引 言
目前脉冲激光器已在科学研究、工业生产各领域，如快速反应动力学、光谱分析、医学等方面，得到越来越广泛的应用，对脉冲特性的测试也就显得越来越重要。反映脉冲激光器性能的主要参数是能量、脉冲宽度、线宽、光谱特性和光束质量等。由于脉冲激光器的脉冲宽度一般较窄，因而一般很难用常规的连续光源探测方法进行检测。电荷耦合器件 CCD 是一种新型的半导体光电传感器件，当对它施加特定时序的脉冲时，其存贮的信号电荷便能在 CCD 内作定向传输而实现自扫描。因而可以利用 CCD 将脉冲光源光信号转换成电信号，经放大器放大和采样保持后，由 AD 转换成计算机处理的数字信号，并由计算机对数据进行处理。本文利用CCD 进行了脉冲激光光谱测试系统的软、硬件设计及其实现。
1 系统设计思想
图1为脉冲激光光谱测试系统的原理框图。被测脉冲激光器的出射激光经分光系统后，一部分进入光脉冲同步信号发生器，所产生的同步信号送入CCD 驱动电路中作为同步采样信号;另一部分成像在线阵 CCD 上，由 CCD 将光强信号转换为电信号输出，再经放大器放大后送入数据采集卡的 A/D 转换器进行模/数转换。转换后的数字信号存入数据采集卡的帧存储器中，由计算机控制读入数据，进行光谱数据的分析、处理和显示。
1.1 分光系统部分的设计与实现
分光系统主要由被测脉冲激光光源、聚光镜、分束镜和光栅光谱仪组成。脉冲激光器出射的激光被分束镜分为两部分,一部分进入光脉冲同步发生器,另一部分由聚焦镜聚焦在光栅光谱仪的入射狭缝上，经光栅光谱仪后在 CCD 上获得一定宽度的平直谱面。
光栅光谱仪的工作原理如图2。光源发出的复合光通过透镜与入射狭缝 S1投射到准直物镜M2上，形成平行光束投射到光栅G上,经 G 色散后的光通过 M3,M4成像在出射窗，在出射窗处放置一线阵CCD,光谱即被CCD 接收。当光栅按顺时针方向旋转时,可在 CCD 处得到按波长顺序排列的光谱。
1.2 线阵 CCD 驱动电路的硬件设计与实现
由计算机控制光积分时间具有很强的灵活性，并且应用 ISP(在系统可编程)技术极大减少了电路的复杂性。本文以我们所用的二相线阵 CCD 器件 TCD1206UD 为例说明CCD 驱动时序的设计方法。
TCD1206UD 的有效像元数为2160。它需要四路驱动信号，即转移脉冲ΦSH，复位脉冲ΦR，两相时钟信号Φ1Φ2。有效单元加上虚设单元和暗信号输出单元，在一个ΦSH周期中，至少要有1118个Φ1脉冲，即TSH>1118T1。其驱动波形如图3。
为了能实现脉冲激光光谱测试，需要设计积分时间可跟随外部信号变化的CCD 驱动时序，其关键在于如何在外部控制信号 EXT 近于随机的情况下使曝光时间及光积分时间随外部信号变化，并产生所需要的满足图3 时序关系的转移控制信号ΦSH，Φ1，Φ2，ΦR。
图4是我们基于ISP 技术设计的可满足上述要求的原理图。CCD 光积分信号的转移由外部信号 EXT控制，而信号 EXT 则有两种产生方式，一种是由程序智能控制产生，可以依据具体需要通过程序随时调整它的脉宽以及周期;另一种是由脉冲激光信号的二值化产生，通过改变二值化时的阈值电平即可改变其脉冲宽度。因而可由 EXT 信号直接作为转移信号ФSH。电路设计的关键是在转移信号ΦSH有效(即ΦSH为高电平)时，时钟信号Φ1须一直保持为高电平，Φ2一直为低电平，从而保证电荷的可靠转移。图4 的设计即可满足这一要求。CCD 的曝光时间随信号 EXT 的宽度的改变而改变，积分时间则随着信号EXT 的周期的改变而改变。