CN103852753B - 激光雷达多通道接收光路高速斩光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种激光雷达多通道接收光路高速斩光装置，包括大口径斩光盘片，高扭矩高转速驱动电机，电机驱动器，供电电源，触发输出电路；大口径斩光盘片上在不同位置处开有多个槽口，用于切割激光雷达接收望远镜接收的回波信号，使得近场强回波信号被盘片挡住，而远场回波信号通过槽口，被探测器探测；高扭矩高转速驱动电机用于驱动大口径斩光盘片按所需速度进行旋转；电机驱动器提供电机所需的相序电压，速度控制信号，方向控制信号和制动控制信号；触发输出电路用于将斩光盘的转速信息输出，同步激光雷达系统中其他仪器设备。本发明采用大口径高速旋转的斩光盘片可以从回波信号源头抑制近场强回波信号，保护光电探测器，改善系统探测的动态范围。

Description

激光雷达多通道接收光路高速斩光装置
技术领域
本发明涉及激光雷达斩光装置的技术领域，尤其涉及一种激光雷达多通道接收光路高速斩光装置，其具体为臭氧探测激光雷达接收光路的近场强回波信号抑制和动态范围改善的高速斩光装置。
背景技术
激光雷达硬件系统大体可分为：发射部分、接收部分和电子控制采集部分。对于大功率口径的激光雷达系统来说（通常为了获得较高的探测高度），由于很高的发射功率，常常会使弱信号探测的光电探测单元出现饱和效应（非线性效应），同时也会使系统的回波信号范围超过光电探测单元（尤其是光电倍增管）或采集单元的动态范围。因此在设计此类激光雷达接收部分时，其中一个需要考虑的重要问题是如何避免光电探测单元饱和和改善系统动态范围在探测范围内。
目前，激光雷达系统中广泛使用的方法是通过光电倍增管的电子门控来抑制近场强回波信号。其主要原理是通过控制施加给光电倍增管放大级的电压，使得近场强回波信号的光阴极输出的电子信号不能得以放大。此方法存在的主要缺陷是近场强回波信号仍然辐射在光电倍增管的的光电阴极上，光电阴极光电材料的晕眩效应影响其实仍然存在，其对于后续回波信号的影响很难在数值上进行估计，近场信号越强，其影响距离越长。因此，通过电子门控的方法来抑制近场强回波信号并不是最佳的方法。特别是我们在研制全臭氧层探测激光雷达系统中，由于需要探测整个大气臭氧层的垂直廓线，考虑动态范围问题，需采用分层探测的方法，系统设计采用多个探测通道组合方式，高的激光发射功率使得近场回波信号很强，较好的解决方案是采用机械斩光方法。至今，对于多个通道集成于一体的激光雷达接收光路斩光装置却未见报道。
发明内容
本发明的主要目的是针对多通道探测激光雷达近场强回波信号的抑制问题，提供一种激光雷达多通道接收光路高速斩光装置，满足对多通道探测激光雷达系统近场强回波信号抑制的需求，保护探测器，也改善整个系统动态范围。
为解决上述问题，本发明提出了一种激光雷达多通道接收光路高速斩光装置，其包括：大口径斩光盘片，高扭矩高转速驱动电机，电机驱动器，供电电源，触发输出电路。其中：大口径斩光盘片上在不同位置处开有多个槽口，用于切割激光雷达接收望远镜接收的回波信号，使得近场强回波信号被盘片挡住，而远场回波信号通过槽口，被探测器探测；高扭矩高转速驱动电机用于驱动大口径斩光盘片按所需速度进行旋转；电机驱动器提供电机所需的相序电压，速度控制信号，方向控制信号和制动控制信号；触发输出电路用于将斩光盘的转速信息输出，同步激光雷达系统中其他仪器设备。
进一步的，大口径斩光盘片上加工有多个槽口，其中最外部槽口在一个圆周上均匀分布，槽口弧在圆周上对应的角度为θslot,盘片转动θslot所用时间为t,t应该大于等于激光雷达单激光脉冲采样所需的时间；内部槽口在同一个圆周上均匀分布，槽口弧对应的角度也为θslot，各个槽口位置关系由激光雷达时序关系确定。
本发明的优点和效果是：采用大口径高速旋转的斩光盘片可以从回波信号源头抑制近场强回波信号；多槽口设计改善探测系统动态范围，同时也保护探测器的阴极材料靶面；并配合光电开关电路输出系统所需同步脉冲信号。采用高转速高扭矩电机驱动斩光盘片以特定的速度旋转（依据激光雷达要求确定）。通过多槽口的对称的设计结构满足多个不同通道的需求，槽口在盘片上的角度位置关系保证信号通过的相位时间顺序。通过对称的两个小槽口，配合光电开关电路，输出激光雷达所需的主时钟信号，用于同步激光雷达系统的其他各个部件。
附图说明
图1是激光雷达多通道接收光路高速斩光装置示意图。
图2是多通道斩光盘片槽口布局示意图。
图3是激光雷达多通道接收光路高速斩光装置具体应用实例1。
图4是激光雷达多通道接收光路高速斩光装置具体应用实例2。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
本发明提出的激光雷达多通道接收光路高速斩光装置包括：斩光盘片101，驱动电机102，电机安装固定架103，电机驱动器104，直流供电电源105。所述斩光盘片上带有不同布局的槽口，通过带有凸台的铝合金圆块固定在驱动电机转子上；所述驱动电机通过在通电状态下驱动斩光盘片高速旋转，在不同使用环境中有不同的转速和扭矩要求，电机内部封装有霍尔效应元件，用于保证电机可以恒定速度工作；所述电机安装固定架用于安装固定电机；所述电机驱动器用于输出电机所需的供电电压，监测电机返回的转速信号，控制电机的转速，转向等各种控制信号；所述直流电源用于给电机驱动器供电，并可精密输出可调节的电压信号，用于调节电机转速到指定速度。
