CN100374875C - 多用途激光高度计测试装置 - Google Patents

Abstract

一种多用途激光高度计测试装置，包括成光学联结的测试头部、传输光纤和模拟回波发生器，特点是：该测试头部设有与激光高度计发射系统对应的激光入射光路和与接收系统对应的激光出射光路，该入射光路和出射光路相互平行；该传输光纤链接激光入射光路与模拟回波发生器，及模拟回波发生器与激光出射光路；该模拟回波发生器包括激光信号探测器、延迟器、模拟激光器、分光镜、会聚镜和衰减器，由激光信号探测器接收激光入射光路输出的激光入射同步采样光束和由衰减器输出模拟激光回波给激光出射光路。本发明可同时对激光高度计能量的在线测量和系统光轴的对准，能以激光高度计发射视场角发射或以接收视场角出射、能模拟背景光及杂散光的干扰。

Description

多用途激光高度计测试装置

技术领域

本发明涉及一种激光高度计参数的功能性测量装置，特别是在进行各种空间环境模拟试验时，对星载激光高度计的功能进行在线监测，以及在各种不同的状态下，对激光高度计功能进行比对性检测的装置。

背景技术

最初的脉冲激光测距技术，可以通过测得的激光脉冲在测程上往返一次的渡越时间，求出测程的距离。随着激光器技术以及相应的激光回波探测技术的不断发展，激光测距可以测定的测程越来越远。同时，与雷达技术相结合，激光测距技术从单一的距离测定发展为可以测定散射体分布、散射特性、反射特性以及衰减和吸收率等多个物理量的复杂技术。

星载激光高度计由于其使用环境的特殊性，对系统中各组件的要求要远比机载型近距离激光高度计的要求苛刻。为了验证星载激光高度计是否满足空间环境条件，在研制过程中，需要在各种环境条件下，对激光高度计的关键性能进行在线监测，获得性能的实时变化。

环境模拟不是激光高度计所经历的环境在地面实验室里的复现，而是一种效应模拟，或者说是一种等效模拟。环境模拟主要包括真空、冷黑、太阳辐照、电磁辐射等激光高度计工作的空间环境的模拟，以及振动、冲击、和速度等卫星运输、发射时的动力学环境的模拟。激光高度计在经历这些等效空间环境时，其系统性能可能会受到影响从而发生变化。在环境模拟试验时，对激光高度计的关键性能进行在线监测，根据所获得的数据判断激光高度计是否能够承受相同等级的空间环境。

激光高度计是主动式遥感仪器，因此，在环模试验时对激光高度计的性能进行在线测试，要求同时实现对发射系统和接收系统的测试。此外，激光高度计对发射系统与接收系统光轴的平行度要求极高，该参数与激光的指向以及激光高度计系统的结构有关，在环境模拟试验时，参数极有可能受到影响。

现有的一些激光高度计的在线测试技术，主要是用于军用激光测距机在生产线上的现场校准技术，这些技术侧重于测试激光能量、激光脉宽和激光光束发散角等激光测距机的单项参数，对与星载激光高度计密切相关的发射系统与接收系统光轴的平行度、太阳背景辐射对系统的影响等因素并未有过多的涉及。而由于星载激光高度计载体的特殊性，在线测试时，不能引入任何与激光高度计无关的多余的电磁辐射，以免对系统产生干扰，影响测试的结果。这些因素的影响的消除，在现有的在线测试技术并未有所体现。

