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第1篇

論文摘要：本文論述了激光探測系統信息接口技術；討論了激光探測接口的一般設計思想。

1引言

激光具有波長單一和良好的方向性，所以和傳統的探測方法相比，激光探測具有精度高，抗干擾能力強等特點，在激光測距、激光雷達、激光告警、激光制導、目標識別等軍事領域，都得到了廣泛應用。針對不同武器系統的需求，激光探測系統接口呈現出多樣性。

近年來，隨著應用需求和集成化度的增加，激光探測系內部、激光探測系統和各武器平臺之間集成了不同廠商的硬件設備、數據平臺、網絡協議等，由此帶來的異構性給探測系統的互操作性、兼容性及平滑升級能力帶來了問題。

對激光探測系統而言，接口技術的設計是整個系統集成的關鍵技術。一個激光探測系統的設計、實施，有很大的工作量是在接口的處理上，好的接口設計可以提高系統的穩定性、運行效率、升級能力等，本文以激光探測系統接口技術為研究對象，著重分析其接口技術類型、設計考慮因素和驗證方法。

2激光探測系統幾種主要接口技術

接口是多要素或多系統之間的公共邊界部分，對激光探測系統的接口包括機械接口、電氣接口、電子接口、軟件接口等，本文著重討論電子接口。按物理電氣特性劃分，常用的激光探測系統接口類型可分為以下幾類：

1TTL電平接口：最通用的接口類型，常用做系統內及系統間接口信號標準。驅動能力一般為幾毫安到幾十毫安，在激光探測系統中主要應用是作為長距離的總線數據和控制信號的傳輸

2CMOS電平接口：速度范圍與TTL相仿，驅動能力要弱一些。

3ECL電平接口：為高速電氣接口，速率可達幾百兆，但相應功耗較大，電磁輻射與干擾與較大。

4LVDS電平接口：在標準中推薦的最大操作速率是655Mbps，電流驅動模式，信號的噪聲和EMI都較小。

5GTL接口電平：低電壓，低擺幅，常用作背板總線型信號的傳輸，雖然使用頻率一般在100MHz以下，但上升沿一般都比較陡，特別是對沿敏感的信號，如時鐘信號。

6RS-232電平接口：為低速串行通信接口標準，電平為±12V，用于DTE與DCE之間的連接。RS-232接口采用不平衡傳輸方式，收、發端的數據信號是相對于信號地的電平而言，其共模抑制能力低，傳輸距離近，多用于點對點接口通訊。

7RS-422/RS-485接口：采用平衡方式傳輸，采用差分方式，使其在通訊速率、抗干擾性和傳輸距離較RS-232接口有較大改善。多用于多點接口通迅。RS485電平接口可驅動32個負載，忍受-7V到12V共模干擾。

9光隔離接口：能實現電氣隔離，更高速率的器件價格較昂貴。

10線圈耦合接口：電氣隔離特性好，但允許信號帶寬有限

11以太網：經常采用的是10Base-T和100Base-T兩種主流標準，主要應用激光探測系統和分系統之間的接口通訊和數據傳輸。以太網接口具有性價比高、數據傳輸速率高、資源共享能力強和廣泛的技術支持等眾多優點。

12USB接口：USB總線接口是一種基于令牌的接口，USB主控制器廣播令牌，總線上的設備檢測令牌中的地址是否與自身相符，通過發送和接收數據對主機作出響應，其最大的優點是安裝配置簡單。

3激光探測系統接口方案設計考慮因素

隨著大規模數字處理芯片和高速接口芯片的迅猛發展，激光探測系統也呈現出智能化、小型化、模塊化的趨勢。在激光探測系統中，信息接口的設計逐漸向標準化、網絡化、多節點、高速等方向展

3.1接口信號傳輸中的干擾噪聲

3.1.1接口信號傳輸中的主要干擾形式

a)串模干擾：雜散信號通過感應和輻射的方式進入接口信道的干擾。串模干擾的產生原因主要是傳輸中插件等所產生的接觸電勢、熱電勢等噪聲引起的。

b)共模干擾：干擾同時作用在兩根信號往返線上，而且幅指相同。共模干擾產生的原因，主要是傳輸線路較長，在發送端和接收端之間存在著接地的電位差。

3.1.2接口信號傳輸中的抗干擾措施

a)傳輸線的選擇

為了抑制由于雜散電磁場通過電磁感應和靜電感應進入信道的干擾，接口傳輸線應盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地，而且屏蔽層的接地要于激光探測系統一端浮地的結構形式配合，不要將屏蔽線層當作信號線和公用線。

b)傳輸線的平衡和匹配

采用平衡電路和平衡傳輸結構是抑制共模干擾的有力措施。目前廣泛使用的是差分式平衢性線電路，例如RS-422/RS-485標準串口電路。

接口信號傳輸時還要考慮與傳輸線特性阻抗的匹配問題。一般長線傳輸的驅動器接收器都適用于驅動特性阻抗為50Ω—150Ω的同軸電纜和雙絞線，一般接口接收器的輸入阻抗要比傳輸線的特性阻抗大，因此要設法將兩者匹配，最好將發送端和接收端匹配。

