云粒子成像仪CPI（Cloud Particle Imager）

一、操作原理
- 1.1 光学系统说明
- - 1.1.2 PDS System
  - 1.1.3 成像系统
- 2.1 电子详细说明
- - 2.1.1 粒子检测系统（PDS）
  - 2.1.2 PSD逻辑和相机图像处理
  - 2.1.3 逻辑状态机
  - 2.1.4 PDS 45、PDS 90 和成像激光驱动器
  - 2.1.5 DSP数据采集和控制

一、操作原理

1.1 光学系统说明

整个光学系统由三个独立的子系统组成：45 粒子检测系统 (PDS)、90 PDS 系统和成像系统。图 1.1.2 是 CPI 光学系统的功能示意图。为了清楚起见，图中仅示出了每个系统的主要部件。 PDS 系统用于检测样品体积中颗粒的存在。 CPI DSP 电子设备处理粒子信息。如果满足某些触发标准（脉冲高度、最小传输时间等），DSP 电子设备会发送信号以脉冲高功率成像激光并在 CCD 相机上捕获粒子的图像。

图 1.1.2 光学、PDS 检测器波形和 CCD 相机在不存在颗粒时的曝光图像

图 1.1.3 是粒子穿过样品体积时的光学系统示意图。当粒子穿过 PDS 激光束时，它开始将光散射到倾倒点周围并投射到 PDS 检测器上。雪崩光电二极管 (APD) 用于 PDS 检测器，因为它们能够检测低光级。 PDS 检测器的输出由 DSP 控制板监控。成像系统由带成像镜头的 CCD 相机和高功率脉冲激光器组成。当 DSP 电子设备从 45 个 PDS 和 90 个 PDS 检测器接收到同步信号以指示样品体积中存在颗粒时，CCD 相机会用 20-40 ns 激光闪光曝光。粒子的图像然后被相机捕获。成像系统被配置为使得物平面与由PDS激光束形成的矩形体积的背面共面。有效成像区域是一个 2.5 mm x 2.5 mm 的正方形。

图 1.1.3 当 CPI 检测到粒子时，光学元件、PDS 检测器波形和 CCD 相机的曝光镜头

1.1.2 PDS System

图 1.1.3 是整个光学系统的简化表示。实际的 PDS 系统和成像系统由许多用于实现所需光学性能的光学组件组成。 90 PDS 系统的光束路径与样品管的轴成 90° 角。 45 PDS 系统的光束路径与样品管的轴成 45° 角。图 4.1.1 是 90 PDS 系统的实体模型，显示了所有单独的系统组件。图 4.1.1 还显示了通过 90 PDS 系统的简化激光束路径。当光通过系统中的每个光学元件传播时，实际的激光束形状使用光线追踪图进行描述。

Figure 4.1.1. 90 PDS 系统光学元件布局

图 4.1.2 是 PDS 激光光束整形光学器件的光线轨迹。 90 度和 45 度 PDS 系统的激光二极管和光束整形光学器件是相同的。光束整形光学器件用于产生具有适当尺寸的矩形横截面和相对均匀的能量分布的输出光束。

Figure 4.2.2. PDS 激光束成形光学器件的光线追踪，a) 压缩轴视图和 b) 未压缩轴视图

PDS 系统使用的激光器是 Hitachi HL7851 激光二极管。激光器的工作波长为 785 nm，最大输出功率为 40 mW。激光二极管的输出具有椭圆发散光束，平行发散角为 9.5°，垂直发散角为 23°。非球面透镜用于产生具有椭圆截面的准直光束。如图 4.2.2 所示，准直光束的尺寸约为 5.5 mm x ~2 mm。

然后使用一对柱面透镜压缩椭圆光束的短轴。在图 4.2.2 中，短轴称为 x 轴，长轴称为 y 轴。光束被柱面透镜焦距的比率压缩。在这种情况下，压缩率为 5/25 或 0.2X。这将椭圆的短轴减少到大约 0.4 - 0.5 毫米。光束形状现在更接近矩形而不是椭圆形。由于柱面透镜不影响光束的 y 尺寸，因此使用矩形孔径将光束缩小到所需的 2.5 mm 尺寸。孔径的宽度为 1 毫米，以允许激光束在 x 维度上干净地通过。

