组报导了使用同步辐射X射线衍射研究VO2初始生长相的情况。研究发现:在硅或者玻璃的基底上, 使用反应脉冲气体喷射式PLD在室温下制备的薄膜非常平整, 但薄膜材料属非晶材料, 只有在以氧气为背景气体的气氛中退火才可以结晶成VO2的相。当沉积的厚度增加时, 形成的纳米颗粒会逐渐凝聚成连续的薄膜。在进行退火时, 形成的纳米级的VO2岛具有择优取向, 这取决于与基底结晶的匹配特性。
Lopez[35]等人研究了VO2有序纳米颗粒点阵的光学特性。有序纳米颗粒点阵是先采用传统的聚焦离子束光刻技术在聚乙烯中产生图案, 随后采用剥离的化学工艺, 通过脉冲激光沉积VO1.7, 并在氧气气氛中退火形成VO2。通过暗场显微镜观察, 这些阵列表现出与相变温度相关的尺寸效应。不寻常的热滞效应主要与有序-无序和金属-半导体的转变有关, 包括以前未研究的蓝色光谱区域光散射共振。
6 结论
讨论了脉冲激光沉积的物理过程和特点, 重点介绍了该技术制备VO2薄膜的具体工艺和国内外的最新研究进展。随着相关技术的发展, 为了使PLD能够满足高质量VO2薄膜的制备要求, 还必须解决以下问题: (1) 由于沉积薄膜中含有熔融的小颗粒或分子碎片, 严重影响了薄膜的质量; (2) 限于当前激光器的输出能量, 难以大规模生产, 使得成本相对较高, 限制了它的应用范围。随着脉冲激光沉积技术的不断完善, 上述问题有望得到解决。在脉冲激光沉积制备VO2薄膜方面, 目前一方面正朝着通过改变薄膜结构 (如纳米点或纳米线) 来提高相关光电特性, 另一方面正朝着大面积、高均匀性、高性能方向发展。
摘要：基于半导体和金属间的相变特性, 伴随着温度、电场、压力的变化, 具有相关智能特性的VO2薄膜材料具有较大的应用潜力。本文主要阐述脉冲激光沉积技术在制备金属氧化物方面的物理过程和技术特点, 详细介绍脉冲激光沉积制备VO2薄膜材料的工艺参数和国内外研究进展, 并与几种常规制备方法进行对比, 给出脉冲激光沉积掺杂对VO2薄膜材料特性的影响, 以及采用脉冲激光沉积制备VO2纳米材料, 讨论了脉冲激光沉积制备具有智能特性的VO2薄膜材料存在的问题和发展方向。
单脉冲激光散射探测研究 篇4
关键词：激光散射探测,散射辐照度,脉冲特性
激光发散角小,脉宽较窄,决定了其光斑直径通常很小,在激光探测的典型情况下,激光束一般不会直接入射到激光探测设备上,需通过接收大气对激光的散射来探测激光[1]。为了能够提高激光散射探测距离,需计算到达探测器的散射激光照度。通过传统计算散射激光能量的方法所得的结果与理论计算激光指示器回波能量进行比较,发现传统方法未考虑到激光的单脉冲特性,因此,对传统的计算方法进行了改进,提高了散射探测精度。
1 传统激光大气气溶胶散射计算
激光在大气传输的过程中,会受到气溶胶粒子的散射,为激光散射探测提供了必要的条件。光散射主要是瑞利散射和米氏散射。瑞利散射在紫外光谱和高空中起主要作用;而米氏散射则在较低的高度上起主要作用,是优先的散射源,可产生相对较大的可用信号,为激光散射探测提供必要的能量[5,6]。因此主要考虑气溶胶粒子的Mie散射,根据Mie散射理论,设气溶胶的粒径分布范围为r1～r2[7]。
1.1 低空激光大气传输模型
为了方便研究,一般假设气溶胶粒子的大小分布不随高度变化,但与地理环境和气象条件有关。假设在空气能见度为23 km,湿度为75%的都市郊区低空,在陆地上空,气溶胶粒子大小的典型分布为[7]
1.2 低空激光散射的能量分布计算
图1表示激光器和激光探测器的位置关系,其中激光器斜向下照射,激光探测器的视场朝上。其中R为激光器与探测器之间激光传输的轴向距离(以下简称激光传输距离),d为探测器的离轴距离,θ为探测器的视场角。
假设激光器的波长为λ,出射功率为Pt,根据文献[8],在离轴距离为d时到达探测器的辐射照度可以表示为
Pn(1)(cosθ)为一阶n次第一类缔合勒让德函数;
Pn(cosθ)为第一类勒让德函数。
an、bn为Mie散射系数,其计算式为
