CN102608613B - 一种激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置，由室内激光远场分布测试装置和激光雷达探测灵敏度测试装置组成；其标定方法为：先通过室内激光远场分布测试装置得到激光雷达发射激光的光束质量分布K，再将激光雷达发射激光束和模拟回波信号调节平行后，测得进入激光雷达接收系统模拟回波信号的能量值P；增加吸收型衰减片的衰减倍数，至激光雷达接收系统输出的探测信号达到临界值，得到最小可探测功率P_rmin，最后获得激光雷达对小目标的探测能力。其有益效果是，将光束质量分布与激光雷达探测能力联系起来，能够精确地获知目标处于激光截面不同位置处时，激光雷达的探测能力。

Description

一种激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置与方法

技术领域

本发明属于激光主动探测技术领域，具体涉及一种激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置与方法。

背景技术

激光雷达的探测能力是系统设计的主要技术指标，探测能力的大小由整个系统的综合性能(探测灵敏度)、传输介质情况和被测目标的特性决定。星载或机载仪器的探测距离通常很远，探测能力的大小不能直接测量或测试成本高昂，需要在地面采用间接测量和分析计算的方法进行评估。根据探测目标相对于光束横截面积的不同，探测目标通常可分为面目标和点目标。同一台仪器，当探测目标性质发生变化时，其探测能力也会发生较大的变化。当探测目标为面目标时，激光发射光束质量对其没有影响，地面定标与测试也较为容易，目前已经有较为成熟的室内和外场测试方法，如消光试验法、光纤消光法和直接模拟测量法。当探测目标为点目标时，探测能力受到远场光束分布的影响，目标处于光束截面的不同位置时探测能力也会发生较大变化，这给地面的定标和测试带来了很大的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置与方法，以解决当激光雷达的探测目标远小于激光束截面积时，其探测能力(最大探测范围)受光束质量分布影响严重而无法精确定量标定的难题。

本发明所采用的技术方案是，一种激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置，由室内激光远场分布测试装置和激光雷达探测灵敏度测试装置组成；

室内激光远场分布测试装置包括第一激光雷达发射系统、第一分光镜、长焦距抛物面反射镜和计算机处理系统；第一分光镜与计算机处理系统之间依次设置有第一光电转换器和第一延时器，第一光电转换器、第一延时器和计算机处理系统依次通过导线连接；第一分光镜与长焦距抛物面反射镜之间设置有第一中性密度滤光片；计算机处理系统还通过导线连接有光束质量分析仪，光束质量分析仪与长焦距抛物面反射镜之间设置有第一反射镜；

激光雷达探测灵敏度测试装置包括第二激光雷达发射系统、第二分光镜、第三分光镜、激光雷达接收系统、长焦距平行光管和CMOS相机；第二分光镜位于第二激光雷达发射系统与长焦距平行光管之间，第三分光镜位于激光雷达接收系统与长焦距平行光管之间；第二激光雷达发射系统与第二分光镜之间还设置有第二中性密度滤光片；第二分光镜与第三分光镜之间依次设置有第二光电转换器、第二延时器、光纤输出激光器、准直器和吸收型衰减片，第二光电转换器、第二延时器和光纤输出激光器依次通过导线连接，光纤输出激光器与准直器之间通过光纤连接，光纤上设置有衰减器；CMOS相机的光敏面位于长焦距平行光管的焦平面上。

本发明所采用的另一个技术方案是，利用上述激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置进行精确标定的方法，具体操作步骤如下：

步骤1，

第一激光雷达发射系统发射出激光脉冲，经第一分光镜分为两束：其中一束激光透射过第一中性密度滤光片并经第一中性密度滤光片的衰减后水平射入长焦距抛物面反射镜，再经长焦距抛物面反射镜反射给第一反射镜，再由第一反射镜反射后聚焦在光束质量分析仪的光敏面上，形成发射激光光斑，光束质量分析仪的光敏面位于长焦距抛物面反射镜的焦面上；另外一束激光进入第一光电转换器转换为电信号，电信号再经第一延时器延时后进入计算机处理系统，实现光信号的同步采集；将光束质量分析仪采集到的光斑进行数学处理即可得到激光雷达发射激光的光束质量分布K；