PDS 激光器和光束整形光学器件包含在 PDS 管组件中。该组件是一个整体单元，允许在不影响光束形状和准直的情况下指向和控制成形的激光束。如图 4.1.1 所示，成形光束与 90 PDS 输入镜相交，引导它通过 90 PDS 输入窗口并进入样品体积。窗口和镜子安装在光学块上，光学块是仪器的关键机械部件。光学块定义了样本体积的物理位置，并充当流经样本管的空气和云粒子与 CPI 内部结构之间的界面。

样品体积位于样品管的中心，穿过光学块。这种关系如图 1.1.2 所示。在 PDS 激光束穿过样品体积并离开光学模块后，它与 PDS 收集光学器件相交。
PDS 收集光学器件旨在收集样品体积中粒子散射的光，并将其聚焦到充当 PDS 检测器的 APD 上。 PDS 收集光学器件和转储点定义了 PDS 系统的收集角度。在这种情况下，两个 PDS 系统都设计用于收集以大约 2.5° - 8.2° 的角度散射的光。

图 4.1.3. 90 PDS 收集光学器件的光线追踪：(a) X-Z 平面中的光束，(b) Y-Z 平面中的光束
( c ) 散射光路 X-Z 平面 (d) 散射光路 Y-Z 平面

图 4.1.3 是 90 PDS 采集光学系统的光线轨迹。在该图中，样品体积在左侧，PDS 检测器位于右侧。显示了四个单独的光线轨迹。图 4.1.3a 和 4.1.3b 显示了当样品体积中不存在颗粒时，PDS 激光束被倾卸点阻挡。图 4.1.3a 显示了 X-Z 平面（~0.5 毫米尺寸）中的光束，图 4.1.3b 显示了 Y-Z 平面（2.5 毫米尺寸）的光束形状。转储点上的光束尺寸与样品体积中的光束尺寸相对相同，即使它已经通过了 90 PDS Collection Lens1 和 90 PDS Collection Lens2。各种光学元件之间的间距如图 4.1.3b 所示。

图 4.1.3c 和 4.1.3d 是通过 90 PDS 收集光学器件传播的散射光路径的光线轨迹。粒子必须存在于 90 PDS 光束中才能在倾倒点周围散射光。图 4.1.3c 显示了 X-Z 平面的散射光路，图 4.1.3d 显示了 Y-Z 平面的散射光路。通过注意转储点右侧的阴影区域，可以在这两条光线轨迹中看到转储点的效果。 2.5° 的最小收集角由刚通过图 4.1.3c 中的转储点周围的光线定义。 8.2°的最大角度由90 PDS Collection Lens2的最大通光孔径定义。中继透镜用于通过增加总路径长度来适应收集光学器件的机械封装。 APD 聚焦透镜用于将散射光线聚焦到检测器直径为 1.5 mm 的有效区域上。

Figure 4.1.4. 45 PDS系统光器件布局

图 4.1.4 是一个实体模型，显示了 45 PDS 收集系统的所有组件。 45 PDS 激光器和光束整形光学器件与上述 90 PDS 激光器和光束整形光学器件相同。 90 PDS 和 45 PDS 光学系统之间的主要区别在于收集光学系统。收集透镜必须具有更长的焦距，因为从第一个收集透镜到样品体积的距离更长，因为光束以 45° 角穿过样品管。

图 4.1.5a-d 是 45 PDS 收集光学器件的光线轨迹。标有 45 Collection Lens1 和 45 Collection Lens2 的镜头比 90 PDS 收集光学系统中的相应镜头具有更长的焦距。由于适应机械封装的路径长度较短，因此不需要中继透镜。与 90 PDS 收集光学器件的情况一样，45 PDS 收集透镜 2 是限定孔径，它定义了 8.2° 的最大收集角

1.1.3 成像系统

图 4.1.6 是 CPI 成像光学系统的实体模型，显示了所有组件。该系统的两个主要组件是成像激光器和成像系统镜头。成像系统的主要功能是捕捉云粒子以飞机速度穿过样本体积时的图像。这是通过在目标平面中存在粒子时以高达 40 ns 的脉冲宽度闪烁激光来实现的。一个 1024 x 1024 像素的 CCD 相机捕捉粒子的图像并将帧传输到数据系统。从新获取的图像中减去先前存储的背景图像，结果是一个包含云粒子图像的感兴趣区域 (ROI)。相机以每秒约 74 帧的速度运行

