CN101776751B - 一种激光雷达回波光信号滤波选通系统 - Google Patents

一种激光雷达回波光信号滤波选通系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光雷达探测领域，涉及一种激光雷达回波光信号滤波选通系统。该系统包括：耦合准直模块、回波光信号滤波模块、回波光信号衰减模块和回波光信号缩束模块；其连接关系为：耦合准直模块与回波光信号滤波模块连接；回波光信号滤波模块连接与回波光信号衰减模块连接；回波光信号衰减模块与回波光信号缩束模块连接。本发明克服了传统激光雷达回光滤波系统只考虑单波长通道滤波的缺点，实现了多通道窄带宽的滤波选通，以及激光雷达回光滤波系统的多光度输出，并且本发明设计了手动直插式和电控旋转式的通道调节结构和光度调节结构，适用于不同用途的激光雷达系统；所有系统都集成在一个平台上，具有很好的便利性和通用性。

Description

一种激光雷达回波光信号滤波选通系统
技术领域
本发明属于激光雷达探测领域，涉及一种激光雷达回波光信号滤波选通系统，特别涉及一种多通道窄带宽的多光度激光雷达回波光信号滤波选通系统。
技术背景
激光雷达在大气探测方面有着极为重要的作用，而对其回波光信号的探测精确直接关系到激光雷达的探测精度和范围。
激光雷达的后向回波光信号在经过牛顿望远系统收集后再用信号传输光纤反馈到光电信号探测器中，然而在牛顿望远系统回收的信号中还包含了大量作为噪声的背景光信号，因此必须在光电信号探测器的前方做一窄带宽的回波光信号选通系统来进行滤波，以提高激光雷达的探测信噪比。这个滤波选通系统应满足以下要求：①该滤波选通系统的中心波长应与所接收的激光回波光信号的波长相吻合；②需要较窄的滤波带宽，以实现尽可能减少背景噪声的目的；③为了使激光雷达回波光信号稳定，要求滤波系统的性能不随时间漂移；④为了让更多的激光雷达回波光信号进入到探测器，要求该滤波选通系统对于所接受的波长有较大的透过率。
考虑到激光雷达的不同工作需求，比如在测量大气分子的拉曼(Raman)散射回波光信号和气溶胶的米(Mie)散射回波光信号时，激光雷达回波光信号所需的通道是不同的，而且为了达到较高的激光雷达测量精度要求激光雷达回波光信号的过滤通道宽度尽可能小，因此该回波光信号选通系统需要实现回波光信号的可变通道窄带宽滤波。此外，由于需要根据激光雷达的不同工作状态来选择不同的光探测器，而不同的光探测器的物理性质和参数设置有差异，因此需要实现激光雷达回波光信号的衰减度变化，即光度调节，以获得多光度的选通系统。
在传统的激光雷达系统中，通常采用的回光滤波装置都是单通道窄带宽单光度的系统，这主要是由于普通激光雷达的功能单一化，因此一般只需要在测量通道上实现窄带宽和单光度，没有变通道和多光度的要求，然而要实现一台激光雷达的多功能化，可以通过改变其探测器来实现，同时要求改变激光雷达的回光过滤系统的通道和光度，实现窄带宽滤波。
激光雷达的回波光信号滤波选通系统的主要性能取决于滤光器的选择。干涉滤光片是激光雷达中最常用的滤光器，它的作用原理和法布里-泊罗干涉仪相似，利用在玻璃衬底上镀的多层折射材料实现中心波长的滤波选通，它具有反射率高和吸收系数小的优点，在可见光波段可以实现1nm以下的滤波带宽，中心波长的透过率可以达到60％左右。除了干涉滤光片以外，常用的滤光器还有散射滤光器，法布里-泊罗单色仪，光栅单色仪，分光棱镜等，为了实现超窄带宽的选通滤波，还可以使用法拉第原子滤光器。而对于一般精度的激光雷达，干涉滤光片基本上可以满足测量需要。
发明内容
本发明的目的是为了克服现用激光雷达回波光信号滤波装置的复杂和通道单一性的缺点，提出一种实现回波光信号的多光度调节，最终得到一种复杂度低、稳定度高、便于操作控制的激光雷达回波光信号滤波选通系统。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种激光雷达回波光信号滤波选通系统，包括：耦合准直模块、回波光信号滤波模块、回波光信号衰减模块和回波光信号缩束模块；其连接关系为：耦合准直模块与回波光信号滤波模块连接；回波光信号滤波模块与回波光信号衰减模块连接；回波光信号衰减模块与回波光信号缩束模块连接。
所述耦合准直模块的主要作用是：激光雷达回波光信号输入到耦合准直模块后，对该激光雷达回波光信号进行处理后，使其平行进入回波光信号滤波模块。其具体实现为：采用直准耦合透镜组结构。