步骤2，

第二激光雷达发射系统发射出激光束，经过第二中性密度滤光片衰减后进入第二分光镜，被第二分光镜分为两束：其中一束激光束透射过第二分光镜直接水平射向长焦距平行光管上；另一束激光束被第二分光镜反射进入第二光电转换器将光信号转换为电信号，又经第二延时器延时后触发光纤输出激光器输出光脉冲信号，光脉冲信号经过光纤和衰减器后被准直器准直成为准直光，此准直光即为模拟回波信号；模拟回波信号经过吸收型衰减片的衰减后被第三分光镜分为两束：一束模拟回波信号水平射向长焦距平行光管，另一束模拟回波信号进入激光雷达接收系统；进入长焦距平行光管的两束光聚焦在焦面上并由CMOS相机探测出激光光斑，通过平行光管将激光雷达发射激光束和模拟回波信号调节平行，使得CMOS相机探测出的两束光的激光光斑重合；

步骤3，

当激光雷达发射激光束和模拟回波信号调节平行后，测得进入激光雷达接收系统模拟回波信号的能量值为P；

步骤4，

模拟回波信号进入激光雷达接收系统后，激光雷达接收系统输出探测信号；增加吸收型衰减片的衰减倍数，至激光雷达接收系统输出的探测信号达到临界值；并且标定吸收型衰减片的衰减倍数，获得激光雷达接收系统的最小可探测功率P_rmin，P_rmin＝P×衰减倍数；

步骤5，

根据下式获得激光雷达对小目标的探测能力，即最大可探测范围值R_max，R_max如下式所示：

$R_{\max }={\left(\frac{{\mathrm{KP}}_t{\mathrm{\τ}}_0{A}_r\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\θ}}_t^2{P}_{r\min }}\right)}^{\frac{1}{4}}---\left(1\right)$

式中，K为光束质量分析仪测得的光束质量分布函数，P_t是第二激光雷达发射系统输出的功率，τ₀是接收光学系统效率，σ为被探测目标的雷达截面，A_r是接收光学系统孔径面积，θ_t是发射光束发散角，P_rmin是到达激光雷达的最小可探测功率。

本发明的有益效果是，(1)将光束质量分布与激光雷达探测能力联系起来，能够精确地获知目标处于激光截面不同位置处时，激光雷达的探测能力；(2)在激光雷达探测灵敏度的系统中，通过平行光管和折转镜将模拟回波光路与被测激光雷达光路对接，探测灵敏度测试精度高；(3)实现了全部的实验室内检测，测试结果稳定，不受外界干扰影响，测试结果更具可信性。

附图说明

图1是室内激光远场分布测试装置的结构示意图；

图2是激光雷达探测灵敏度测试装置的结构示意图。

图中，1-1.第一分光镜，1-2.第一中性密度滤光片，1-3.长焦距抛物面反射镜，1-4.第一反射镜，1-5.光束质量分析仪，1-6.第一光电转换器，1-7.第一延时器，1-8.计算机处理系统，1-9.第一激光雷达发射系统，2-1.第二中性密度滤光片，2-2.第二光电转换器，2-3.第二延时器，2-4.光纤输出激光器，2-5.光纤，2-6.衰减器，2-7.准直器，2-8.二维俯仰调节台，2-9.吸收型衰减片，2-10.第三分光镜，2-11.第三反射镜，2-12.第四反射镜，2-13.第二反射镜，2-14.长焦距平行光管，2-15.CMOS相机，2-16.第二分光镜，2-17.第二激光雷达发射系统，2-18.激光雷达接收系统。

具体实施方式

本发明提供一种激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置，由室内激光远场分布测试装置和激光雷达探测灵敏度测试装置组成；