用于成像系统的激光器是由三个发射器组成的堆叠阵列。 600 μm 纤芯多模光纤对接耦合到堆叠阵列的表面。光纤用于提供圆形并具有相对均匀的能量分布的输出光束。当光束通过光纤传播时，每个激光段的输出混合在一起，从而产生比其他方式可实现的更均匀的能量分布。激光器的工作波长为 810 nm，输出功率大于 120 W。光纤端接有 SMA 型光纤连接器。连接器拧入准直筒中，准直筒使用非球面透镜来准直光纤的输出。

Figure 4.1.6. 成像系统光学元件布局

使用图像激光输入镜将准直光束引导到样品体积中。通过样品体积后，光束通过校正板，然后折叠到成像系统镜头中。当粒子通过样品体积时，激光为图像粒子提供照明。在没有颗粒的情况下，成像激光必须在 CCD 相机上提供均匀且可重复的背景。成像系统镜头将入射激光束放大 5 倍，以均匀照射 CCD 芯片。

CPI 使用主放大倍率为 5X 的成像镜头。成像镜头的一个特点是能够在其聚焦调整范围内保持恒定的放大倍数。成像系统的焦距通过镜头机身上的调节镜筒进行调节。该镜头系统极大地简化了成像系统的光学对准。

校正板是校正成像系统中产生的散光所必需的。这种像散是图像输出窗口与成像系统光轴成 45° 角倾斜的结果。光线根据它们与窗口相交的位置以不同的角度折射。结果是散光，使球形水滴看起来呈椭圆形。矫正板是一个平面平行元件，以特定角度倾斜以消除散光。

2.1 电子详细说明

电子组件由三个印刷电路板组成。它们是数字信号处理器 (DSP) 板、继电器板和电源板（不要与位于数据采集系统盒中的传感器头电源混淆）。 DSP 板是 Sensor Head 的主要控制中心。它包含ADSP 2191数字信号处理器微机和逻辑芯片。这些电路共同管理粒子检测、激光驱动电源、加热器控制以及内务数据的收集和报告给数据采集系统。以下各节将介绍这些过程。

2.1.1 粒子检测系统（PDS）

粒子探测系统由两个粒子探测激光器和两个雪崩光电二极管探测器 (APD) 组成。 PDS 的激光相关部分请参考光学组件说明。这两个 APD 被指定为 PDS 45 检测器和 PDS 90 检测器，以指示它们从哪个激光器接收光。这里只描述了 PDS 45 检测器电路，但 PDS 90 电路是相同的。参见图 4.2.1，附录 7.1 原理图中的 PDS 45 模拟电子装置框图。 PDS 45 检测器电路中的模拟处理电子器件对 APD 输出脉冲进行高通滤波，然后将其馈送到比较器，该比较器生成干净的数字逻辑脉冲，如图 4.2.2 所示。

基于滨松雪崩光电二极管 (APD) 的探测器和机载热电冷却器（部件号 C5460）用于感测由于粒子穿过 PDS 45 激光束而产生的散射光。输出被馈入电阻分压器 R54 和 R17，将电压按比例降低 0.755。该电压通过 U15A 进行缓冲，并将输出馈送到低通滤波器和高通滤波器。低通滤波器再次降低电压，允许对 U16 输出端的 PDS 信号进行直流监控，引脚 1 的输出限制为最大 3V。该信号进入模数 (A/D) 转换器，DSP 将相应的数字值发送到内务数据包中的数据采集系统。高通滤波器用电容器 C22 阻挡直流分量，其输出由晶体管 Q4 恢复基线。基线恢复信号输入到 U17，增益使 AC 信号幅度恢复到 APD 检测器输出的 0.95 倍。

由于所描述的电路，U17 的输出是基线恢复的 AC 耦合模拟信号，当粒子通过 PDS 45 激光束时，该信号应变为正值，其幅度由粒子的散射横截面积决定，PDS 45激光强度和 APD 灵敏度。该信号在比较器 U18 处与用户可编程的 PDS 45 阈值电压进行比较。交流耦合信号、比较器阈值和比较器输出如图 4.2.2 所示。比较器输出是一个干净的数字脉冲，然后被发送到数字逻辑 IC U20。