图2是激光雷达多通道接收光路高速斩光装置在臭氧激光雷达系统中应用的斩光盘片槽口布局示意图。盘片上加工有多个槽口：槽口201,202,203,204,205,206,207和208。其中最外部槽口201,202,203和204在一个圆周上均匀分布，槽口弧在圆周上对应的角度为90°。槽口205和206在同一个圆周上均匀分布，槽口弧对应的角度也为90°，其位置由激光雷达时序关系确定。最内部槽口207和208也在同一圆周对称分布，用于输出激光雷达系统同步脉冲信号。图3给出了所述多通道斩光盘片在臭氧激光雷达接收系统中的具体应用实例。所述臭氧激光雷达接收系统分层对大气回波信号进行接收，接收的回波信号包括波长266nm,289nm,299nm,308nm和355nm米散射或瑞利分子散射信号。332nm和387nm氮气分子的拉曼散射信号。所对应的接收光路如图中所示。332nm拉曼散射信号由波长308nm激光激发产生。387nm拉曼散射信号由355nm激光激发产生。其中289nm和299nm回波信号接收分高低层分别接收，如289L(低层)，299L,289H(高层)和299H。308nm和332nm回波信号在同一条接收光路上对应图中308/332。355nm和387nm回波信号在同一条接收光路上对应图中355/387。266，289L,299L,308/332，355/387布局在所述槽口201,202,203和204所在的圆周上，289L和299L在水平方向对称布局。299L和308/332间隔60°，355/387和299L间隔60°，266和299L间隔90°。289H和299H对称布局在所述槽口205和206所在的圆周上，299H和299L间隔30度。触发器布局在所述槽口207、208所在的圆周上，触发器和308/332间隔0°，用于输出臭氧激光雷达系统同步脉冲信号。实际运行过程中，电机带动盘片以6000转每分钟速度旋转，那么触发器将输出200Hz的同步脉冲信号（周期为T），用于触发200Hz的308nm激光器,延时T/3减去所需的信号打开高度时间触发200Hz的355nm激光器，再延时T/3触发减去所需的信号打开高度触发50Hz的266nm激光器。如此，可实现不同发射激光分时序列发射，避免回波信号之间的相互影响。
如图2所示，外部槽口201,202,203,204所在的圆周的半径为R1米,内槽口205,206所在圆周半径为R2米,电动机带动盘片选装的速度为n转/分钟。如图3所示，安置在外槽口的266,289L,299L,355/387,308/332的回波信号在盘片旋转面处光斑直径为d米。
那么，盘片切割外槽口回波信号时间t1为：
t1＝60d/(2πnR1)
在激光雷达回波信号中对应的过度距离为：
h＝ct1/2（其中c为光速）
如果我们需要从L距离开始回波信号可进行完全探测，那么我们应设置的触发器和激光器输出的光脉冲之间的延时为：
tdelay＝2(L-h)/c
这个延时可通过延迟电路在宽范围内精确设置。
实施例2
图4是激光雷达多通道接收光路高速斩光装置具体应用实例2的示意图。该应用实例用于四通道接收的钠测温测风激光雷达系统接收机中。该斩光装置中的斩光盘片上加工有四个均匀布置槽口，分别为401，402，403，404.图中四个黑点表示四个接收通道回波信号经过盘片的位置（黑点大小不表示实际光斑大小）。四个槽口弧对应的角度都为90°，由于那测温测风激光雷达的四个通道完全一样，因此四个通道的布置在盘片上是完全对称的，即401和403关于转动中心对称，402和404关于转动中心对称。405为安装的触发器装置，用于输出钠测温测风激光雷达所需的主同步时钟信号，其输出频率为180Hz，分频后同步钠测温测风激光雷达系统中其他部件。

Claims (1)

1.一种激光雷达多通道接收光路高速斩光装置，其特征在于，包括：大口径斩光盘片(101)，高扭矩高转速驱动电机(102)，电机驱动器(104)，供电电源(105)，触发输出电路；其中：大口径斩光盘片(101)上在不同位置处开有多个槽口，用于切割激光雷达接收望远镜接收的回波信号，使得近场强回波信号被盘片挡住，而远场回波信号通过槽口，被探测器探测；高扭矩高转速驱动电机(102)用于驱动大口径斩光盘片(101)按所需速度进行旋转；电机驱动器(104)提供电机所需的相序电压，速度控制信号，方向控制信号和制动控制信号；触发输出电路用于将斩光盘的转速信息输出，同步激光雷达系统中其他仪器设备；
大口径斩光盘片(101)上加工有多个槽口，其中最外部槽口在一个圆周上均匀分布，最外部槽口的槽口弧在圆周上对应的角度为θslot,盘片转动θslot所用时间为t,t应该大于等于激光雷达单激光脉冲所需的时间；内部槽口在同一个圆周上均匀分布，内部槽口的槽口弧对应的角度也为θslot，各个槽口位置关系由激光雷达时序关系确定。
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