式中,z可以是χ或mχ;分别为半奇阶的第一贝塞尔函数和第二汉克尔函数;ψ'n、ζ'n为对各自变量的微商;m=m1-m2i为散射粒子的复折射率,对于1.06μm激光,在工程上,大气衰减与能见度的关系[9,10]可表示成a=2.7/V,V是km为单位的能见度。其复折射率为m=1.56-0.089i。典型激光器的输出能量为10 mJ,脉冲宽度为10 ns。探测器的视场角θ=30∘,设β1=40∘,β2=100∘。
对于1.06μm激光,粒子半径为0.1～20μm的大气气溶胶前向散射较强,在此只需考虑前向散射,因此实际取β2=90∘。在不考虑大气湍流影响下,用式(2)计算在传输距离为10 km时,不同离轴距离的探测器所接收到的大气散射激光的最大辐射照度,见表1。
图2为根据表1做的不同离轴距离的辐射照度的曲线。
同样根据式(2),文中计算了激光传输不同距离时在离轴100 m处的激光散射辐射照度,计算结果分别如表2和图3所示:
1.3 数值计算结果分析
由于上述值比较小,实际中很难进行精确的测量,为了讨论上面计算得到的结果,文中对激光器的回波辐射照度进行了计算,可表示为
其中,Pt为发射功率,ρ为目标反射系数,对于漫反射发散角Ω可取为2π,R为作用距离,Ta为单程大气透过率,Ta=exp(-aR)。那么对于1 mW的激光器,当作用距离为10 km时,其接收到的功率为
而在1.2节中计算得到的激光传输10 km时在离轴100 m处的散射辐射照度为6.635×10-3W/m2,表明在距离为10 km情况下,其探测距离将远大于100 m,不能满足精度要求。原因在于传统计算激光散射能量的计算方法,是基于连续工作方式,而对于脉冲工作方式的激光器而言,需要进行必要的改进。
2 脉冲工作方式辐射能量计算的修正
考虑激光的单脉冲特性,那么在式(2)中就不能对探测器整个视场内的激光束进行积分运算。假设
探测器视场内只有一个激光脉冲,如图4所示。
2.1 公式推导
因为考虑到激光脉冲的长度较短,如在1.1节的例子中,脉冲长度为3 m(不考虑相对论影响),那么在计算的时候可以近似认为激光为一个点源来计算,设其长度为dy,在不考虑衍射等能量损失的理想情况下,位于y处激光的辐照度(光强)为
其中,φ为激光发散角,D为出射激光直径。
先考虑单个大气分子的散射,其激光器的轴向距离为R、离轴切向距离为d的探测器,所散射的辐照度(光强)为
激光在y处占的气溶胶体积为那么该部分气溶胶产生的散射可表示为
整理后就可以得到要求的辐射照度公式为
2.2 数值计算与分析
在与1.2节中计算条件一致的情况下,根据式(12)计算得到的离轴100 m,不同β角度的辐射照度如表3所示。
由表3可以看出,激光在离轴100 m左右散射的辐射照度和激光器的回波照度大小是相当的,可以实现100 m左右的散射探测。
另外,从结果还可以看到,散射的辐射照度随散射角度β的增大先增大后减小,通过更小角度间隔,计算得到了散射辐射最大的角度约为β0=33.69∘。
图5为辐射照度随散射角度β的变化曲线。
在β=33.69∘的条件下,图6和图7分别给出了当激光传输距离为10 km时,不同离轴距离的辐射照度曲线和当离轴距离为100 m时,不同激光传输距离的辐射照度曲线。
3 结束语
利用低空激光大气传输模型,分析计算了现有文献关于激光在大气中传输时同距离条件下的激光散射能量,定量计算了不同离轴距离和不同激光传输距离时激光的辐射照度。通过与激光器的回波信号比较分析得出,传统的计算方法未考虑激光器脉冲工作方式的影响。文中对脉冲工作方式下激光散射的公式重新进行了改进,提高了激光散射探测精度,并计算了不同散射角度、不同离轴距离和不同激光传输距离情况下的激光辐射照度。
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脉冲激光测距机电磁兼容解析 篇5
激光测距具有方向性好、测距精度高、测程远、抗干扰能力强、隐蔽性好等优点。因此脉冲激光测距机已成为现代信息战的重要装备。以氙灯为泵浦光源的大功率脉冲激光测距机中,由于氙灯在高压电离时所需的激励源瞬时功率变化很大,而且随着激光测距威力的增加,激励源的瞬时功率变化量还有越来越大的趋势,所以其分机是很大的电磁干扰源[1]。同时,在工程上,对激光测距机的功能、测距精度、测距速度的要求不断提高,在激光测距中采用高速CPU(如ARM单片机)或DSP器件已经成为一种趋势,随着这些高速器件工作频率不断提升,如果电压不变,则必然导致发热过大,因此必须降低其内核的工作电压。这也直接导致高速CPU成了一个易被干扰的器件,相应的分机也成了敏感设备,因此需要找出干扰的主要形式,并加以解决。
