一种可变帧率的激光吸收光谱层析成像系统
专利汇可以提供一种可变帧率的激光吸收光谱层析成像系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出一种可变 帧 率的激光吸收 光谱 层析成像 系统，包括层析成像 传感器 、 激光器 控 制模 块 、可调谐 二极管 激光器、 数据采集 模块、主控模块和计算机等；由同一时钟源为激光器 控制模块 、数据采集模块、主控模块提供工作时钟基准，保证模块间的同步工作；由主控模块为激光器控制模块和数据采集模块提供触发 信号 ，通过固定激光器的单次扫描时间，调整扫描间隔以适应触发信号 频率 ，实现系统成像帧率调节，减小激光器扫描过程中待测区域随时间变化的扰动对光强测量的影响，同时数据采集模块在激光扫描期间进行采集，在其搭载的外部 存储器 中缓存高速数据流；该系统可用于重建被测区域 温度 和气体浓度的二维分布，在燃烧诊断等领域具有广阔的应用前景。，下面是一种可变帧率的激光吸收光谱层析成像系统专利的具体信息内容。
1.本发明提出一种可变帧率的激光吸收光谱层析成像系统，包括层析成像传感器、激光器控制模块、可调谐二极管激光器、数据采集模块、主控模块和计算机等；激光器控制模块、数据采集模块、主控模块集成在一个CPCI机箱内，由同一时钟源为激光器控制模块、数据采集模块、主控模块提供工作时钟基准，保证各模块间的同步工作；由主控模块为激光器控制模块和数据采集模块提供触发信号，通过固定激光器的单次扫描时间，调整扫描间隔以适应触发信号频率，实现系统成像帧率调节，以减小激光器扫描过程中待测区域随时间变化的扰动对光强测量结果的影响，同时数据采集模块在激光器扫描期间进行采集，在采集模块搭载的外部存储器中缓冲高速数据流，避免数据丢失；该系统可用于重建被测区域温度和气体浓度的二维分布，在燃烧诊断等领域具有广阔的应用前景。
2.基于权利要求1提出一种可变帧率的激光吸收光谱层析成像系统，其特征在于系统中的激光器控制模块104、数据采集模块106、主控模块107集成在一个CPCI机箱内，通过CPCI总线601进行通信，由同一时钟源为激光器控制模块104、数据采集模块106、主控模块
107提供工作时钟基准，保证各模块间的同步工作；时钟源可以由主控模块107或单独的时钟模块给出，通过CPCI总线601进行传输，并分发给CPCI机箱内的其他模块，该时钟源作为CPCI机箱内其他模块的的时钟参考；
主控模块107用于和计算机108的通信，接收计算机108下发的指令，并据此通过CPCI总线601向激光器控制模块104、数据采集模块106发送指令，激光器控制模块104根据指令对可调谐二极管激光器105进行控制，数据采集模块106对层析成像传感器101中的光电探测器阵列103的输出信号进行量化采集；主控模块107通过CPCI总线601接受激光器控制模块
104、数据采集模块106的结果反馈；数据采集模块106采集到的数据或处理后的数据发送到主控模块107，然后USB接口402传输到计算机108；主控模块的核心芯片FPGA 401的控制逻辑中包括一个触发模块403，所述的触发模块用于产生一定频率的触发信号201，所述的触发信号由FPGA 401内的锁相环和分频计数器生成，用于触发激光器控制模块104和数据采集模块106；
激光器控制模块104用于控制可调谐二极管激光器105的工作，激光器控制模块上搭载了电流控制回路和温度控制回路，可以对可调谐二极管激光器105的扫描电流和工作温度进行精确控制；其中温度控制回路用于稳定可调谐二极管激光器105的温度，使其到达并稳定于设定的目标工作温度；电流控制回路用于改变稳定可调谐二极管激光器105的注入电流，从而控制其扫描波长和输出功率，按照设定的扫描波形进行扫描；可调谐二极管激光器
105输出的激光经过分束耦合等过程连接到激光发射装置102；激光器控制模块104、可调谐二极管激光器105的数量依据所选吸收谱线数量调节，不局限于1个；激光器控制模块104安装于CPCI机箱内，现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array)FPGA 301输出一个设定的数字化的波形信号(比如锯齿波)到数模转换器DAC 302，将其转换为电流信号，驱动器303对该电流信号进行放大后产生用于驱动可调谐二极管激光器105的电流，并将该电流通过DFB激光器夹具306注入可调谐二极管激光器105；同时FPGA 301输出一个数字化的温度设定值到数模转换器DAC 304，将其转换为电压信号作为驱动器305的一个输入，可调谐二极管激光器105内部的热敏电阻的温度反馈信号作为驱动器305的另一个输入，两个输入的差值用于驱动器305的实际输入，驱动器305用于调整注入可调谐二极管激光器105内部的热电效应制冷器件的电流，进而实现对可调谐二极管激光器105的加热或制冷，使得其温度与设定值保持一致；可调谐二极管激光器105安装于DFB激光器夹具306；