如图1所示，室内激光远场分布测试装置包括第一激光雷达发射系统1-9、第一分光镜1-1、长焦距抛物面反射镜1-3和计算机处理系统1-8；第一分光镜1-1与计算机处理系统1-8之间依次设置有第一光电转换器1-6和第一延时器1-7，第一光电转换器1-6、第一延时器1-7和计算机处理系统1-8依次通过导线连接；第一分光镜1-1与长焦距抛物面反射镜1-3之间设置有第一中性密度滤光片1-2；计算机处理系统1-8还通过导线连接有光束质量分析仪1-5，光束质量分析仪1-5与长焦距抛物面反射镜1-3之间设置有第一反射镜1-4；

如图2所示，激光雷达探测灵敏度测试装置包括第二激光雷达发射系统2-17、第二分光镜2-16、第三分光镜2-10、激光雷达接收系统2-18、长焦距平行光管2-14和CMOS相机2-15；第二分光镜2-16位于第二激光雷达发射系统2-17与长焦距平行光管2-14之间，第三分光镜2-10位于激光雷达接收系统2-18与长焦距平行光管2-14之间；第二激光雷达发射系统2-17与第二分光镜2-16之间还设置有第二中性密度滤光片2-1；第二分光镜2-16与第三分光镜2-10之间依次设置有第二光电转换器2-2、第二延时器2-3、光纤输出激光器2-4、准直器2-7和吸收型衰减片2-9，第二光电转换器2-2、第二延时器2-3和光纤输出激光器2-4依次通过导线连接，光纤输出激光器2-4与准直器2-7之间通过光纤2-5连接，光纤2-5上设置有衰减器2-6；CMOS相机2-15的光敏面位于平行光管2-14的焦平面上；准直器2-7设置在二维俯仰调节台2-8上。

利用上述激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置进行精确标定的方法，具体操作步骤如下：

步骤1，

第一激光雷达发射系统1-9发射出激光脉冲，经第一分光镜1-1分为两束：其中一束激光透射过第一中性密度滤光片1-2并经第一中性密度滤光片1-2的衰减后水平射入长焦距抛物面反射镜1-3，再经长焦距抛物面反射镜1-3反射给第一反射镜1-4，再由第一全反镜1-4反射后聚焦在光束质量分析仪1-5的光敏面上，形成发射激光光斑，光束质量分析仪1-5的光敏面位于长焦距抛物面反射镜1-3的焦面上；另外一束激光进入第一光电转换器1-6转换为电信号，电信号再经第一延时器1-7延时后进入计算机处理系统1-8，实现光信号的同步采集；将光束质量分析仪1-5采集到的光斑进行数学处理即可得到激光雷达发射激光的光束质量分布K；

步骤2，

第二激光雷达发射系统2-17发射出激光束，经过第二中性密度滤光片2-1衰减后进入第二分光镜2-16，被第二分光镜2-16分为两束：其中一束激光束透射过第二分光镜2-16直接水平射向平行光管2-14上；另一束激光束被第二分光镜2-16反射进入第二光电转换器2-2将光信号转换为电信号，又经第二延时器2-3延时后触发光纤输出激光器2-4输出光脉冲信号，光脉冲信号经过光纤2-5和衰减器2-6后被准直器2-7准直成为准直光，此准直光即为模拟回波信号；模拟回波信号经过吸收型衰减片2-9的衰减后被第三分光镜2-10分为两束：一束模拟回波信号通过第二反射镜2-13的反射水平射向长焦距平行光管2-14，另一束模拟回波信号通过第三反射镜2-11和第四反射镜2-12的反射进入激光雷达接收系统2-18；进入长焦距平行光管2-14的两束光聚焦在焦面上并由CMOS相机2-15探测出激光光斑，通过长焦距平行光管2-14将激光雷达发射激光束和模拟回波信号调节平行，使得CMOS相机2-15探测出的两束光的激光光斑重合；

步骤3，

当激光雷达发射激光束和模拟回波信号调节平行后，测得进入激光雷达接收系统2-18模拟回波信号的能量值P；

步骤4，

模拟回波信号进入激光雷达接收系统2-18后，激光雷达接收系统2-18输出探测信号；增加吸收型衰减片2-9的衰减倍数，至激光雷达接收系统2-18输出的探测信号达到临界值；并且标定吸收型衰减片2-9的衰减倍数，获得激光雷达接收系统2-18的最小可探测功率P_rmin，P_rmin＝P×衰减倍数；