上述 U17 的输出也进入脉冲峰值检测器 U19，如图 4.2.1 中的框图所示。 U19 的输出进入 A/D 转换器，相应的模数转换 (ADC) 值在 PDS 数据包中发送到数据采集系统。 PDS 数据包与触发 PDS 事件的粒子图像一起存储在 .roi 文件中。这允许数据分析人员将粒子的大小和形状与其散射通过倾倒点并进入 APD 检测器的光量相关联。

Figure 4.2.1: PDS 45 模拟电子的框图

Figure 4.2.2: AC 耦合 APD (PDS_45) 信号、比较器阈值和由此产生的数字输出

2.1.2 PSD逻辑和相机图像处理

U20 内部的数字逻辑状态机处理来自 U18 的 PDS 45 脉冲和来自 U26 的 PDS 90 脉冲，并决定何时可以发生成像激光频闪。

PDS 45 和 PDS 90 脉冲是数字逻辑 3.3V CMOS 兼容信号。它们被送入 U20，这是一个控制成像激光发射的 CPLD 逻辑芯片。 U20 还向 DSP、U35 提供中断和数据，以及提供 Basler A501 相机正在采样的当前图像状态的输出信号。粒子成像相关信号的时序图如图 4.2.3 所示。

2.1.3 逻辑状态机

PDS 检测系统由位于可编程逻辑设备 (PLD) U20 内部的逻辑状态机管理。状态机示意图如图 4.2.4 所示。

状态机在状态 0 (S0) 中空闲。只要 PDS 45 和 PDS 90 探测器没有发现粒子，它就会在 S0 和 S8 中闲置。来自帧采集器的 EXSYNCIN 脉冲对其没有影响，只是将其驱动到 S8 并返回到 S0。

回想一下，如果 PDS 45 雪崩光电二极管探测器 (APD) 看到粒子，则比较器 U18 的输出将变高。同样，如果 PDS 90 APD 看到粒子，则比较器 U26 的输出将变高。 PDS 数字处理电子设备会看到 PDS 45 和 PDS 90 信号都变高，然后启动“最小传输时间”计数器。一旦超过用户设置的最小传输时间，PIB_OK 信号变为高电平（U20 内部）。最短运输时间在图 4.2.3 中显示为“T Transit Qualify”。这会导致状态机从 S0 前进到 S1。

当 PDS 45 或 PDS 90 信号变低时，PIB_OK 信号变低，导致状态机从 S1 转到 S2。 S2 强制成像激光器立即发射短（~20 纳秒）高强度激光脉冲，将检测到的粒子照射到 BASLER A501 CCD 相机上。同时，PDS STATUS 信号变高。 PDS 状态信号告诉数据采集系统从 CCD 相机下载的下一张图像至少包含一个粒子，因此不应丢弃。

然后状态机从 S2 前进到 S3。在 S3 中，状态机向数字信号处理器 (DSP) 输出中断信号。这会通知 DSP 看到了一个粒子，以便它可以向数据采集系统发送 PDS 数据包。 PDS 数据包伴随着每个粒子图像与粒子特定信息，例如从每个 PDS 检测器输出的电压脉冲高度。 PDS 数据包的时序图如图 4.2.3 所示。状态机在 S3 等待并且不会前进到 S4，直到从数据采集系统中的帧采集器接收到 EXSYNC 脉冲。这意味着在接收到下一个 EXSYNC 脉冲之前不会有更多的粒子被成像。

当从帧采集器接收到 EXSYNC 脉冲时，状态机从 S3 前进到 S4。在 S4 中，状态机输出一个 CLRX 信号，该信号清除捕获最后一个 EXSYNC 脉冲的锁存器。这是为下一个粒子做准备。在 S4 中，它在进入 S5 之前等待来自 DSP 的 CLEAR HOLD 信号。该信号告诉状态机 DSP 已准备好接收下一个粒子。