1 工作原理
某种以氙灯为泵浦光源的脉冲激光测距机的原理图如图1所示。其工作原理如下:电源分机分别对接收分机、控制及信息处理分机(以下简称“终端机”)、激励源进行供电。在终端机的控制下,激励源为发射分机提供瞬时大功率能量,发射分机发射脉冲激光,激光照射到被测目标后返回,接收分机接收到返回的激光信号,将激光信号转化为电信号传输给终端机,终端机通过解算从发射激光到接收到激光的时间,可以得出被测目标的距离。
2 干扰分析
为了解决电磁干扰问题,必须找出形成电磁干扰的三个因素:(1)电磁干扰源;(2)敏感设备;(3)耦合路径/耦合通道。
首先,确定干扰源。通过理论分析,在终端机的控制下,激励源要为发射分机的氙灯提供15 000 V的高压放电,这必然在激励源内部产生电磁干扰,并且使得激励源本身成为激光测距机中最大的电磁干扰源。用示波器进行测量,干扰信号产生时正是激励源高压放电的时刻。
其次,确定敏感设备。在终端机设计中,我们采用了Philips公司的LPC2114单片机作为大功率脉冲激光测距机的控制核心[2]。LPC2114以ARM7为内核的微处理器的核供电电压只有1.8 V(要求电源纹波在±0.15 V以内),比起+5 V供电的8X51单片机(要求电源纹波在±0.5 V以内),更容易受到干扰。通过示波器测量可知,干扰信号到达时,1.8 V供电电源上出现最低1.4 V、最高2.3 V的干扰信号,导致LPC2114死机,这也导致终端机成为敏感设备。
第三,确定耦合路径。应用排除法,可以确定电磁
辐射干扰是通过控制电缆以传导耦合的方式进行耦合的。其物理连接形式为:终端机与激励源通过双绞线以TTL电平进行连接。双绞线上传导的干扰信号可用差模和共模干扰信号来分解。
差模干扰[3]也称常模干扰、横模干扰或对称干扰,指在两根信号线上产生的幅度相等、相位相反的噪声。差模干扰在两导线之间传输,属于对称性干扰。工程中,差模干扰电压存在于信号线及其回线(一般称为信号地线)之间,干扰回路电流是在导线与参考物体构成的回路中流动,是载流导体之间的干扰[4]。激光测距机中的差模干扰原理图如图2所示。差模干扰测量方法如下:示波器探笔地端接双绞线地线在终端机的接口(图2的B点),检测端接双绞线信号线在终端机的接口(图2的A点)。通过示波器上的SINGLE方式可以测量到终端机与激励源接口处的原始差模噪声。
共模干扰[5]有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰,指在两根信号线上产生的幅度相等、相位相同的噪声。共模干扰在导线与地(机壳)之间传输,属于非对称性干扰。共模干扰电压在信号线及其回线(一般称为信号地线)上的幅度相同,这里的电压以附近任何一个物体(大地、金属机箱、参考地线板等)为参考电位,干扰回路电流是在导线与参考物体构成的回路中流动,是载流导体与大地之间的干扰。图3为终端机中的共模干扰耦合到电路中的示意图。图中I1是信号线中流过的干扰电流,I2是信号地中流过的干扰电流。I1、I2是双绞线中流过的共模干扰电流,通过电源分机构成回路。共模干扰测量方法如下:示波器探笔地端接终端机电源地的接口(图3的A点),检测端接双绞线地线在终端机的接口(图3的B点)。可以测量到共模干扰。
3 解决方案
控制信号是TTL电平的阶跃信号,干扰信号如图4(a)所示(该图为示波器画面,纵向每格电压10 V,(a) 图横向每格时间0.1 μs,(b) 图横向每格时间0.2 μs),是10 MHz~100 MHz的高频信号。由于频率相差较大,对于差模干扰,我们采用滤波电容将差模噪声短路滤除。具体方法是在图2所示的A、B间放置滤波电容。电容值的选取并不严格,可按C=1/f计算,如f=100 MHz则C=0.01 μF。试验中取0.1 μF和0.01 μF两个电容并联。加了滤波电容以后的试验效果如图4(b)所示。由图可知电容对差模干扰的抑制大于10 dB。