发明内容

本发明的目的是提供一种可模拟空间环境中检测激光高度计性能的装置。

本发明的技术解决思路如下：

与待检的激光高度计的发射系统和接收系统对应，本发明的激光高度计测试装置采用两条相互平行的光路：一条与激光高度计的发射系统对应，接收并监测发射系统的性能；另一条与激光高度计的接收系统对应，为接收系统提供模拟回波信号。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种多用途激光高度计测试装置，其包括与激光高度计发射系统对应的激光入射光路，其具有至少由二个分光镜构成的激光分束光路，将入射到测试装置中的由激光高度计所发射的激光分成三束，其中一束为入射激光光斑显示光束，被CCD探测器接收，结合指示测试装置光轴方向的小型激光器的光斑，找出测试装置与激光高度计对准的最佳位置；另一束为入射激光能量计量光束，直接进入能量计探头中，测量激光高度计发射激光的能量；最后一束极小部分的激光为入射激光同步采样光束，进入到采样光纤中，作为测试装置与激光高度计的同步信号，送到测试装置的模拟回波发生器中，为了便于校准系统光轴，还在激光入射光路中设置一路指示基准光轴的校准光路，其由成光学联结的可见波长激光器和反射镜构成，该激光器产生的可见波长激光入射到该反射镜后被全反射到该激光分束光路中的一个分光镜上(该分光镜直接接入激光高度计发射系统射入的激光)便被全反射而被CCD接探测器所接收，再由显示系统产生可见波长激光的光斑，调节此光斑与入射激光所形成的光斑重合，就可确定系统基准光轴的位置；

一与激光高度计接收系统对应的激光出射光路，包括变焦镜头和可旋转双光楔组合。变焦镜头通过调节焦距，将由光纤输出的模拟回波发生器中产生的回波激光信号准直为与激光高度计发射系统相同视场的平行光，或者准直为与激光高度计接收系统相同视场的平行光。可旋转双光楔组合通过旋转不同的角度，将变焦镜头出射的平行光相对激光高度计接收系统的光轴折转不同的角度，以相同的光信号对激光高度计接收视场进行扫描；

一模拟回波发生器，包括发射激光信号探测器、延迟器、模拟激光器、分光镜、会聚镜、衰减器，将接收到的入射激光同步采样光束信号转换为电信号并延迟后，触发模拟激光器，产生与激光高度计有一定时序的模拟回波激光信号，并根据激光高度计接收系统灵敏度的需求，将该激光信号进行衰减后，送到与激光高度计接收系统视场对应的激光出射光路中。除了上述模拟回波信号发生器，还加入了噪声源。噪声源由发射不同波长激光的激光器以及光路折转的分光镜组成，所有波长的激光汇成一束后，入射到半球形积分球，产生漫射光。该漫射光由模拟回波信号光路中的分光镜反射后，与模拟回波信号融合，形成具有模拟噪声的模拟激光回波信号，一起送到激光高度计接收系统视场对应的激光出射光路中。

模拟回波发生器与两条对应激光高度计发射和接收视场的光路激光入射光路和激光出射光路之间的光信号传输采用光纤实现，使得与激光高度计对接的测试装置部分没有其它的电子学器件，避免测试装置与激光高度计之间相互产生额外的电磁干扰，从而影响测试结果。

本发明的优点是：

采用至少二个分光镜的多分光镜系统和指向激光器，可以同时实现激光高度计能量的在线测量和激光指向性的确定即与系统光轴的对准；

采用双光楔组合，可以将出射的模拟回波光信号在单个光楔偏向角4倍的角锥内以任意方向出射，实现模拟回波光信号在激光高度计接收视场内的扫描；

采用变焦镜头，可以将出射的模拟回波光信号以激光高度计发射视场角出射，或者以激光高度计的接收视场角出射；

采用半球形积分球和多个小功率激光器组成噪声源，模拟背景光以及杂散光产生的干扰；

采用与激光高度计同一波长的模拟激光器，同时该激光器的脉宽比激光高度计发射激光的脉宽要宽，真实模拟由传输介质作用后，激光脉冲的展宽。

采用可变延迟器，可以根据需要调整激光高度计发射激光与模拟回波信号之间的延迟，检测不同时序延迟的回波对激光高度计接收系统性能的影响；

采用可变衰减器，可以根据需要调整模拟回波信号的大小；

采用传输光纤传输激光高度计的发射激光信号和测试装置的模拟回波信号，避免激光高度计与测试装置之间相互产生电磁干扰。

附图说明

图1为本发明的测量装置示意图。

图2为本发明测量装置工作时测试头部与激光高度计的对接示意图。

具体实施方式

下面根据图1、图2给出本发明一个较好实施例并作详细阐述：

一种用于检测在模拟空间环境中激光高度计性能的装置，包括：测试头部1、传输光纤2和模拟回波发生器3。测试头部1和模拟回波发生器3之间依靠传输光纤2传递激光信号，两者均为黑匣子，只有测试头部1的正面为了与激光高度计之间进行通信而有两个通光孔。

