CN107515389A - 一种星载激光雷达探测器高精度校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载激光雷达探测器高精度校准系统，包括：校准光源、毛玻璃、小孔光阑、准直镜、第一耦合镜、光纤和若干个待校准探测器组件；其中，校准光源产生光源经过毛玻璃形成均匀光源，均匀光源经过小孔光阑形成理想点光源，理想点光源经过准直镜形成准直平行光，准直平行光通过第一耦合镜耦合进入光纤，再通过光纤进入第二耦合镜后输出耦合光，耦合光经过滤光片形成过滤光，过滤光经过50/50分光棱镜分成光强相等的两路光，一路光照射标准功率计，另一路光经过衰减片组形成衰减光，衰减光照射到待校准探测器。本发明保障星载激光雷达长时间运行中测量数据的精确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于适用于地面、海洋和机载的激光雷达系统领域，尤其涉及一种星载激光雷达探测器高精度校准系统。
背景技术
激光雷达较传统雷达有抗干扰能力强，隐蔽性好、体积小、重量轻、探测灵敏度和测量分辨率高等优点，是进几年来各国大力发展的关键技术。随着激光雷达技术的不断成熟，激光雷达从开始的地面平台，转向海洋、机载，甚至星载平台。星载激光雷达能大范围的探测大气气溶胶、云、大气风场、污染气体、地表形貌和植被情况等信息，为气象、环境、林农业、军事等领域提供全面、准确和即时的监控测量数据，具有重要的民用和军用价值。
激光雷达主要由发射系统、接收系统和信息处理等部分组成，星载激光雷达的接收系统由望远镜和光电倍增管或雪崩二极管等高灵敏探测器构成。星载激光雷达的探测器需要在空间环境中长期使用，由于受到空间外部环境和探测器自身寿命等因素的影响，探测器的性能可能会下降，影响到星载激光雷达测量数据的可靠性，所以需要有一套能产生微弱校准光的高精度校准系统进行定期校准。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载激光雷达探测器高精度校准系统，对待校准探测器进行灵敏度、线性度和时间响应校准，从而保障星载激光雷达长时间运行中测量数据的精确性和可靠性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种星载激光雷达探测器高精度校准系统，包括：校准光源、毛玻璃、小孔光阑、准直镜、第一耦合镜、光纤和若干个待校准探测器组件；其中，所述待校准探测器组件包括第二耦合镜、滤光片、50/50分光棱镜、衰减片组、待校准探测器和标准功率计；校准光源产生光源经过毛玻璃形成均匀光源，均匀光源经过小孔光阑形成理想点光源，理想点光源经过准直镜形成准直平行光，准直平行光通过第一耦合镜耦合进入光纤，再通过光纤进入第二耦合镜后输出耦合光，耦合光经过滤光片形成过滤光，过滤光经过50/50分光棱镜分成光强相等的两路光，一路光照射标准功率计，标准功率计实时获取该路光的光强，另一路光经过衰减片组形成衰减光，衰减光照射到待校准探测器。
上述星载激光雷达探测器高精度校准系统中，所述校准光源包括脉冲电源和LED，其中，脉冲电源驱动LED产生脉冲信号光；调节脉冲电源的输出电流强度改变衰减光的强度，当衰减光无法被待校准探测器有效探测的开始时刻时，标准功率计测到光强为P1，根据光强P1和衰减片组衰减系数η得到待校准探测器的灵敏度。
上述星载激光雷达探测器高精度校准系统中，根据光强P1和衰减片组衰减系数η得到待校准探测器的灵敏度P的公式如下：P＝ηP1。
上述星载激光雷达探测器高精度校准系统中，所述校准光源包括激光器和第二分光棱镜，其中，激光器产生窄脉冲光，窄脉冲光经过第二分光棱镜形成衰减窄脉冲光；衰减光照射到待校准探测器，待校准探测器根据衰减光得到渡越时间、上升时间和下降时间。
上述星载激光雷达探测器高精度校准系统中，第二分光棱镜的分光比可为0.1/99.9～50/50。
上述星载激光雷达探测器高精度校准系统中，激光器产生的窄脉冲光为ns级宽度。
上述星载激光雷达探测器高精度校准系统中，第一耦合镜通过光纤与第二耦合镜相连接。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明校准系统能够完成对激光雷达十分重要的探测器灵敏度、线性度和时间响应的校准，保证了校准的全面性，提高了星载激光雷达的可靠性和精确度；