共模噪声是方向相同、相位相同的噪声,在电容器两边没有电位差,所以用电容滤波的方法不能滤除。但是在工程中,仅仅去掉差模干扰还不够,尤其是当采用比较敏感的低压供电CPU时。实践中仅仅利用电容进行滤波仍然不能满足工程需求,还必须对共模干扰进行滤波。
共模扼流圈对于共模干扰的滤波是有效的。试验中,利用环形磁芯绕制了共模扼流圈。图5为环形磁芯的示意图。其饱和电流计算公式如下:
undefined
电感量的计算公式如下:
undefined
或者
undefined
其中,N是线圈匝数,Bmax、μr和每匝的电感量AL在厂家手册中给出,L的单位为nH,S的单位为mm。
在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗,这样,在一定的地线电压作用下,地环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容,否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多,则寄生电容越大,高频隔离的效果就越差。磁环和它上面的绕线及电路接线方法如图6所示。
图6中I1、I2为共模干扰电流,曲线上的箭头为差模电流方向,磁芯上的箭头为差模电流产生的磁场方向。双绕组扼流圈L1和L2都绕在同一只磁环上,两组线圈匝数相同,线间排列均匀一致,加入高导磁磁芯之后,电感量可大大提高。
由图6可知,两根信号线上的差模干扰信号在磁芯内所产生的磁通是相互抵消的,起不到扼流圈的作用,但对于共模干扰信号可起到高扼圈作用[6]。
双绕组扼流圈对高频干扰信号阻抗很大,使整个终端机与激励源之间有了一定程度的高频隔离。试验中采用了铁氧体磁芯,μr=10 000,Bmax=400 T,尺寸为10 mm×6 mm×5 mm,N=10。可以算出L=0.83 mH,Imax=7.2 A。由图7(a)可知干扰信号主要集中在30 MHz~100 MHz之间。通过计算可知对共模干扰的阻抗很大。通过测量如图7(b)所示(该图为示波器画面,纵向每格电压10 V,横向每格时间0.1 μs),主要干扰的幅度已经从15 V降低到只有5 V左右。对共模干扰抑制了10 dB。
由以上分析可知,通过滤波对差模和共模干扰各抑制了10 dB,而8X51与LPC2114对电源纹波的要求也相差约10 dB。工程中,使用共模扼流圈和电容滤波以后,在LPC2114的1.8 V核供电电压上已经观察不到明显的干扰,LPC2114可以正常工作。
5 结束语
通过对以氙灯为泵浦光源的大功率脉冲激光测距机干扰的分析,找到了干扰的主要形式,采用同时抑制差模干扰和共模干扰的方法,有效解决了干扰问题,为新型CPU的应用克服了障碍,为激光测距机的功能拓展打下了良好的基础。
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激光脉冲法 篇6
激光-电弧热源作为一种新型复合焊接热源具有焊接效率高、焊接质量好以及能源消耗低的特性, 因此成为国内外焊接领域研究的热点[1,2,3]。近年来, 研究者围绕激光-电弧复合热源焊接技术开展了大量的研究工作。然而, 目前较多的工作集中在焊接装置设计和焊接工艺开发方面, 而对于焊接热源的物理状态和物理机制的研究相对较少[4,5]。从已有的研究结果来看, 激光和电弧在焊接过程中的耦合效应已经得到了广泛的认同。耦合效应认为:电弧对材料的预热效应可以大幅提升激光的吸收率;激光等离子体对电弧的吸引和压缩作用既稳定了电弧的放电过程, 又提高了电弧的能量密度。这些相互增强作用提高了复合热源整体的热穿透能力和焊接稳定性[6,7,8]。
然而, 不同类型的电弧等离子体其放电特性不尽相同, 在焊接过程中其与激光之间的相互作用的差异较大[9]。如激光-TIG电弧复合热源和激光-MAG电弧复合热源是较为常见的两种复合焊接热源[10], 而TIG电弧和MAG电弧在焊接时放电极性完全相反[11], 同时在电弧成分、温度和质量传递等方面差异巨大, 而已有机制难以对此进行分析。这一结果导致不同类型的电弧与激光复合构建的复合热源在进行焊接时的指导机制不清楚、无法统一, 甚至出现混乱。解决此问题的有效、可靠方法是对不同类型的复合热源的物理机制分别进行研究, 并提取相关物理过程和物理机制的共性特征, 进而得到适用于不同类型激光-电弧复合热源的通用型物理机制。