EXSYNC 脉冲使 CCD 相机将其当前图像下载到数据采集计算机中的图像采集卡。 EXSYNC 还告诉传感器头电子设备相机和数据采集计算机已准备好拍摄下一张照片。 Basler A501 CCD 相机始终在拍摄图像并将其下载到与 DSP 和状态机时钟异步的图像采集卡。这以每秒 72 帧的速率发生。每个 EXSYNC 脉冲对应于从 CCD 相机发送的单个图像。 EXSYNC 信号由数据系统计算机中的图像采集卡生成并到达两个地方：Basler A501 CCD 相机和 DSP 板。如果状态机不必等待 S3 中来自帧采集器的 EXSYNC 脉冲或 S4 中来自 DSP 的 CLEAR HOLD 信号，它可以在 EXSYNC 脉冲之间的时间内运行其八步循环数千次，这与相机将一张图像下载到数据采集系统所需的时间相同。强制它在 S3 中等待来自帧采集器的 EXSYNC 并在 S4 中等待来自 DSP 的 CLEAR HOLD 会减慢它的速度并使其与整个图像捕获过程同步。

当状态机接收到来自 DSP 的 CLEAR HOLD 信号时，它从 S4 前进到 S5。
它立即从 S5 移动到 S6。在 S6 中，它发出 CLR_SMPL 信号。该信号使 PDS 45 脉冲峰值检测器 U19 和 PDS 90 脉冲峰值检测器 U27 中的峰值保持电容器放电，参见图 4.2.1 中的框图和附录 7.1 中的示意图。

状态机立即从 S6 移动到 S7。在 S7 中，它继续发出 CLR_SMPL 信号。如果PDS激光束中没有检测到粒子，则进入S0；否则，它会在这里等待。
在 S0 中，它空闲并等待下一个粒子。当 PDS 检测器看到下一个粒子时，循环会自行重复。

EXSYNC 使 CCD 相机将其当前图像下载到数据系统计算机。参见图 4.2.3。图像下载完成后，图像采集卡会用 FRAME INTERRUPT 信号中断计算机，CPI 软件会检查 PDS 状态位以查看成像激光是否已发射。如果不是，则 PDS STATUS 位为逻辑 0，并丢弃图像帧。如果是，则 PDS STATUS 位为逻辑 1，并在图像帧中搜索感兴趣区域 (ROI)：图像中存在粒子的位置。 ROI 被有效地从图片中切出并存储到当前数据文件中，该文件的名称基于文件启动时的数据系统计算机时间，文件扩展名为.ROI。与此文件中的每个 ROI 相关联的还有一个 PDS 数据包，其中包含用于捕获粒子图像的激光触发事件的 PDS 45 和 PDS 90 信号的到达时间和峰值高度等信息。 PDS 数据包通过 RS422 链路从 DSP 发送到数据采集系统。

回到图 4.2.3 的时序图，第 1 个 EXSYNC 脉冲（从图像采集卡到 Basler 相机和 DSP 板）启动相机将图像 1 下载到图像采集卡。当数据传输完成时，数据系统计算机从与 IMAGE 1 相关联的帧采集器获得一个 FRAME INTERRUPT，并且看到没有要查找的 PDS 数据包，因为在 EXSYNC1 期间 PDS 状态为低。 IMAGE 1 被丢弃。在传输 IMAGE 1 期间激光已被触发，因此计算机应该查看 IMAGE 2，这是由于 EXSYNC2 传输的。在 EXSYNC2 期间，计算机将查看新的 PDS 状态信号。蓝色时间线代表计算机何时查看此信号。它从 DSP 板上的 U20 发送到图像采集卡。它告诉数据采集系统处理接收到的下一个图像。因此，在帧中断 2 期间，数据采集系统将处理接收到的下一个图像。

Figure 4.2.4: PDS State Machine

2.1.4 PDS 45、PDS 90 和成像激光驱动器

这些模拟处理电子设备包括用于 PDS 连续激光器的可变功率激光器驱动器和用于高功率成像激光器驱动器的偏置电源。 PDS 连续激光驱动器伺服通过 PDS 激光二极管的电流，以强制监控电流与数字信号处理器 (DSP) 设置的电平相匹配。通过激光二极管的最大电流由串联电阻限制为每个二极管指定的最大值。每个激光二极管的功率电平由内部监控二极管检测，其电流通过仪表放大器（U7、U11）转换为电压。该电压为驱动电流驱动器（驱动晶体管 Q13 或 Q14，以及驱动晶体管 Q7 或 Q10）的积分器电路提供负反馈。每个电流驱动器都可以配置为通过填充 Q10 和 Q13 或通过填充 Q7 和 Q14 为各自的激光器提供电流，从而允许共阳极和共阴极器件。目前默认的激光器是 Hitachi 的共阴极器件 HL7851G，一种 50 mW、785 nm 的二极管激光器。