控制信號線的具體配置：控制信號線要和強電、數據總線、地址總線分開，盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地。

c)隔離技術：電位隔離是常用的抗干擾方法，接口信號采用光電隔離和電磁隔離可以切斷接口內外線路的電氣連接，從而減弱露流、地阻抗耦合等傳導性干擾的影響。3.2接口硬件的選擇原則：

3.2.1為各類接口選擇合適的總線接口芯片、接口總線，并設計具體的接口電路。

3.2.3選擇接口芯片時應根據激光探測系統CPU/MPU類型，總線類型／寬度和系統所完成的功能并按照高效、經濟、可靠，方便、簡單的原則來確定。

3.2.4設計具體的接口電路應具體考慮電源問題

3.2.5數據／命令的鎖存和驅動

激光探測系統內部及激光探測系統和其他系統間實施數據／命令傳輸時，一般采用數據鎖存技術來適應雙方讀寫的時間要求。

3.3接口的實時性

由于激光探測系統對數據處理和傳輸的實時性要求很高，設計時要使時鐘抖動、通道間時延、工作周期失真以及系統噪聲最小化，所以設計接口時盡量選用高通訊速率和同步工作方式。

接口軟件的設計原則

同步通訊系統軟件設計要充分考慮數據流量的控制，最好在數據發送方發送數據時每隔一段時間插入一段空閑時間，從而保證數據同步傳輸的可靠性。

異步通訊系統軟件設計要充分考慮合理的數據校驗方式，可以根據系統要求選擇冗余校驗、校驗和、冗余校驗的方法。

4激光探測系統接口方案設計驗證

構建高速有效的激光探測系統接口是非常有挑戰性的，并且設計者需要在設計接口前后就考慮多個因素，詳細的系統級的驗證都是必須的。

4.1設計前的驗證

基于指令集模擬器和硬件模擬器軟硬件模擬技術是一種高效、低代價的系統驗證方法。接口設計軟件采用匯編，C，C++等語言編寫，用戶編寫的接口源程序經過交叉編譯器和連接器編譯，輸入到軟件指令集模擬器進行軟件模擬。而接口硬件驗證則采用硬件描述語言如VHDL設計，經過編譯后由硬件模擬器模擬。但設計前的驗證也有一定的局限性，比如只能驗證數字接口和驗證環境理想化等缺點。這些都需要設計后的驗證

4.2設計后的驗證

最常見的驗證方法是制作模擬激光探測系統內部接口和系統間外部接口的通用信號源，通用信號源可以模擬探測系統內部的如主回波、時統、顯示、鍵盤等信號，也可以模擬輸入外部操控命令，并將激光探測系統狀態、測量數據等信息顯示輸出。

4.3通過驗證，發現問題，修改設計，然后再模擬，最終完成滿足要求的軟硬件接口設計。

第2篇

0引言

激光熔覆技術是20世紀70年代隨著大功率激光器的發展而興起的一種新的表面改性技術，是指激光表面熔敷技術是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化,光束移開后自激冷卻形成稀釋率極低,與基體材料呈冶金結合的表面涂層,從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強化方法[1~3]。如對60#鋼進行碳鎢激光熔覆后，硬度最高達2200HV以上，耐磨損性能為基體60#鋼的20倍左右。在Q235鋼表面激光熔覆CoCrSiB合金后，將其耐磨性與火焰噴涂的耐蝕性進行了對比，發現前者的耐蝕性明顯高于后者[4]。

激光熔覆技術是一種經濟效益很高的新技術,它可以在廉價金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質，降低成本,節約貴重稀有金屬材料，因此,世界上各工業先進國家對激光熔覆技術的研究及應用都非常重視[1-2、5-7]。

1激光熔覆技術的設備及工藝特點

目前應用于激光熔覆的激光器主要有輸出功率為1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。對于連續CO2激光熔覆,國內外學者已做了大量研究[1]。近年來高功率YAG激光器的研制發展迅速,主要用于有色合金表面改性。據文獻報道,采用CO2激光進行鋁合金激光熔覆,鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形,甚至塌陷[1]。YAG激光器輸出波長為1.06μm,較CO2激光波長小1個數量級,因而更適合此類金屬的激光熔覆。

