張 珍

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

為長期有效的探測到高空鈉層熒光，必須使脈沖染料激光器的輸出激光波長長期穩(wěn)定在鈉原子的共振波長上。但由于溫度、氣壓、振動等原因，染料激光器在工作時(shí)波長很容易偏離這一數(shù)值。通常采用人工手動調(diào)整波長的方式，但這不僅增加了激光器運(yùn)行的復(fù)雜程度，還會造成人為誤差因素，影響探測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

激光器在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用十分廣泛，如在共振熒光激光雷達(dá)和差分吸收激光雷達(dá)中，都要求使用可調(diào)諧脈沖激光器，脈沖染料激光器就是其中最常用的一種［1］。在這類激光雷達(dá)中，不僅要求脈沖染料激光器的波長能準(zhǔn)確地調(diào)整到被探測原子分子的吸收波長上，而且要求它一經(jīng)調(diào)定就長期穩(wěn)定不變。后一要求通常很難達(dá)到。目前，在工程應(yīng)用上，一般是采用在激光雷達(dá)工作過程中定期地對其輸出波長進(jìn)行人為的校正調(diào)整。校正調(diào)整越頻繁，激光雷達(dá)探測精度越高。這種辦法不僅非常麻煩，而且在兩次校正調(diào)定之間，激光雷達(dá)的探測精度也會受到波長漂移的影響。

1 激光穩(wěn)頻自動控制的需求分析

由于激光器產(chǎn)生的激光與基準(zhǔn)源進(jìn)行比較，獲得一個(gè)與激光波長對應(yīng)的模擬信號，要想獲得此模擬信號大小，必須采用模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）對其進(jìn)行量化，將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號處理與分析，最后反饋控制激光器的發(fā)射激光波長。不僅如此，由于激光的脈沖寬度為數(shù)十納秒（～10ns），其激發(fā)的共振熒光也在幾個(gè)微秒以內(nèi)，因此，必須采用高速AD轉(zhuǎn)換才能準(zhǔn)確獲得此脈沖信號的峰值。

2 激光穩(wěn)頻自動控制的方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻自動控制，我們使用一種原子分子穩(wěn)頻的脈沖染料激光器，該激光器采用一種原子分子頻率基準(zhǔn)源對輸出脈沖染料激光進(jìn)行鑒頻和穩(wěn)頻。提供該激光器的穩(wěn)頻方法，該方法通過微處理器對鑒頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理獲得激光頻率偏離的誤差信號，通過反饋控制光柵轉(zhuǎn)角，達(dá)到將脈沖染料激光器的輸出頻率長期穩(wěn)定在原子分子頻率基準(zhǔn)的目的。穩(wěn)頻電路采用智能控制，而不采用通常的差分或鎖相模擬電路控制，提高了穩(wěn)頻激光器的抗干擾能力和自動化程度，有利于提高它在共振熒光和差分吸收激光雷達(dá)中應(yīng)用的效果［2］。其原理框圖如圖1所示。

圖1 脈沖染料激光器原子穩(wěn)頻原理框圖

其原理為：從染料激光器的輸出光中分出一小部分送入鈉原子共振泡中，共振泡輸出信號的大小代表染料激光器的波長與鈉原子共振波長的一致程度。該信號經(jīng)過放大和適當(dāng)延時(shí)后，送入采樣保持電路，將原子共振泡脈沖輸出信號的峰值變成相應(yīng)的直流信號。該直流信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)不停地通過該直流信號的變化來判斷染料激光器的波長與鈉原子共振波長的相對關(guān)系，并通過快速控制染料激光器的波長調(diào)節(jié)元件，使染料激光器的波長一直處在與鈉原子共振波長一致的狀態(tài)。

3 激光穩(wěn)頻自動控制電路中元器件的選取

AD781采用低功耗八腳小型DIP封裝，非常適用于高密度布局電路。AD781能在700ns時(shí)間內(nèi)跟蹤輸入信號并達(dá)到滿量程，其保持誤差僅為0.01μV／μs，并具有很好的線性和優(yōu)良的直流和動態(tài)性能。因此AD781也非常適合12bit和14bit高速采樣保持放大器。AD781是一種完整的采樣保持放大器，它內(nèi)含保持電容，無需外接元件與外部調(diào)整。AD781采樣保持放大器在精度和速度方面十分適用于12bit AD轉(zhuǎn)換器。它具有快速的采樣和保持建立時(shí)間，并有良好的驅(qū)動能力，因此AD781適用于快速、高精度的AD應(yīng)用場合。