FPGA 301通过CPCI接口307和CPCI总线601和主控模块的FPGA 401实现通信，接收指令并返回激光器的工作参数；可调谐二极管激光器105的输出通过光纤耦合到层析成像传感器101搭载的激光发射装置102，将激光整形发射穿过待测区域后，照射到探测器阵列103；
数据采集模块106用于量化光电探测器阵列103输出的模拟信号，对包含吸收谱信息的透射激光强度信号进行实时采样，其上搭载了片上存储器DDR SDRAM 502，对高速数据进行缓冲；数据采集模块上的处理器FPGA 501可以对透射激光强度信号做进一步处理，处理器包括但不局限于FPGA，处理方式包括但不局限于信号平均、特征提取；光电探测器阵列103输出的电压信号通过屏蔽线输入数据采集模块信号输入505接口后经过调理电路504，对信号进行滤波放缩等处理使之处于模数转换芯片ADC 503的输入量程范围内，ADC 503将之转换为数字信号后输入到FPGA 501，由于CPCI总线带宽有限，数据采集模块搭载了片上存储器DDR SDRAM 502，FPGA 501的控制逻辑将之虚拟化为一个先入先出队列FIFO，ADC 503输入到FPGA 501的高速数据流可以缓存进入FIFO，即DDR SDRAM 502，之后再通过FPGA 501对数据进行读取并通过CPCI接口307和CPCI总线601发送到主控模块107；在数据采集过程中，DDR SDRAM 502中的数据在高速数据流带宽高于CPCI带宽时会发生堆积，因此FPGA 501的控制逻辑需要负责计算DDR SDRAM 502的实时剩余容量，及时暂停数据流的写入，保证虚拟化的FIFO不会发生数据溢出。
3.基于权利要求1提出一种可变帧率的激光吸收光谱层析成像系统，其特征在于激光器的单次扫描时间固定，通过调整扫描间隔改变系统的成像帧率；
触发信号201来自主控模块107，触发信号时间间隔为Tr；激光器的扫描过程202的时间是固定的，完成一次扫描的扫描时间为Ts；两次扫描之间为激光器的等待过程203的时间为Tr-Ts；
主控模块107生成一定时间间隔Tr的触发信号201，发送到激光器控制模块104和数据采集模块106，激光器控制模块104接收到触发信号201后，立即控制可调谐二极管激光器105按照预设的扫描波形进行扫描，FPGA 301内部锁相环生成的计时模块308进行计时，扫描过程在Ts内完成，之后可调谐二极管激光器105处在不发光状态，时间为Tr-Ts直到接收到新的触发信号201；数据采集模块106接收到触发信号201后，立即对光探测器阵列103的输出按照一定采样率进行量化采集，FPGA501内部锁相环生成的计时模块507进行计时，使得采样时间为Ts，之后数据采集模块106处在不采集状态，时间为Tr-Ts直到接收到新的触发信号
201；此过程不断循环直到数据采集模块106搭载的片上存储器DDR SDRAM 502容量用尽；
扫描过程202的持续时间Ts可以根据所选可调谐二极管激光器105的工作特性确定，测量前需要测试可调谐二极管激光器105的频率响应特性，确定合适的扫描时间Ts，以覆盖测量吸收光谱所需的足够波数范围；触发信号的时间间隔Tr大于等于扫描时间Ts，可变帧率的激光吸收光谱层析成像系统的帧率最高可达1/Ts。
一种可变帧率的激光吸收光谱层析成像系统
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
301输出一个设定的数字化的波形信号(比如锯齿波)到数模转换器DAC302，将其转换为电流信号，驱动器303对该电流信号进行放大后产生用于驱动可调谐二极管激光器105的电流，并将该电流通过DFB激光器夹具306注入可调谐二极管激光器105；同时FPGA 301输出一个数字化的温度设定值到数模转换器DAC 304，将其转换为电压信号作为驱动器305的一个输入，可调谐二极管激光器105内部的热敏电阻的温度反馈信号作为驱动器305的另一个输入，两个输入的差值用于驱动器305的实际输入，驱动器305用于调整注入可调谐二极管激光器105内部的热电效应制冷器件的电流，进而实现对可调谐二极管激光器105的加热或制冷，使得其温度与设定值保持一致；可调谐二极管激光器105安装于DFB激光器夹具306；
FPGA301通过CPCI接口307和CPCI总线601和主控模块的FPGA401实现通信，接收指令并返回激光器的工作参数。
503输入到FPGA 501的高速数据流可以缓存进入FIFO，即DDR SDRAM 502，之后再通过FPGA
501对数据进行读取并通过CPCI接口307和CPCI总线601发送到主控模块107；在数据采集过程中，DDR SDRAM 502中的数据在高速数据流带宽高于CPCI带宽时会发生堆积，因此FPGA
501的控制逻辑需要负责计算DDR SDRAM 502的实时剩余容量，及时暂停数据流的写入，保证虚拟化的FIFO不会发生数据溢出。
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