步骤5，

根据下式获得激光雷达对小目标的探测能力，即最大可探测范围值R_max，R_max如下式所示：

$R_{\max }={\left(\frac{{\mathrm{KP}}_t{\mathrm{\τ}}_0{A}_r\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\θ}}_t^2{P}_{r\min }}\right)}^{\frac{1}{4}}---\left(1\right)$

式中，K为光束质量分析仪1-5测得的光束质量分布函数，P_t是第二激光雷达发射系统2-17输出的功率，τ₀是接收光学系统效率，σ为被探测目标的雷达截面，A_r是接收光学系统孔径面积，θ_t是发射光束发散，P_rmin是到达激光雷达的最小可探测功率。

第一分光镜1-1为能量分束比为9∶1的分光镜，90％透射，10％反射；第一中性密度滤光片1-2采用spiricon公司的中性密度滤光片，适用波长为400nm-1100nm；长焦距抛物面反射镜1-3为焦距为4米的抛物面反射镜；第一反射镜1-4为反射次镜；光束质量分析仪1-5为spiricon公司的CCD光束质量分析仪。

第二中性密度滤光片2-1采用spiricon公司的中性密度滤光片，适用波长为400nm-1100nm；第二光电转换器2-2为光电转换器；光纤输出激光器2-4，波长为1064nm；光纤2-5为芯径9um的单模光纤；衰减器2-6为线式手动可调衰减器；准直器2-7由一个光纤准直器和十倍扩束镜组成，将从光纤中出射的激光准直为0.5mrad；二维俯仰调节台2-8用于调节模拟回波的俯仰和方位指向；吸收型衰减片2-9采用spiricon公司的中性密度滤光片；第三分光镜2-10为分光比为9∶1的分光镜，90％光能量被反射，10％光能量被透射；平行光管2-14为焦距为1米的平行光管；CMOS相机2-15采用微视公司型号为MM1000的黑白CMOS摄像头；第二分光镜2-16为分光比1∶1的分光片。

利用本发明提供的方法对某激光雷达的远场分布和探测灵敏度进行了测试，该激光雷达的最小可探测能量密度点的强度为9.55×10¹²W/sr，峰值点处的辐射强度为3.51×10¹³W/sr。最小可探测功率也即系统探测灵敏度为1×10^-9W。最后根据公式(1)计算得到，激光雷达对雷达截面为0.15的目标的探测能力最小为15km，最大为21km。

Claims (1)

1.一种激光雷达对点目标探测能力的精确标定方法，

该方法基于的装置由室内激光远场分布测试装置和激光雷达探测灵敏度测试装置组成；

所述室内激光远场分布测试装置包括第一激光雷达发射系统（1-9）、第一分光镜（1-1）、长焦距抛物面反射镜（1-3）和计算机处理系统（1-8）；第一分光镜（1-1）与计算机处理系统（1-8）之间依次设置有第一光电转换器（1-6）和第一延时器（1-7），第一光电转换器（1-6）、第一延时器（1-7）和计算机处理系统（1-8）依次通过导线连接；第一分光镜（1-1）与长焦距抛物面反射镜（1-3）之间设置有第一中性密度滤光片（1-2）；计算机处理系统（1-8）还通过导线连接有光束质量分析仪（1-5），光束质量分析仪（1-5）与长焦距抛物面反射镜（1-3）之间设置有第一反射镜（1-4）；

所述激光雷达探测灵敏度测试装置包括第二激光雷达发射系统（2-17）、第二分光镜（2-16）、第三分光镜（2-10）、激光雷达接收系统（2-18）、长焦距平行光管（2-14）和CMOS相机（2-15）；第二分光镜（2-16）位于第二激光雷达发射系统（2-17）与长焦距平行光管（2-14）之间，第三分光镜（2-10）位于激光雷达接收系统（2-18）与长焦距平行光管（2-14）之间；第二激光雷达发射系统（2-17）与第二分光镜（2-16）之间还设置有第二中性密度滤光片（2-1）；第二分光镜（2-16）与第三分光镜（2-10）之间依次设置有第二光电转换器（2-2）、第二延时器（2-3）、光纤输出激光器（2-4）、准直器（2-7）和吸收型衰减片（2-9），第二光电转换器（2-2）、第二延时器（2-3）和光纤输出激光器（2-4）依次通过导线连接，光纤输出激光器（2-4）与准直器（2-7）之间通过光纤（2-5）连接，光纤（2-5）上设置有衰减器（2-6）；CMOS相机（2-15）的光敏面位于长焦距平行光管（2-14）的焦平面上；