同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[8]

激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類:粉末預置法和同步送粉法。兩種方法效果相似,同步送粉法具有易實現自動化控制,激光能量吸收率高,無內部氣孔,尤其熔覆金屬陶瓷,可以顯著提高熔覆層的抗開裂性能,使硬質陶瓷相可以在熔覆層內均勻分布等優點。

激光熔覆具有以下特點[2、9]：

(1)冷卻速度快(高達106K/s),屬于快速凝固過程,容易得到細晶組織或產生平衡態所無法得到的新相,如非穩相、非晶態等。

(2)涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結合或界面擴散結合，通過對激光工藝參數的調整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控;

(3)熱輸入和畸變較小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時,變形可降低到零件的裝配公差內。

(4)粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金;

(5)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,

(6)能進行選區熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價格比;

(7)光束瞄準可以使難以接近的區域熔敷;

(8)工藝過程易于實現自動化。

很適合油田常見易損件的磨損修復。

2激光熔覆技術的發展現狀

激光熔覆技術是—種涉及光、機、電、計算機、材料、物理、化學等多門學科的跨學科高新技術。它由上個世紀60年代提出,并于1976年誕生了第一項論述高能激光熔覆的專利。進入80年代,激光熔覆技術得到了迅速的發展,近年來結合CAD技術興起的快速原型加工技術,為激光熔覆技術又添了新的活力。

目前已成功開展了在不銹鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰口鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面鈷基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件。鈷基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷涂層在高溫下有較高的強度,熱穩定性好,化學穩定性高,適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在滑動磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下,純的鎳基、鈷基和鐵基合金粉末已經滿足不了使用工況的要求,因此在合金表面激光熔覆金屬陶瓷復合涂層已經成為國內外學者研究的熱點,目前已經進行了鋼、鈦合金及鋁合金表面激光熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷涂層的研究[1、10]。

3激光熔覆存在的問題

評價激光熔覆層質量的優劣,主要從兩個方面來考慮。一是宏觀上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應測定表面熔覆層化學元素的種類和分布,注意分析過渡層的情況是否為冶金結合,必要時要進行質量壽命檢測。

目前研究工作的重點是熔覆設備的研制與開發、熔池動力學、合金成分的設計、裂紋的形成、擴展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結合力等。

目前激光熔敷技術進一步應用面臨的主要問題是:

①激光熔覆技術在國內尚未完全實現產業化的主要原因是熔覆層質量的不穩定性。激光熔覆過程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達1012℃/s。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數的差異,可能在熔覆層中產生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度[1]。

②光熔敷過程的檢測和實施自動化控制。

③激光熔覆層的開裂敏感性，仍然是困擾國內外研究者的一個難題，也是工程應用及產業化的障礙[1、11]。目前，雖然已經對裂紋的形成擴進行了研究[1]，但控制方法方面還不成熟。

4激光熔覆技術的應用和發展前景展望

進入20世紀80年代以來,激光熔敷技術得到了迅速的發展,目前已成為國內外激光表面改性研究的熱點。激光熔敷技術具有很大的技術經濟效益,廣泛應用于機械制造與維修、汽車制造、紡織機械、航海[12]與航天和石油化工等領域。

目前激光熔覆技術已經取得一定的成果,正處于逐步走向工業化應用的起步階段。今后的發展前景主要有以下幾個方面:

(1)激光熔覆的基礎理論研究。

(2)熔覆材料的設計與開發。

(3)激光熔覆設備的改進與研制。

(4)理論模型的建立。

第3篇

在前面的分析中，本文具體討論了光學細分系統的設計方案。運動距離測量實驗選取光學四細分的光學系統，實驗系統如圖6所示。系統分為光路部分和信號處理部分。mW和0．5mW，反射鏡M4由硅片制成，其反射率大約為0．4。硅片反射鏡M4可調節反射方向。角錐棱鏡M1、M2和M3的型號為Agilent10767A，具有非常好的光學性能。測量導軌選用的是PI公司的M－5x1．DD型號。二維精密電控平移臺（直流電機驅動）單向重復定位分辨率達0．1μm，直線度參數為0．1μm／200mm，最高運行速度50mm／s，量程為200mm。2個測量角錐棱鏡被安裝在導軌上，通過PI公司的控制軟件在計算機上對導軌的運動進行控制，實現對外腔長度的改變。通過運動距離測量結果與PI導軌運動參數的一致性可驗證測量方案的可行性。信號處理部分中，由PD探測到的激光自混合干涉信號首先由低噪聲前置放大器（Standford，SR560C）進行濾波和放大，一路送入示波器而另一路接著由NI公司的數據采集卡（NI6251）進行AD轉換。采集到的數字信號送入PC機中由專業的數據分析軟件（LabVIEW）實現信號再次細分以及實時處理重構目標物體的運動距離。測量過程中，示波器可定性觀察光學細分的現象，而數據采集卡采集到的信號經過計算機的處理可進行運動距離測量。