测试头部1中包括与激光高度计发射系统对应的激光入射光路11和与激光高度计接收系统对应的激光出射光路12，该两条光路11、12互相平行，其中，激光入射光路11主要具有分光镜111、分光镜112、能量计探头114和CCD探测器115，激光高度计发射系统射入的激光，经分光镜112半反半透分成第一透射激光束(即入射激光光斑显示光束)和第一反射激光束，第一透射的光束由CCD探测器接收后送显示系统(未图示)产生入射激光光斑，第一反射激光束经由分光镜111半透半射后，分解成第二透射激光束(即入射激光同步采样光束)，作为采样同步激光信号，由测试采样光纤21传送至模拟回波发生器3；第二反射激光束(即入射激光能量计量光束)送能量探头114，检测出入射激光能量。激光出射光路12主要具有可旋转光楔121、可旋转光楔122和准直镜123。分光镜111是对1064nm波长的半反半透镜。分光镜112是对1064nm波长的半反半透、对某单一可见波长的全反镜。反射镜113是对该单一可见波长的全反镜。能量计探头114可以测量1064nm脉冲激光的能量。CCD探测器115是像元大小为μm量级的面阵CCD，与显示系统结合，可以观察入射激光的光斑。可见波长激光器116是一小型的指示激光器，发射可见波长的激光，用于指示基准光轴。可旋转光楔121、122可以分别绕光轴旋转360°，两个光楔121、122结合，可以将入射的模拟回波激光在4倍于单个光楔122或单个光楔121偏向角的角锥内以任意方向出射。准直镜123是变焦镜头，根据不同的需要，将由传输光纤2中的模拟回波光纤22入射的模拟激光信号转变为发散角与激光高度计发射视场相同的激光，或者转变为与激光高度计接收视场角相同的激光。

模拟回波发生器3包括：发射激光信号探测器31、延迟器32、模拟激光器33、分光镜34、会聚镜35、衰减器36、半球形积分球4以及模拟噪声源5组成。发射激光信号探测器31接收传输光纤2中的测试采样光纤21传送的激光信号，并将其转换成电信号。延迟器32将发射激光信号探测器31中输出的电信号进行延迟，并输入到模拟激光器33中。模拟激光器33接收延迟器32发出的电信号，触发后发出激光，即模拟回波信号。分光镜34是半反半透镜。汇聚镜35是与传输光纤2中的模拟回波光纤22的芯径与数值孔径相匹配的透镜，将激光信号汇聚到模拟回波光纤22中。衰减器36是与模拟回波光纤22和会聚镜35匹配的光纤衰减器。衰减器36在激光进入模拟回波光纤22之前，将其按需要进行衰减。衰减器36可以根据需求选择衰减量。模拟噪声源5由n组反射镜5n1和小功率连续激光器5n2组成。反射镜511～5n1是对应激光器512～5n2所发射激光的单一波长反射镜。激光器512～5n2除了必需的一个1064nm的激光器之外，其余的选择则根据激光高度计滤光片的透过率曲线以及回波探测器的响应曲线而定，一般选择对回波接收系统探测性能影响较大的波段内的激光器，这里n＝1，2，3，……，即为正整数。半球形积分球4是理想的漫射体，可以将模拟噪声源5产生的光信号变成漫射源，并由分光镜34反射后，与模拟回波信号一起传输到测试头部1中。

传输光纤2分别由测试采样光纤21和模拟回波光纤22组成。采样测试光纤21把从测试头部1的分光镜111透射的入射激光同步采样光束，送到模拟回波发生器3中的发射激光信号探测器32中。模拟回波光纤22将模拟回波发生器3中产生的光信号送到测试头部1中的准直镜123中。