本论文主要针对激光-交流TIG电弧复合热源焊接过程中物理过程和物理机制进行研究, 通过考察激光作用时电弧的形态特征、光辐射特性、焊缝表面成型以及焊缝熔化深度, 以及着重分析激光作用于交流电弧正、负半波期间与电弧相互作用的物理过程。在本研究中, 交流电弧的负半波与MIG/MAG电弧的放电特性相同, 因此本研究结果也可以为激光-MIG/MAG电弧复合热源焊接的相关物理机制研究提供现象参考。
1 实验材料与方法
如图1所示, 本研究采用脉冲式Nd:YAG激光与交流TIG电弧复合, 构建脉冲式激光-TIG电弧复合热源。复合方式为旁轴复合, 且在焊接方向上电弧在前、激光在后。激光束垂直照射板材, 电弧焊枪与板材表面呈45°角。激光束轴线与钨极间断的水平距离定义为激光-电弧间距, 且实验中可调。采用激光脉冲-交流电弧波形匹配控制系统, 实现激光脉冲作用于交流电弧放电的不同阶段的控制。交流电弧放电的周期为76ms, 放电波形如图2所示。实验材料为6mm厚AZ31B镁合金板, 采用平板堆焊的焊接方式, 焊接速度为600mm/min。焊接过程中采用高速摄像机对复合热源等离子体动态行为进行观察, 采集方向垂直于焊接方向以获得焊接等离子体的侧面图像。高速摄像机的采集速度为2000帧/秒, 曝光时间0.5ms。采用光谱分析仪对等离子体中镁原子的光辐射强度进行采集和分析, 采用的分光光栅为300 groove/mm。焊后, 观察焊缝的表面形貌, 并对焊缝进行切割取样, 经过抛光、腐蚀 (HCl浓度为5%的酒精溶液) , 观察焊缝的横截面状态, 以确定热源的熔化深度。实验所用的主要参数见表1。
2 实验结果
2.1 焊缝特征
2.1.1 焊缝表面粉末
控制激光脉冲作用于交流电弧的波形的不同位置, 并进行焊接。焊接结束后不清理试板, 直接对焊后焊接试板的表面状态进行观察, 结果如图3所示。从图中可以看出, 焊后的焊缝表面有一层粉末覆盖, 但是激光作用于交流电弧的正、负半波时, 表面覆盖粉末的状态不同。激光作用于电弧正半波时, 焊后焊缝表面粉末呈黑色, 且粉末覆盖致密;激光作用于电弧负半波时, 焊缝表面颜色略浅, 呈灰色。X-射线衍射分析结果表明粉末为纳米级氧化镁和纯镁颗粒。
2.1.2 焊缝形貌
采用钢丝刷将焊接过后的焊缝表面粉末进行清理, 对比观察激光脉冲作用于电弧正、负半波时焊缝表面形貌, 结果如图4所示。从图中可以看出, 在同样的焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧正半波时, 焊缝表面存在均匀细致的鱼鳞纹;而激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 焊缝表面纹路不规则, 表面起伏较大, 且略显粗糙。
2.1.3 焊接熔深
本研究对不同焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧放电波形正、负半波时的熔化深度进行采集, 结果如图5所示。由图中可以看出, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时的焊缝熔深略有不同。激光脉冲作用于电弧放电负半波时的熔化深度略大于正半波。从结果可以看出, 相对于激光脉冲作用于电弧放电波形的位置, 激光束与电弧在空间上的相对位置对焊接熔化深度的影响更大。
2.2 电弧形态
采用高速摄像机对焊接过程激光脉冲与电弧不同匹配条件下的复合电弧形态进行观察, 期间采用中心波长为518nm的窄带滤光片, 观察到的为电弧中镁原子的发光状态, 结果如图6所示。从图6中可以看出, 激光脉冲作用于电弧放电波形不同位置时, 电弧形态均发生变化。激光脉冲作用于电弧放电正半波期间, 电弧体积发生膨胀, 但电弧外形轮廓较规则。激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 电弧体积剧烈膨胀, 形状不规则。同时, 在实验中还发现, 激光脉冲对放电电流较小的电弧形状影响较大, 这可能与电弧弧柱区宽度以及电弧自身的挺度有关。当电弧电流较大时, 电弧弧柱直径较大, 同时电弧自身挺度也较大。激光脉冲穿过电弧等离子体作用于材料上以后形成的高速等离子体蒸汽对电弧的冲击作用相对较弱。