这样便实现了CCD 曝光时间与积分时间的外部信号控制。对于需要更长的曝光时间的场合，只需使 EXT 信号的脉宽增宽即可。这在利用程序生成 EXT 信号时是极容易实现的，对于脉冲激光信号，采用雪崩光电管探测光脉冲信号，其二值化后即为外部触发信号，改变二值化时的阈值电平即可改变信号的脉宽，解决了采样信号不易同步的问题。利用ISPLSI还可产生采样保持控制信号ФSP及行同步信号Фc。ФSP与CCD输出的像元光电信号同步，Фc的上升沿对应于 CCD 的第一个有效像素单元。
1.3 线阵CCD 输出信号的 A/D 数据采集与接口的硬件设计
线阵 CCD 的输出信号是以转移脉冲为周期的时序调幅脉冲信号，因而在 A/D 采集每个像元的数据时，采用存储器以提高采集速度，通过计算机扩展槽与计算机总线操作来完成数据采集与计算机接口工作。在本系统中，数据采集卡的原理如图5。它由 8 位 A/D 转换器件 TLC5540、帧存储器、数据缓冲接口电路及现场可编程逻辑器件ISPLSI构成。
TLC5540 是美国德州仪器公司推出的高速 8 位A/D 转换器，它的最高转换速率可达每秒40 兆字节。在推荐工作条件下，其功耗仅为75mW，并且可保证温度的稳定性。帧存储器的设计是脉冲光谱数据获取的关键。由于采样状态下的A/D时钟频率可能高达40MHz,故存贮器应具有相应的速度和尽可能小的信号延迟。系统中选取存取时间为10ns 的6264 芯片作为帧存储器的存储单元，用 ISP 在线可编程技术来完成帧存储器的辅助控制。
2 实验测量结果及分析
为验证我们所设计的脉冲光谱测试系统的可行性及实用性，我们对LD 泵浦的Yb∶YAG 二倍频脉冲激光器进行了光谱测试。图 6 中(a)~(e)为 5帧不同时刻采集的脉冲光谱曲线，横坐标为波长，单位为纳米(nm)，纵坐标为归一化后的相对强度。从图6 (a)~(e) 的 5 帧图形中可以看出，谱线形式基本一致，但谱线的极大峰值有些漂移，这是因为脉冲激光器的重复频率所致。为了对谱线的极大峰值的复现性进行评估，我们采用多帧平均法对图 6 (a)~(e) 的 5 帧图形进行平均，得到图 6(f)。以图 6(f)作为近似的理想谱线，用重心波长重复性来评价脉冲激光的波长复现性。
式中λiA为第 i 帧谱线的重心波长;j 是 CCD 上离散值的序号;giN是第 i 帧谱线中第j 个有效采样点的归一化相对强度;λij是第 i 帧谱线中第 j 个有效采样点在 CCD 上的光敏元位置所折算成的波长值。再用误差分析的方法进行处理，求出 n 帧平均后谱线的重心波长值λA及其标准差σ。
式中σ是标准差;n 是采样谱线的帧数;λ是第 i 帧谱线的重心波长值;Aλ 是 n 帧数据的iA重心波长的算术平均。计算结果如表1。
3 结 论
本文提出了一种基于 ISP技术的线阵 CCD 的驱动电路的设计，并设计了一种利用线阵 CCD 器件进行脉冲光谱测试分析的系统，同时对我们这一系统的设计方法及硬件实现进行了详细说明。文中提出了用重心波长对脉冲激光器的重复频率进行评估的方法。ISP 技术的应用，使电路得到极大的简化。实验结果表明我们所设计的脉冲光谱测试系统是可行的，并且精度与速度都得到很大的提高。
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作者简介：曹益平(1962—)，男(汉族)，湖南益阳人，教授，博士。主要从事光学三维传感，光电信息处理，激光干涉计量等方面研究。E_mail: caoyping@mail.sc.cninfo.net