所述回波光信号滤波模块用于实现激光雷达回波光信号的窄带宽和多通道的滤波功能；所述回波光信号滤波模块使用可变换干涉滤光片的滤波装置，通过以下两种方式实现其通道可调：①利用插片方式来更换干涉滤光片；②利用旋转方式来更换所需的干涉滤光片。插片式方式的优点是：可以更换任何波段带宽的干涉滤光片，在过滤通道和带宽的选择上更为灵活；其缺点是：替换需要手动更换干涉滤光片，而且考虑到作为探测器的光电倍增管极易饱和，所以每次更换滤光片都需要关闭探测系统。电机控制的旋转式替换方式的优点是：可以通过微机自动控制，方便快捷，而且可以在探测器运行过程中进行；其缺点是：可更换的通道以及带宽有限。
所述回波光信号衰减模块用于在激光雷达回波光信号经过回波光信号滤波模块的滤波以后，实现激光雷达回波光信号的多光度衰减功能，以增大激光雷达探测动态范围。其具体实现有以下三种方式：①利用插片式的方式来更换光学衰减片；②利用旋转方式来更换所需的干涉滤光片；③将平行的激光雷达回波光信号聚焦后，在焦点处放置一连续可变的旋转信号光度衰减装置，实现信号光度衰减调节。
所述回波光信号缩束模块的作用是：在实现了变通道窄带宽和多光度的选通后，将激光雷达回波光信号进行缩束或者聚焦到外围设备探测器的接受面上。其具体实现方式有两种：①用反向的伽利略望远镜来实现光束压缩；②使用一个透镜把光束聚焦到外围设备探测器的接受面上。
各模块之间的信号流向为：
①激光雷达回波光信号输入到耦合准直模块后，对该激光雷达回波光信号进行处理后，使其平行进入回波光信号滤波模块；
②回波光信号滤波模块对平行输入的激光雷达回波光信号进行窄带宽和多通道的滤波，并将信号输出到回波光信号衰减模块；
③回波光信号衰减模块对输入信号进行光度衰减调节；
④经过光度衰减调节的激光雷达回波光信号进入回波光信号缩束模块，经过回波光信号缩束模块的处理后，被缩束或者聚焦到外围设备探测器的接受面上。
有益效果
本发明中所设计的激光雷达回波光信号滤波选通系统和已有系统相比有以下几个优点：
1、克服了传统激光雷达回光滤波系统只考虑单波长通道滤波的缺点，实现了多通道窄带宽的滤波选通，适合于多用途的激光雷达系统；
2、实现了激光雷达回光滤波系统的多光度输出，可以适用于不同的信号需求以及不同的后方探测系统；
3、设计了手动直插式和电控旋转式的通道调节结构和光度调节结构，适用于不同用途的激光雷达系统；
4、所有系统都集成在一个平台上，具有很好的便利性和通用性。
附图说明
图1为本发明关于激光雷达回波光信号滤波选通系统的一种具体实施方式的基本模块组成及信号流程示意图；
图2为本发明具体实施方式中的旋转式激光雷达回波光信号滤波选通系统示意图；
图中，XMM-牛顿望远系统；F-光纤；C-准直耦合透镜组；P-旋转干涉滤光装置；A-旋转光学衰减装置；B-回波光信号缩束装置；MPT-光探测器；M1-第一马达；M2-第二马达；D-马达驱动；
图3为本发明具体实施方式中的旋转式激光雷达回波光信号滤波选通系统的改进示意图；
图中，XMM-牛顿望远系统；F-光纤；C-准直耦合透镜组；Q-连续型旋转干涉滤光装置；A-旋转光学衰减装置；B-回波光信号缩束装置；MPT-光探测器；M1-第一马达；M2-第二马达；D-马达驱动。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的基本模块组成及信号流程示意图；外围设备牛顿望远系统收集激光雷达回波光信号，通过光纤输入到耦合准直模块后，经过处理，输出平行的激光雷达回波光信号到回波光信号滤波模块，经过滤波后，输出到回波光信号衰减模块；回波光信号衰减模块对输入信号进行光度衰减调节后输出到回波光信号缩束模块，经过处理后，激光雷达回波光信号被缩束或者聚焦到外围设备探测器的接受面上。
旋转式激光雷达回波光信号滤波选通系统，如图2所示，包括：准直耦合透镜组C、旋转干涉滤光装置P、旋转光学衰减装置A和回波光信号缩束装置B；第一马达M1；第二马达M2；马达驱动D；控制系统。
准直耦合透镜组C的输入端通过光纤F与外围设备牛顿望远系统连接，输出端与旋转干涉滤光装置P的输入端连接；旋转干涉滤光装置P的输出端与旋转光学衰减装置A的输入端连接；旋转光学衰减装置A的输出端与回波光信号缩束装置B的输入端连接；回波光信号缩束装置B的输出端与外围设备光探测器MPT连接；旋转干涉滤光装置P与第一马达M1连接；旋转光学衰减装置A与第二马达M2连接；马达驱动D与第一马达M1和第二马达M2连接；马达驱动D与控制系统连接；控制系统为软件程序，实现对马达驱动D的程序控制，马达驱动D驱动第一马达M1实现对旋转干涉滤光装置P的调控；同时马达驱动D驱动第二马达M2实现对旋转光学衰减装置A的调控。
图3是旋转式激光雷达回波光信号滤波选通系统的改进示意图；它与旋转式激光雷达回波光信号滤波选通系统的不同之处仅在于回波光信号衰减模块采用了连续型旋转干涉滤光装置Q，先通过透镜G将平行的激光雷达回波光信号聚焦后，在焦点处放置一连续型旋转干涉滤光装置Q，实现信号光度衰减调节。