(2)本发明中的50/50分光棱镜和标准功率计组合能够确保对衰减前校准光的精确、实时的测量，有效降低了因LED不稳定或系统的累积误差对校准的影响，提高了校准的精度和可信度；
(3)本发明利用毛玻璃加小孔光阑产生理想点光源，克服了一般光源均匀性差，发光强度大，光强不稳定的缺点；同时其结构紧凑、体积小、重量轻，较利用积分球的系统更加适合星载平台；
(4)本发明同时采用了光纤作为校准光的传输载体，不仅使整个结构更紧凑、隔离了泄露光对校准精度的影响，而且可以通过光纤分束，实现一个光源对多个探测器进行同时校准的功能。
附图说明
图1为本发明探测器灵敏度和线性度校准系统布局示意图；
图2为本发明探测器时间响应校准系统布局示意图；
图3为本发明中多个探测器同时校准系统示意图；
图4为探测器线性度退化特性示意图；
图5(a)为激光窄脉冲波形及渡越时间的定义；
图5(b)为探测器响应激光窄脉冲后的输出信号波形及上升时间、下降时间的定义。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
一种利用毛玻璃的星载激光雷达探测器高精度校准系统可以实现星载激光雷达用探测器的高精度校准功能，探测器灵敏度和线性度校准系统布局示意图如图1所示；探测器时间响应校准系统布局示意图如图2所示；利用分束光纤的多个探测器同时校准系统示意图如图3所示。
如图3所示，星载激光雷达探测器高精度校准系统包括：校准光源1、毛玻璃2、小孔光阑3、准直镜4、第一耦合镜5、光纤6和若干个待校准探测器组件7。需要理解的是，待校准探测器组件7的数量可以为一个，也可以为多个。其中，
待校准探测器组件7包括第二耦合镜71、滤光片72、50/50分光棱镜73、衰减片组74、待校准探测器75和标准功率计76；
校准光源1产生光源经过毛玻璃2形成均匀光源，均匀光源经过小孔光阑3形成理想点光源，理想点光源经过准直镜4形成准直平行光，准直平行光通过第一耦合镜5耦合进入光纤6，再通过光纤6进入第二耦合镜71后输出耦合光，耦合光经过滤光片72形成过滤光，过滤光经过50/50分光棱镜73分成光强相等的两路光，一路光照射标准功率计76，标准功率计76实时获取该路光的光强，另一路光经过衰减片组74形成衰减光，衰减光照射到待校准探测器75。
星载激光雷达探测器校准系统要求校准精度高、抗干扰能力强、系统稳定性好、体积小、重量轻，可靠性高，采用LED/激光器、毛玻璃、光纤、分束器、标准功率计和衰减片组等器件进行光源的均匀、测量和衰减，构成能够完成探测器灵敏度、线性度和时间响应校准的系统。校准系统搭建在光学黑箱内，脉冲电源110驱动LED120，产生便于探测和信号分析处理的脉冲信号光；LED120前端安装毛玻璃2均匀LED输出光，毛玻璃2前安装小孔光阑3，形成理想点光源；准直镜4准直透过小孔光阑3的光并通过第一耦合镜5进入光纤6，第二耦合镜71前安装滤光片72；50/50分光棱镜73安装在滤光片72与衰减片组74之间，将过滤光分为等光强的两路，一路光照射标准功率计76，另一路光经过衰减片组74照射待校准探测器75，通过标准功率计76实时获得通过衰减片组74前的光强信息；衰减片组74将光衰减至待校准探测器75的探测范围，进行其灵敏度和线性度校准。探测器灵敏度和线性度校准系统布局示意图如图1所示。激光器替换LED光源，充当窄脉冲光源进行探测器时间响应校准，探测器时间响应校准系统布局示意图如图2所示。根据需要校准的探测器数量，可以将光纤进行分束，每个光纤输出端都连接图1中的实线框中的模块，而校准光源依然采用图1中虚线框中的LED模块校准探测器灵敏度和线性度，或采用图2中虚线框中的激光器模块校准探测器时间响应，示意图如图3所示。本校准系统能够高精度的完成星载激光雷达探测器灵敏度、线性度和时间响应的校准工作，同时系统也适用于地面、海洋和机载的激光雷达系统。
下面对上述测量过程进行详细介绍
●利用LED与毛玻璃校准星载激光雷达探测器灵敏度和线性度
星载激光雷达一般需要探测数百公里之外目标对激光的反射或后向散射信号，这些信号光的强度是十分微弱的，所以星载激光雷达主要采用光电倍增管或雪崩二极管等高灵敏探测器。这些探测器能探测微弱的光信号，但是其正常光强也非常的低，所以需要用极为微弱的校准光来完成校准。这类探测器校准中的难点在于：产生微弱稳定的校准光和准确的得到校准光的强度。本实施例采用LED120、毛玻璃2与衰减片组74等元件结合产生稳定可靠的微弱光源，并使用50/50分光棱镜73和标准功率计76的组合实时准确的得到校准光的强度，保证了系统对探测器灵敏度和线性度的精确校准。