Claims (8)

1.一种多用途激光高度计测试装置，包括依次成光学联结的测试头部(1)、传输光纤(2)和模拟回波发生器(3)，其特征在于：

a.该测试头部(1)设有接收并监测激光高度计发射系统发射来的激光信号，并监测系统性能的激光入射光路(11)和向激光高度计的接收系统提供模拟回波信号的激光出射光路(12)，该激光入射光路(11)与激光出射光路(12)互相平行；

b.该传输光纤(2)包括链接激光入射光路(11)输出端与模拟回波发生器(3)输入端的测试采样光纤(21)和链接模拟回波发生器(3)的输出端与激光出射光路(12)的输入端的模拟回波光纤(22)；

c.该模拟回波发生器(3)包括接收测试采样光纤(21)传送的激光测试采样光束并将其转换成电信号的发射激光信号探测器(31)、将发射激光信号探测器(31)输出的电信号进行延迟的延迟器(32)、接收延迟器(32)发出的电信号触发后发出模拟回波信号的模拟激光器(33)、生成的模拟回波信号再经分光镜(34)、会聚镜(35)和衰减器(36)后由模拟回波光纤(22)传送给激光出射光路(12)，再经激光出射光路准直成与激光计高度接收系统相同视场的平行光。

2.根据权利要求1所述的多用途激光高度计测试装置，其特征在于，还有噪声源(5)，其由n组发射不同波长激光的激光器(5n2)和相应光路折转的n组反射镜(5n1)构成，所有波长的激光汇成一束后，入射到半球形积分球(4)产生漫射光，并由分光镜(34)反射后与模拟回波信号融合，形成具有模拟噪声的模拟回波信号，一起送到激光高度计接收系统视场相应的激光出射光路(12)，其中，n为等于1，2，3，……，的正整数。

3.根据权利要求1所述的多用途激光高度计测试装置，其特征在于，所述的激光入射光路(11)其具有至少由二个分光镜(111，112)构成的激光分束光路，把由激光高度计的发射系统射入的激光分成入射激光光斑显示光束、入射激光能量计量光束和入射激光同步采样光束。

4.根据权利要求3所述的多用途激光高度计测试装置，其特征在于，所述的激光入射光路(11)中还设有指示基准光轴校准光路，其包括成光学联结的可见波长激光器(116)和反射镜(113)，由反射镜(113)全反射该可见波长激光器(116)射出的可见波长激光，再经分光镜(112)全反射后由CCD探测器(115)接收，通过调节其在显示系统上生成的校准光斑与入射激光光斑重合来校准系统光轴。

5.根据权利要求1或2所述的多用途激光高度计测试装置，其特征在于，所述的激光出射光路(12)包括依次成光路联结的准直镜(123)和可旋转光楔(122，121)，其中准直镜(123)为变焦镜头，将由模拟回波光纤(22)入射的模拟激光转变成发散角与激光高度计的发射视场角相同的激光，或转变成与激光高度计的接收视场角相同的激光，而可旋转光楔(121，122)则将入射的激光以4倍于任意一个可旋转光楔(121，122)偏向角的角锥以任意方向射出。

6.根据权利要求1或2所述的多用途激光高度计测试装置，其特征在于，所述模拟回波发生器(3)中的会聚镜(35)是与模拟回波光纤(22)的芯径与数值孔径相匹配的透镜，其将模拟激光信号汇聚到模拟回波光纤(22)中。

7.根据权利要求6所述的多用途激光高度计测试装置，其特征在于，所述的模拟回波发生器(3)中的衰减器(36)是与模拟回波光纤(22)和会聚镜(35)匹配的光纤衰减器。

8.根据权利要求1所述的多用途激光高度计测试装置，其特征在于，所述的测试头部(1)和模拟回波发生器(3)分别为两个独立的黑匣子，并分别与传输光纤(2)直接连接。