其特征在于，

上述激光雷达对点目标探测能力的精确标定装置进行精确标定的方法，具体操作步骤如下：

步骤1，

第一激光雷达发射系统（1-9）发射出激光脉冲，经第一分光镜（1-1）分为两束：其中一束激光透射过第一中性密度滤光片（1-2）并经第一中性密度滤光片（1-2）的衰减后水平射入长焦距抛物面反射镜（1-3），再经长焦距抛物面反射镜（1-3）反射给第一反射镜（1-4），再由第一反射镜（1-4）反射后聚焦在光束质量分析仪（1-5）的光敏面上，形成发射激光光斑，光束质量分析仪（1-5）的光敏面位于长焦距抛物面反射镜（1-3）的焦面上；另外一束激光进入第一光电转换器（1-6）转换为电信号，电信号再经第一延时器（1-7）延时后进入计算机处理系统（1-8），实现光信号的同步采集；将光束质量分析仪（1-5）采集到的光斑进行数学处理即可得到激光雷达发射激光的光束质量分布K；

步骤2，

第二激光雷达发射系统（2-17）发射出激光束，经过第二中性密度滤光片（2-1）衰减后进入第二分光镜（2-16），被第二分光镜（2-16）分为两束：其中一束激光束透射过第二分光镜（2-16）直接水平射向长焦距平行光管（2-14）上；另一束激光束被第二分光镜（2-16）反射进入第二光电转换器（2-2）将光信号转换为电信号，又经第二延时器（2-3）延时后触发光纤输出激光器（2-4）输出光脉冲信号，光脉冲信号经过光纤（2-5）和衰减器（2-6）后被准直器（2-7）准直成为准直光，此准直光即为模拟回波信号；模拟回波信号经过吸收型衰减片（2-9）的衰减后被第三分光镜（2-10）分为两束：一束模拟回波信号水平射向长焦距平行光管（2-14），另一束模拟回波信号进入激光雷达接收系统（2-18）；进入长焦距平行光管（2-14）的两束光聚焦在焦面上并由CMOS相机（2-15）探测出激光光斑，通过平行光管（2-14）将激光雷达发射激光束和模拟回波信号调节平行，使得CMOS相机（2-15）探测出的两束光的激光光斑重合；

步骤3，

当激光雷达发射激光束和模拟回波信号调节平行后，测得进入激光雷达接收系统（2-18）模拟回波信号的能量值为P；

步骤4，

模拟回波信号进入激光雷达接收系统（2-18）后，激光雷达接收系统（2-18）输出探测信号；增加吸收型衰减片（2-9）的衰减倍数，至激光雷达接收系统（2-18）输出的探测信号达到临界值；并且标定吸收型衰减片（2-9）的衰减倍数，获得激光雷达接收系统（2-18）的最小可探测功率P_rmin，P_rmin=P×衰减倍数；

步骤5，

根据下式获得激光雷达对小目标的探测能力，即最大可探测范围值R_max，R_max如下式所示：

$R_{\max }={\left(\frac{{\mathrm{KP}}_t{\mathrm{\τ}}_0{A}_r\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\θ}}_t^2{P}_{r\min }}\right)}^{\frac{1}{4}}---\left(1\right)$

式中，K为光束质量分析仪（1-5）测得的光束质量分布函数，P_t是第二激光雷达发射系统（2-17）输出的功率，τ₀是接收光学系统效率，σ为被探测目标的雷达截面，A_r是接收光学系统孔径面积，θ_t是发射光束发散角，P_rmin是到达激光雷达的最小可探测功率。

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