对探测器灵敏度的定义有很多种，在激光雷达中探测器灵敏度可以定义为最低可探测的光功率。探测器灵敏度主要是由探测器的响应率和噪声决定的，响应率越高或噪声越低，探测器的灵敏度就越高。由于探测器的噪声与带宽有关，所以灵敏度校准时探测器应工作在激光雷达系统的工作带宽上。
本实施例将驱动LED120的脉冲电源110设置为与激光雷达所发出激光信号的激励条件，以模拟探测器的实际工作情况。LED120发出的光具有角度分布特性，本实施例中的毛玻璃2加小孔光阑3的组合起到了均匀LED光、适当减弱LED光强和形成理想点光源的作用。系统中的准直镜4将小孔光阑3发出的光进行准直以便被准直镜4耦合进光纤系统进行传输，校准光经过光纤后由第二耦合镜71输出产生平行光，平行经滤光片72过滤为探测器工作波长的光后经过50/50分光棱镜73，一路光被标准功率计76测量强度，另一路光通过被事先标定过的衰减倍数合适的衰减片组74后被待校准探测器75接收，如图1所示。
本实施例中待校准探测器75接收到的光强P可以用一下公式进行精确的计算：
P＝ηP1 (1)
其中P1为标准功率计探测到的光强，η为标定后的衰减片组衰减系数。
衰减片的衰减系数十分稳定，经过标定后可以认为基本不变，且标准功率计测量的是经过衰减前的光强，测量精度也很高，所以计算公式(1)右边两个量(P1和η)都是准确的，由此保证了计算得到的校准光强的精确性。更为重要的是，50/50分光棱镜分光测量系统避免了LED发出光传输到衰减片前的传输效率的计算，大大提高了系统的精确性的同时，还可以防止LED工作可能的不稳定对校准的影响。
通过调节脉冲电源的输出电流强度就可以改变校准光强，当校准光恰好无法被探测器有效探测时，测得标准功率计示数P1，用公式(1)计算得到的照射在探测器上的光强P为探测器的灵敏度。
线性度指的是探测器响应与输入功率之间的线性程度、响应度(响应曲线斜率)和线性响应范围。理想的探测器在工作范围内的响应曲线是一条经过原点的直线。然而探测器实际的响应曲线并不是一条完美的直线，在较大光照下响应曲线的斜率会有所下降。而在探测器使用一段时间后，探测器的响应率会整体下降如图4所示，其中，实线代表探测器的理想响应曲线，长虚线代表探测器最初使用时的响应曲线，短虚线代表探测器使用一段时间后的响应曲线。考虑上述因素需要在探测器开始使用及使用一段时间后进行响应度校准，以便探测器能准确测量入射的信号光强度。探测时一般都使用探测器的线性响应区，因此需要对探测器的响应线性程度和线性响应范围进行校准。
本实施例只需通过改变驱动LED的脉冲电源输出电流大小，通过标准功率计示数P1和公式(1)得到待校准探测器接收到的光强P，并与待校准探测器此时的输出信号大小相对应，得到待校准探测器实际的响应曲线，实现待校准探测器线性度校准。
●利用激光器与毛玻璃校准星载激光雷达探测器的时间响应
激光雷达测量中，一个非常重要的测量值为发出光信号到接收探测器电信号所用时间，所以探测器的时间响应特性也需要定期进行校准。探测器的时间响应特性可以用渡越时间、上升时间和下降时间这三个参量表示。渡越时间指的是探测器接收信号光到产生电信号输出所经历的时间；对于雪崩二极管、光电倍增管、光电二极管这类响应速度快的探测器件，上升时间为从输出信号稳定值的10％上升到稳定值的90％所需要的时间；下降时间为从输出信号稳定值的90％下降至稳定值的10％所需要的时间，如图5所示。探测器的上升时间为ns量级，要准确测量探测器的时间响应需要响应时间超快的光源，LED的上升时间较长无法满足测量需求，激光器能够产生ns级宽度的窄脉冲，可以方便的提取出探测器的时间响应信息，实现探测器时间响应的校准，保证星载激光器的高度测量和波形反演计算精度。
探测器时间响应的校准系统如图2所示，校准光源使用窄脉冲激光器130配合第二分光棱镜140产生初步衰减的激光源，再经过毛玻璃和衰减片组74完成2次和3次衰减，产生强度合适的校准光脉冲。由于响应时间校准系统中除虚线框外的元件与上述灵敏度和线性度校准系统相同，且所起到的功能相同，此处不进行赘述。其中的标准功率计的主要功能为监测光强，防止探测器接收的光强过大而被损坏。进行时间响应校准时，采用本系统测量探测器在激光脉冲照射下的时间-信号曲线，然后通过示意图图5中的原理，得到渡越时间、上升时间和下降时间三个参数完成校准探测器的时间响应校准。其中，第二分光棱镜140的分光比可为0.1/99.9～50/50，优选的为5/95。
