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Design of the Image Lidar Control System
摘要：介绍了基于单片机的成像激光雷达控制系统的工作原理，并着重讨论了系统硬件和软件的实现方法。系统采用PIC16F877单片机为核心，配置以可编程延时器、脉宽发生器以及控制电路，从而实现了成像激光雷达对不同高度回波信号的探测能力。
关键字：单片机；激光雷达；测量系统
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
激光雷达是测量大气参数的重要手段，为了得到不同高度的大气信息，需要对不同距离的激光回波信号进行探测，传统激光雷达是基于光电倍增管或光子计数器作为探测器的，因此控制系统只要对出光时间进行检测，再延时适当时间（不要求特别精确），打开倍增管或光子计数器，即可得到所需信息。但这种雷达所能得到的信息不能完全满足需要，所以近年来又发展了成像激光雷达来获得更多的大气信息。但成像激光雷达比较复杂，需要对系统的各部分进行协调。因为光速极高，很小的时间误差就会带来很大的测量误差，所以就要求控制精度达到纳秒量级。
近年来，单片机在我国的许多领域得到了广泛的应用，其优良的性价比适合于成像激光雷达控制系统的要求。因此利用单片机对激光雷达进行控制是实现激光雷达高度自动化、并最终实现无人职守的有效手段。
1. 成像激光雷达原理与控制方案设计
1.1 成像激光雷达原理
与传统的能量探测激光雷达不同，成像激光雷达有其自身的特点。图1是湍流廓线激光雷达测量原理图，它是基于瑞利信标原理，即由发射系统发射一聚焦激光束，利用焦点处的后向散射信号作为一个瑞利信标，作为接收系统的信标。
图1 测量原理图
图中Z为探测高度，它与探测器曝光开启时刻相对于激光发射时刻的延时Td的关系为
 (1)
其中C为光速。Td为探测光柱长度，它与探测器曝光闸门开启时间宽度Tp的关系为
 (2)
1.2 控制方案设计
根据系统原理的描述，我们可以得到控制系统的时序关系，如图2所示。
图2 控制系统时序
从图2可以看出，当探测器CCD采集完信号后，一方面它要将视频信号输送到计算机进行处理，同时还要分离出场同步信号来触发激光器，用来保证激光器与探测器CCD同步。当激光器发射出脉冲的同时，要检测出出光时刻，输出出光信号，用来触发延时器和可编程脉宽发生器，延时时间与探测高度有严格的对应关系，脉宽宽度决定了探测光柱的长度，这些分别有（1）、（2）式决定。
本系统设计以单片机为核心，通过它来检测CCD的同步信号以及激光器的出光信号，并控制激光器的出光以及延时器、脉宽发生器等。系统功能框图如图3。
图3 系统功能框图
2. 系统硬件设计
本系统采用PIC16F877单片机作为控制核心，控制系统主要包括单片机、数据锁存器、延时器、脉宽发生器等部件。
系统硬件设计如图4。
PIC16F877单片机具有在线编程能力，可以根据需要随时修改内部程序，优化性能或扩充功能。单片机通过计算机并口与主控计算机通讯。为了保证通讯的可靠性，通讯采用双向通讯，当主控计算机在发送数据前，首先检测控制器有无准备好接收数据，当数据发送完毕后，控制器返回应答信号，并立即进行数据处理，数据处理完后，再向主控计算机发送信号，通知主控计算机已准备好接收下一组数据。为了节约单片机的资源，只使用单片机的PORTB口，8路信号中，1路做应答信号，其余7路作为数据传送信号使用。指令说明如表1。
图4 系统硬件设计图
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