2.3 光谱特征
采用直读电弧光谱分析仪对激光-TIG电弧复合焊接过程中激光脉冲作用时电弧等离子体的光辐射进行分析。光谱采集位置为电弧轴线上钨极附近区域。首先对激光作用于电弧正、负半波时复合等离子体光谱进行采集, 实验结果如图8所示, 从图中可以看出, 激光作用于电弧正负半波时在200~1000nm波长范围内光辐射谱线位置基本相同, 表明两种焊接过程的电弧等离子体中粒子的种类区别不大, 均主要由氩原子、氩离子、镁原子和镁离子组成。
激光脉冲作用于材料上时, 板材元素 (以镁元素为主) 迅速熔化、蒸发, 并进入到电弧等离子体中。镁元素在电弧中的含量会以镁原子辐射谱线的强度定性反映出来。因此, 考察电弧中镁原子谱线518.362nm的辐射强度可以定性说明激光对电弧放电状态的影响程度。在实验中, 采用等同有效值的直流正、反接来分别近似电弧放电正、负半波的情形, 且只考察激光脉冲作用后谱线强度的变化值, 结果为5组重复实验结果的平均值。实验中发现, 激光脉冲作用于后电弧放电正、负半波时镁原子谱线强度均增加, 但增加的程度不同, 如图8所示。激光脉冲作用于电弧正半波时谱线强度增加程度高于作用于负半波时。该结果表明, 激光脉冲作用于电弧放电正半波时有大量的镁原子进入到电弧中, 电弧中镁原子浓度大幅提升, 而激光脉冲作用于负半波时电弧中镁原子浓度变化不大。
3 分析与讨论
在焊接过程中, 激光束穿过电弧等离子体放电空间的过程中激光与电弧之间的相互作用极其微弱, 二者的相互作用主要发生在激光束作用于材料上之后的过程。激光束对材料的剧烈加热使得材料瞬间被熔化、蒸发、电离, 形成的激光等离子体蒸汽高速冲入电弧等离子体的放电空间。而两种等离子体之间的相互作用是激光与电弧相互作用的本质。
由于电弧放电极性和放电强度的周期性改变, 电弧放电空间的电学特性完全不同。当电弧放电处于正半波时, 钨极作为等离子体的阴极发射电子, 而板材作为阳极接收电弧弧柱中的电子。此时, 从板材向上方冲入电弧放电空间的激光等离子体中的电子立刻收到电场力的减速作用, 并向板材运动。相反, 激光等离子体中的正离子在电弧放电空间向钨极移动。电弧等离子体中能量的载体主要是电子。激光等离子体中的电子在离开板材表面很小的距离内就减速至零并被重新加速向板材运动。因此其从电场中获得的能量较少, 返回板材时携带的能量也较少。在电弧放电负半波时, 电弧电场方向的改变导致粒子的反向运动。激光等离子体中的电子在电场的加速作用下向钨极运动, 期间获得的能量通过碰撞最终传递给钨极。从这个角度来看, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时粒子对材料的能量输入差异不大。但是, 在激光脉冲作用于电弧放电负半波期间, 板材作为发射电子的阴极。激光作用点高密度的电子群将成为电弧放电的电子发射源, 因此电弧放电的位置集中于板材上的激光作用点, 此处具有极大的电流密度。而激光作用于电弧放电正半波时, 这种对电弧放电点的固定和放电电流的汇聚作用较弱。因此, 在实验中我们发现激光脉冲作用于电弧放电负半波时焊缝的熔化深度略大于正半波。
在激光脉冲作用于电弧正半波期间, 激光等离子体中的正离子 (以镁离子为主) 在电场作用下大量进入到电弧中, 因此电弧等离子体中的镁元素含量急剧增加, 表现为光谱中Mg原子的辐射强度大幅提高。同时, 从电弧中扩散出去的镁原子数量增加, 导致焊后焊缝周围存在大量的呈部分团聚状态的纳米镁粉。而当激光脉冲作用于电弧负半波时, 电场的作用导致镁离子向电弧空间扩散的难度较大, 因此, 镁原子辐射强度较低, 焊后焊缝周围的镁粉末较少。
4 结论
本论文研究了在激光-电弧复合焊接镁合金过程中, 激光脉冲作用于交流电弧放电正、负半波时焊接特性的差异, 并分析了其机制。通过本论文的研究, 得到如下结论:
1) 与激光脉冲作用于电弧放电的正半波相比, 激光脉冲作用于交流电弧放电的负半波时, 复合热源对焊缝的熔化深度较大, 焊缝附近的黑色镁粉末较少, 电弧等离子体体积剧烈膨胀, 且电弧中镁原子的光谱辐射强度较小。
2) 激光脉冲作用于电弧放电正、负半波时的差异主要来自电弧等离子体电场对激光等离子体作用的差异。激光脉冲作用于电弧正、负半波时, 激光等离子体中带电粒子对材料的熔化贡献均不大。但是, 激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 激光等离子体的存在可以提高电弧等离子体的能量密度, 有利于提高热源的热穿透能力。
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脉冲压缩在激光测距中的应用 篇7
激光具有方向性好,波长单一等优点,因此广泛应用于各类测量技术中。与传统测距方法相比,激光测距精度高,抗干扰能力强,隐蔽性好,因而在军事、航空、工业等领域应用广泛。
目前激光测距主要有脉冲式激光测距和相位式激光测距[1]。脉冲式激光测距的原理是利用脉冲激光器对准目标发射激光脉冲,激光遇到目标后反射回测距仪,只要测出激光脉冲从发射到返回测距仪的时间,即可算出目标与测距仪之间的距离。而相位式激光测距的原理则是通过测量相位延迟量间接测量激光在被测物体与测距机之间传播的时间,从而计算出两者之间的距离。脉冲式激光测距法可以达到很高的瞬时功率,具有很大的测量范围,但是测量精度比较低。而相位式激光测距法可以达到很高的测量精度,但是测量范围有限。在复杂噪声环境下,两者都会存在很大的测量误差,甚至完全湮没在噪声中,无法获得距离信息。为了在复杂的噪声环境中,仍然能够获得较精确的测量结果,本文提出将脉冲压缩技术运用到激光测距中,从而获得有效的回波信号。
1 脉冲压缩激光测距
1.1 脉冲压缩的数学模型
线性调频信号是目前应用最广泛,技术最成熟的一种脉冲压缩信号。线性调频脉冲信号的复数表达式为:
式中:A为信号振幅;rect(t/τ)为矩形函数;fc为中心频率;Kf为频率斜率,其图形如图1所示。
信号s(t)的复频谱特性如图2所示,当时间带宽积D=Bτ≫1(带宽B=Kfτ)时,线性调频信号的频谱分布接近矩形,可以近似地表示为:
此时,线性调频信号的相位谱为:
由此可得,线性调频信号s(t)在时间带宽积D≫1时的频谱表达式为:
假设匹配滤波器的幅频特性为H(f),根据匹配条件可知:
式中t0是匹配滤波器的系统延时。令K为归一化系数,即K=1/|S(f)|,则式(5)可写作:
如此,假设匹配滤波器的输出信号为u(t),则其频谱特性U(f)为:
则输出信号u(t)为:
将D=Bτ代入式(8)可得:
脉冲压缩效果如图3所示,τ=20μs,其中B=20 MHz,fc=10 MHz。从式(9)可以看出,匹配滤波器的输出脉冲宽度τ0(顶点下-4 d B处的宽度)近似为调频信号频谱宽度B的倒数,相当于调频信号脉冲宽度的1 D,输出脉冲幅度A0相比于调频信号脉冲幅度A增大倍,即输出脉冲的峰值功率[2,3]比调频信号的峰值功率增大D倍。
正是因为线性调频信号经过脉冲压缩之后,它的峰值功率能够增大D倍,所以即使在复杂噪声环境中,特别是强噪声环境中,当回波信号完全湮没在噪声中,经过脉冲压缩之后依然能够获得有效的脉冲信号。
1.2 复杂噪声环境下的仿真
线性调频信号具有很强的抗干扰性,即使在复杂噪声环境中,经过脉冲压缩之后也能获得脉冲信号。用高斯白噪声模拟环境噪声,线性调频信号参数为:B=20 MHz,fc=70 MHz,τ=20μs,此时脉冲压缩比为D=Bτ=400。如图4所示,当信噪比SNR=-10 d B时,输入的线性调频信号完全湮没在背景噪声中,如果采用脉冲式测距法或相位式测距法,则难以得到所需的距离信息,而采用脉冲压缩法,通过匹配滤波处理,依旧可以获得有效的回波脉冲。经过计算机模拟仿真,当信噪比SNR=-26 d B时,能够获得脉冲信号。随着信噪比变小,获得准确的脉冲信号的概率不断降低。当SNR=-30 d B时,只有约50%的可能获得准确的脉冲信号。