●利用分束光纤同时校准多个探测器
如图1、2所示，本实施例采用光纤进行校准光的传输，在实际的星载激光雷达系统中可能具有多个探测器，而星载平台的空间非常宝贵，本发明可将光纤进行分束，用一套系统同时进行多个探测器的校准，减小整个系统的体积和重量，其示意图如图3所示，其中实线框中的待校准探测器组件与图1中的实线框部分完全相同；而虚线框中的校准光源可以是图1中虚线框中的LED模块，实现多个探测器灵敏度和线性度的同时校准；也可以是图2中的激光器模块，实现多个探测器时间响应的同时校准。
本发明校准系统能够完成对激光雷达十分重要的探测器灵敏度、线性度和时间响应的校准，保证了校准的全面性，提高了星载激光雷达的可靠性和精确度；本发明中的50/50分光棱镜和标准功率计组合能够确保对衰减前校准光的精确、实时的测量，有效降低了因LED不稳定或系统的累积误差对校准的影响，提高了校准的精度和可信度；本发明利用毛玻璃加小孔光阑产生理想点光源，克服了一般光源均匀性差，发光强度大，光强不稳定的缺点；同时其结构紧凑、体积小、重量轻，较利用积分球的系统更加适合星载平台；本发明同时采用了光纤作为校准光的传输载体，不仅使整个结构更紧凑、隔离了泄露光对校准精度的影响，而且可以通过光纤分束，实现一个光源对多个探测器进行同时校准的功能。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种星载激光雷达探测器高精度校准系统，其特征在于包括：校准光源(1)、毛玻璃(2)、小孔光阑(3)、准直镜(4)、第一耦合镜(5)、光纤(6)和若干个待校准探测器组件(7)；其中，
所述待校准探测器组件(7)包括第二耦合镜(71)、滤光片(72)、50/50分光棱镜(73)、衰减片组(74)、待校准探测器(75)和标准功率计(76)；
校准光源(1)产生光源经过毛玻璃(2)形成均匀光源，均匀光源经过小孔光阑(3)形成理想点光源，理想点光源经过准直镜(4)形成准直平行光，准直平行光通过第一耦合镜(5)耦合进入光纤(6)，再通过光纤(6)进入第二耦合镜(71)后输出耦合光，耦合光经过滤光片(72)形成过滤光，过滤光经过50/50分光棱镜(73)分成光强相等的两路光，一路光照射标准功率计(76)，标准功率计(76)实时获取该路光的光强，另一路光经过衰减片组(74)形成衰减光，衰减光照射到待校准探测器(75)。
2.根据权利要求1所述的星载激光雷达探测器高精度校准系统，其特征在于：所述校准光源(1)包括脉冲电源(110)和LED(120)，其中，
脉冲电源(110)驱动LED(120)产生脉冲信号光；
调节脉冲电源(110)的输出电流强度改变衰减光的强度，当衰减光无法被待校准探测器(75)有效探测的开始时刻时，标准功率计(76)测到光强为P1，根据光强P1和衰减片组衰减系数η得到待校准探测器(75)的灵敏度。
3.根据权利要求1所述的星载激光雷达探测器高精度校准系统，其特征在于：根据光强P1和衰减片组衰减系数η得到待校准探测器(75)的灵敏度P的公式如下：
P＝ηP1。
4.根据权利要求1所述的星载激光雷达探测器高精度校准系统，其特征在于：所述校准光源(1)包括激光器(130)和第二分光棱镜(140)，其中，
激光器(130)产生窄脉冲光，窄脉冲光经过第二分光棱镜(140)形成衰减窄脉冲光；
衰减光照射到待校准探测器(75)，待校准探测器(75)根据衰减光得到渡越时间、上升时间和下降时间。
5.根据权利要求4所述的星载激光雷达探测器高精度校准系统，其特征在于：第二分光棱镜(140)的分光比可为0.1/99.9～50/50。
6.根据权利要求5所述的星载激光雷达探测器高精度校准系统，其特征在于：激光器(130)产生的窄脉冲光为ns级宽度。
7.根据权利要求1所述的星载激光雷达探测器高精度校准系统，其特征在于：第一耦合镜(5)通过光纤(6)与第二耦合镜(71)相连接。
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