Claims (5)

1.一种激光雷达回波光信号滤波选通系统，其特征在于：包括：耦合准直模块、回波光信号滤波模块、回波光信号衰减模块和回波光信号缩束模块；
其连接关系为：耦合准直模块与回波光信号滤波模块连接；回波光信号滤波模块与回波光信号衰减模块连接；回波光信号衰减模块与回波光信号缩束模块连接；
所述耦合准直模块的主要作用是：激光雷达回波光信号输入到耦合准直模块后，对该激光雷达回波光信号进行处理后，使其平行进入回波光信号滤波模块；
所述回波光信号滤波模块用于实现激光雷达回波光信号的窄带宽和多通道的滤波功能；所述回波光信号滤波模块使用可变换干涉滤光片的滤波装置；
所述回波光信号衰减模块用于在激光雷达回波光信号经过回波光信号滤波模块的滤波以后，实现激光雷达回波光信号的多光度衰减功能；
所述回波光信号缩束模块的作用是：在实现了变通道窄带宽和多光度的选通后，将激光雷达回波光信号进行缩束或者聚焦到外围设备探测器的接受面上；
各模块之间的信号流向为：
①激光雷达回波光信号输入到耦合准直模块后，对该激光雷达回波光信号进行处理后，使其平行进入回波光信号滤波模块；
②回波光信号滤波模块对平行输入的激光雷达回波光信号进行窄带宽和多通道的滤波，并将信号输出到回波光信号衰减模块；
③回波光信号衰减模块对输入信号进行光度衰减调节；
④经过光度衰减调节的激光雷达回波光信号进入回波光信号缩束模块，经过回波光信号缩束模块的处理后，被缩束或者聚焦到外围设备探测器的接受面上。
2.如权利要求1所述的一种激光雷达回波光信号滤波选通系统，其特征在于：所述耦合准直模块采用直准耦合透镜组结构实现。
3.如权利要求1所述的一种激光雷达回波光信号滤波选通系统，其特征在于：所述回波光信号滤波模块使用可变换干涉滤光片的滤波装置，通过以下两种方式实现其通道可调：①利用插片方式来更换干涉滤光片；②利用旋转所述回波光信号滤波模块方式来更换所需的干涉滤光片。
4.如权利要求1所述的一种激光雷达回波光信号滤波选通系统，其特征在于：所述回波光信号衰减模块的具体实现有以下三种方式：①利用插片式的方式来更换光学衰减片；②利用旋转方式来更换所需的干涉滤光片；③将平行的激光雷达回波光信号聚焦后，在焦点处放置一连续可变的旋转信号光度衰减装置，实现信号光度衰减调节。
5.如权利要求1所述的一种激光雷达回波光信号滤波选通系统，其特征在于：所述回波光信号缩束模块的具体实现方式有两种：①用反向的伽利略望远镜来实现光束压缩；②使用一个透镜把光束聚焦到外围设备探测器的接受面上。
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