2實驗過程與結果分析

實驗在同一測量環境條件下進行：恒溫（20℃±1℃），恒濕（50％±3％）。使激光器預熱2h，激光波長穩定在632．8334nm，讓導軌以某一速度勻速運動，然后對采集的信號加入電子五細分處理。在本實驗系統中，由自混合干涉光路細分原理可知，一個條紋對應的運動距離為λ／8，將此波形通過閾值為0的比較器后得到對應的方波信號，再將方波信號n細分，通過計數方波的個數來得到外部物體實際的運動距離。這樣處理后，可以得到的分辨率為λ／8n。一個周期內的正弦波通過過零比較器整形成方波信號，五細分后的波形如圖7所示。這樣通過計數的方法就可以再次提高分辨率。此外，細分處理前對干涉信號進行了整形，可以顯著增強對于疊加在自混合干涉信號上的高斯噪聲的抗干擾能力，使測量結果更加穩定可靠。在數字域進行細分時，將上面得到的方波信號改寫成二進制碼（1111100000），然后將其右移9次，將其奇數次和偶數次的右移結果兩兩異或，則可以得到（1010101010），即對應的五細分信號及其互補信號（0101010101），實現了對原自混合干涉信號的細分。將PD探測到的微弱信號進行電流－電壓（I－V）轉換后，變成電壓信號，經高通電路去直流后，再經放大電路放大，通過NI公司的數據采集卡USB－6251采集，在PC機上編寫LabVIEW程序進行細分計數處理。信號經數字域電子細分后，進行計數后就可以重構并顯示物體的實時運動距離。測量實驗使用PI精密導軌對實時測量數據進行校準。導軌的移動范圍設置為0～200mm，每次勻速步進20mm，移動速度設置為5mm／s，步進10次，每次導軌的示數作為標準；該運動過程由電機自動完成，系統對每次的步進長度進行自動測量記錄并給出實時誤差，連續記錄幾十組，選擇其中的5組實驗數據進行分析。通過擬合曲線與誤差分析可以看出，實驗結果與實際運動距離有良好的線性關系，且重復性非常的好，實現了使用光學細分與電子細分相結合的方法對物體的運動距離進行實時監測，實驗結果與理論分析吻合。

3討論

激光器作為測量光路的一部分而不能成為一個獨立的、波長穩定的光源，其穩定性對測量準確度有很大的影響。空氣折射率的變化和角錐棱鏡的直角誤差也會影響系統的測試精度。1）激光器頻率穩定性帶來的累計誤差。實驗中的氦氖激光器輸出光在空氣中傳播的中心波長為632．8334nm，短期頻率穩定性為1．5×10－6，因此，在沒有反饋時，激光器波長穩定性為δλ＝λδν／ν≈0．9492×10－6μm。當自混合效應反饋系數很低時，頻率波動極小。理論計算表明，當外腔長度在百毫米量級時，波長穩定度可以達到10－8的測量準確度，測量不確定度小于0．4μm［9－10］。2）空氣折射率變化帶來的誤差。測量環境的初始條件：空氣壓強101325Pa，室溫20℃，濕度1333Pa。測量過程中，由溫度、濕度以及壓強傳感器可知，只有環境溫度會有最大不超過1℃的改變。因此得到折射率的變化為δn≈0．929×10－6。當測量長度為200mm時，測距不確定度小于0．3μm［9］。3）角錐棱鏡的直角誤差。角錐棱鏡的直角誤差會直接影響其對光路的反射特性。對于Agilent10767A型號的角錐棱鏡，其3個直角誤差δθ＜5″。玻璃的折射率為1．56，則測量長度為200mm的測距誤差小于0．002μm［11］。由于本實驗系統存在3個角錐，則測距不確定度應小于0．006μm。由以上討論可以知道，影響測量精度的最大因素來自于激光的頻率的穩定度。理論上實驗系統的測量分辨率可達到波長的1／40。而實際上，受制于激光頻率的穩定程度，在弱反饋條件下，百毫米量級運動距離的測量只能達到微米級的測量精度。

4結語