經(jīng)過ADC量化后的數(shù)字量要送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號處理與分析，由于CPU與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設(shè)之間按串行方式傳輸，因此，在串行接口中，必須要有接收移位寄存器（串→并）和發(fā)送移位寄存器（并→串）。為了完成上述串行接口的任務(wù)，串行通信接口電路一般由可編程的串行接口芯片、波特率發(fā)生器、EIA與TTL電平轉(zhuǎn)換器以及地址譯碼電路組成。其中，串行接口芯片隨著大規(guī)模繼承電路技術(shù)的發(fā)展，通用的同步（USRT）和異步（UART）接口芯片種類越來越多，它們的基本功能是類似的，都能實(shí)現(xiàn)上面提出的串行通信接口基本任務(wù)的大部分工作，且都是可編程的。使用這些芯片作為串行通信接口電路的核心芯片，會使電路結(jié)構(gòu)比較簡單。使用MAX232芯片可以將PC機(jī)串行口的RS－232C電平轉(zhuǎn)換為TTL標(biāo)準(zhǔn)電平。對于TTL電平轉(zhuǎn)換器則采用了RS－485通信芯片來實(shí)現(xiàn)。

4 硬件制作與軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

此次設(shè)計(jì)的硬件部分在Protel DXP 2004環(huán)境中實(shí)施，首先根據(jù)每個(gè)芯片的特性繪制電路原理圖及元器件封裝，然后由原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表，最后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)表繪制PCB板。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為Kiel51軟件編程、asm匯編語言、C語言、編程器和Labview軟件編程設(shè)計(jì)［3］等。其中圖形化編程語言LabVIEW的出現(xiàn)為串口調(diào)試與數(shù)據(jù)分析帶來了極大方便。

5 基于AD采樣的激光穩(wěn)頻自動控制電路的自動穩(wěn)頻測試

綜合上面軟硬件部分的設(shè)計(jì)該原子穩(wěn)頻脈沖染料激光器已經(jīng)正常運(yùn)行。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該穩(wěn)頻方法十分有效。首先，使用該穩(wěn)頻器后，一個(gè)晚上可以不用人為調(diào)整染料激光器的波長。其次，從激光雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)來看，一個(gè)晚上的穩(wěn)定性非常優(yōu)越，比人為調(diào)整時(shí)信號信號隨調(diào)整者變化好得多。另外為了檢驗(yàn)波長調(diào)節(jié)是否準(zhǔn)確，在觀察波長調(diào)節(jié)期間，當(dāng)每次波長自動調(diào)整好后，根據(jù)平時(shí)調(diào)節(jié)波長的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行兩者對比，發(fā)現(xiàn)波長最大誤差范圍不超過0.2格，這也就是人眼能調(diào)節(jié)的最大靈敏度范圍，如果不仔細(xì)調(diào)節(jié)，手動調(diào)節(jié)誤差要比0.2格大得多。通過采用上述這些技術(shù)措施，既提高了鈉層熒光激光雷達(dá)的性能，又提高了其自動化和實(shí)用化程度，為晝夜連續(xù)觀測提供了保障。

6 結(jié) 語

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，在越來越多的領(lǐng)域都用到了AD采樣、串口通信以及激光技術(shù)來傳輸信號，它們與一般的技術(shù)相比有一個(gè)最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是傳輸速度快，能更好的對議器設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，能夠提高工作效率。因此在以后的發(fā)展中AD采樣和串口通信會在越來越多的設(shè)備中被用到。在實(shí)際應(yīng)用中。我們可以充分利用串口通信、AD采樣使其完成遠(yuǎn)程監(jiān)控、工業(yè)勘測等多種功能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)軍事國防等。同時(shí)將LabVIEW軟件開發(fā)與串口通信結(jié)合設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制硬件設(shè)備，不僅能節(jié)約大量開發(fā)時(shí)間和減少硬件成本，還可以為今后的系統(tǒng)升級留有很大空間，同時(shí)還使得系統(tǒng)具有很好的可移植性。

1 陳楊骎，楊曉華.激光光譜測量技術(shù)［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社.2006年第1版

2 程學(xué)武，李發(fā)泉，宋娟等.原子分子穩(wěn)頻的脈沖染料激光器及其穩(wěn)頻方法［P］.中國，發(fā)明專利.申請?zhí)枺?00510019816.X

3 楊樂平，李海濤，肖相少等.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2001