1.3 参数选择对测距的影响
从脉冲压缩后的波形可以看出,波形波峰在波形的中间位置,如果将发射激光到脉冲压缩波峰之间的时间作为激光传播时间t,那么:
式中:x是脉冲压缩之后波峰的相对位置;n是系统对调频信号脉冲的采样点数。显而易见,这比激光脉冲实际的传播时间要长,相差的时间Δt由测距系统决定,所以距离为:
使用脉冲压缩法,线性调频信号的参数选择对测距结果主要有以下几方面的影响:
(1)调频信号压缩比(即时间带宽积),直接影响信号的抗噪声能力。时间带宽积越大,脉冲压缩信号峰值功率与回波有效信号峰值功率比也就越大,从噪声中提取出有效回波信号的能力也就越强。
(2)距离分辨率Δd=c/fN,其中fN为对调频信号采样的采样频率。例如,当采样频率fN=400 MHz时,分辨率为0.75 m;当采样频率fN=1 000 MHz时,分辨率为0.3 m。
(3)脉冲压缩程序设定的测距范围d=(N-n)c/2fN,其中N是脉冲压缩程序设定的可处理的最大数据个数。当采样频率一定时,可以通过增加总的采样数据数目提高系统的测距范围。受到硬件条件的限制,脉冲压缩程序能够处理的数据个数是有限的。
2 信号源及FPGA程序设计
2.1 信号源设计
铌酸锂(Li Nb O3)晶体具有良好的光电效应,较低的半波电压以及较高的响应速度。如图5所示,调频信号发生器可以产生60~80 MHz的线性调频信号,通过增益控制后,利用铌酸锂的光电效应就可以控制由分布式反馈激光器(简称DFB激光器)发射的激光通过铌酸锂晶体之后的输出光功率,从而获得激光线性调频信号。
2.2 FPGA程序设计
由第1节的脉冲压缩推导过程可知,要实现线性调频信号的脉冲压缩,主要有三步:对输入的线性调频信号的傅里叶变换,与匹配函数作乘法运算以及最后对输出信号作傅里叶逆变换。傅里叶变换结构采用“兵乓式”操作,采用两块双口RAM,就像两个乒乓板,数据就如同乒乓球,每经过一次拦网就相当于进行一次蝶形运算,每拍打一次就相当于进行一次数据的写入和读出。由于傅里叶变换和逆变换是顺序进行的,在时间上没有重复性,而且运算过程相似,可以用一个模块依次完成。
脉冲压缩的程序框图如图6所示,回波数据经过采样后存入RAM_A中,然后通过蝶形运算模块分别从RAM_A和旋转因子ROM中读取回波数据和旋转因子,运算后存入RAM_B中,这样就完成了一次蝶形运算。如此循环直到收到结束信号,完成离散傅里叶变换,如式(4)所示。然后通过乘法器将傅里叶变换后的数据与匹配系数ROM中存储的匹配系数作乘积运算,完成匹配运算过程,如式(7)所示。之后重复前面蝶形运算的过程,进行离散傅里叶逆变换。不同的是旋转因子要取共轭,蝶形运算结果乘以0.5,这样就完成了式(8)的过程,最后输出脉冲压缩波形。
将B=20 MHz,fc=70 MHz,τ=20μs的线性调频信号与带有SNR=-20 d B的噪声信号和线性调频信号的混合信号导入FPGA中,经过脉冲压缩后,结果如图7所示。经过FPGA程序处理之后,原本完全湮没于噪声中的回波信号被成功提取出来。
3 结论
通过上述仿真分析可知,线性调频脉冲压缩技术可以极大地提高回波信号的峰值功率,特别是在复杂噪声环境中,使得原本已经被噪声湮没的回波信号在经过脉冲压缩技术处理后,能够重新获得有效的脉冲信号。基于FPGA可以很好地实现脉冲压缩过程。
摘要：脉冲式激光测距和相位式激光测距是目前主要的激光测距方法,但是在复杂噪声环境中,容易因回波信号湮没于噪声中而失效。针对微弱回波信号的提取难题,提出了脉冲压缩式激光测距法。通过发射线性调频的脉冲激光,接收时采用脉冲压缩技术提高脉冲峰值功率,改善信噪比,从而获得湮没于噪声中的回波信号。该方法对于提高测距距离和降低激光功率具有重要的研究意义和应用价值。建立了激光测距中脉冲压缩方法的数学模型,并针对典型高斯白噪声环境进行了仿真,分析了脉冲压缩参数对测距的影响,设计了线性调频的激光信号源并基于FPGA实现了脉冲压缩信号处理。
关键词：激光测距,脉冲压缩,噪声环境仿真,回波信号提取
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