成像激光闪光器，Power Technologies IP40C/20/40-10V 由两个电源电压控制：一个设置正向电流，另一个设置脉冲宽度。这些偏置电压由来自板载 60V 直流电源的两个线性电压驱动器生成。这些驱动器 (U44) 积分直到输出电压等于控制电压乘以常数。反馈设置在这些驱动器上，因此输出电压永远不会过度驱动脉冲驱动器。激光控制器的所有操作点，用于成像激光电流和脉冲宽度值，以及 PDS 45 和 PDS 90 激光，均使用四通道 12 位数模转换器 (DAC) U40 设置，由控制器控制用户通过数据系统图形用户界面 (GUI)。

2.1.5 DSP数据采集和控制

传感器电子元件基于数字信号处理器 (DSP) 控制板，可监控系统温度、压力和电压并控制 18 个加热区。热区的监测和控制是使用搭载在 DSP 控制板上的继电器板实现的。此外，控制板使用标准异步串行数据协议使用一对 RS-422 差分信号（RS-232 由板跳线可选）与数据采集系统进行通信，并使用模拟和数字电子设备实现粒子检测系统。

当数据系统最初与DSP板建立通信时，它发送一个设置时间（表4.2.4）包和一个设置模式包（表4.2.5）。 DSP 板随后将跟踪时间并观察用于打开加热器的命令温度设置点，以及其他命令参数，例如最小传输时间限制。有关设置模式参数的完整列表，请参阅表 4.2 5。

DSP 板利用 ADI 公司的 ADSP2191 数字信号处理器来控制和监测探头硬件。该 DSP 具有双向、高速、通用异步接收器发送器串行端口，可连接到 RS-422 或 RS-232 电平驱动器和接收器，用户使用跳线 J3、J4、J5、J6 和 J7 进行选择。对于 RS-422 接口（推荐），跳线应短接引脚 1 和 2（引脚 1 由板底部的方形焊盘标识），或短接 RS-232 接口的引脚 2 和 3。异步通信线路直接连接到主机上的串行端口，从主机接收命令并向其传输数据，如下所述。

当前从传感器头（探针）输出三种类型的数据包，并接收四种类型的数据包。传输的数据包是在检测到粒子时传输的 PDS 或带有 SLS 的 PDS 数据包，以及每秒传输一次的内务数据包（表 4.2.3）。 PDS 包的格式见表4.2 1。带有SLS 包的PDS 见表4.2.2。

PDS 数据包字段描述如下：

数据包同步字：数据系统使用它来检测数据包的开始。
Packet Length：这个包中的字数（12）。
数据包类型：定义无 SLS 系统的 PDS 数据包 0x5050
UTC LSW：世界时间码最低有效字。这和词 5，最重要的词，结合起来给出自当前年份开始以来的秒数。
UTC MSW：在 4 中定义。
Arrival Time 16ths：到检测到粒子的当前秒（参见 4 和 5）所经过的 62.5 毫秒周期数。
Arrival Time 1.333uS 周期：到检测到粒子的当前第 16 秒（见 6）的 1.333uS 周期数。
传输时间：APD45 和 APD90 传感器检测到粒子的 20.8333 uS 周期数。
自上次 PDS 数据包后检测到的粒子：该数字包括发送此数据包的当前成像粒子。
PDS_45 脉冲高度：16 位数字表示 APD45 上成像粒子的最大检测电压：VPK = 5V x (PDS_45 脉冲高度) x 4096。
PDS_90 脉冲高度：16 位数字表示 APD90 上成像粒子的最大检测电压：VPK = 5V x (PDS_45 脉冲高度) x 4096。
12.校验和：对前10个字逐字校验。
内务数据包被构建并每秒发送到数据系统一次。表 4.2.3 列出了该数据包的格式。

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