CN108572355B - 一种激光回波模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种特性受控的激光回波模拟装置，属于激光技术领域。本发明实现了激光接收机性能测试所需的激光主波‑回波信号及背景光模拟。根据激光接收机相关性能测试需求可模拟1064nm激光主波‑回波信号，其中激光输出特性（包括形状、脉宽、功率、数量）可控，波峰间延时可控，主波‑回波峰值功率可控；可模拟太阳光谱的背景噪声，背景光功率可控；同时，本发明提出的激光回波模拟装置具备输出光束准直、汇聚及出射方向调整功能和自校准功能。激光回波模拟装置功能齐全、集成度高，控制便捷，在达到上述功能的基础上提高了激光模拟回波装置用以激光接收机不同研制、试验阶段下的工作性能评估及植被子系统性能测试、标定测试的可靠性与易操作性，实现了激光回波模拟装置的集成化、可靠性、多功能性。

Description

一种激光回波模拟装置
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种激光回波模拟装置。
背景技术
激光技术和激光器件的快速发展，在军用及民用领域的应用非常广泛，特别是在军事技术中，应用在激光雷达、激光测距、激光模拟领域。
常用的激光接收机在研制过程中需要进行相关测试试验。由于外场试验耗费高，耗时长，极易受天气等模拟条件限制，需要一种实验室内的试验设备对激光接收机的性能进行测试和评价。激光回波模拟装置，可以模拟激光在大气回波的传输过程，提供远距离的虚拟目标，实现对大测程指标的检测。在实际情况中，由于大气介质不均、目标物多次反射等原因，造成有多个回波(多峰)，回波脉宽展宽、峰值功率大幅度降低等情况。现有的激光回波模拟装置往往只可模拟脉宽、频率、形状单一的主波-回波，且无法模拟背景光噪声存在情况下的主波-回波。
发明内容
本发明目的在于提供一种激光回波模拟装置，解决现有模拟回波装置无法模拟特性受控且混合背景光的模拟回波难题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种激光回波模拟装置，包括驱动控制与通信模块、激光主波-回波及背景光模拟模块、光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块、功率控制模块和光机组件模块。
上述驱动控制与通信模块包括驱动控制单元、通信模块和硬件开关；光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块包括驱动激光光源模拟单元和光电转换与时间间隔测量模块；其连接关系为：上位机通过串口与通信模块相连，通信模块与驱动控制单元相连，驱动控制单元分别与驱动激光光源模拟单元、光电转换与时间间隔测量模块、激光主波-回波及背景光模拟模块、功率控制模块相连，硬件开关与激光主波-回波及背景光模拟模块相连；激光主波-回波及背景光模拟模块的三个输出端分别与功率控制模块的三个对应输入端相连，功率控制模块的输出端P_S_OUT、P_E_OUT和P_B_OUT和光机组件模块的输入端相连，P_M_OUT和P_N_OUT和光电转换与时间间隔测量模块相连；光机组件模块的两个输出端分别和激光接收机APD靶面、植被子系统接收机APD靶面对准。
通信模块通过串口实现与计算机PC端数据交互；硬件开关分别通过ON/OFF1、ON/OFF2与ON/OFF3控制激光主波-回波及背景光模拟模块中各组件工作；驱动控制单元在不同工作模式下对通信模块所接收数据信息进行相应处理，同时控制驱动激光光源模拟单元、光电转换与时间间隔测量模块、功率控制模块工作；激光主波-回波及背景光模拟模块模拟特性受控的激光主波、回波和背景光；功率控制模块实现对激光主波、回波和背景光的功率控制及分束；分束后部分激光主波、回波和背景光进入光机组件模块，经整形及混合匀光后成为模拟主波、回波，另一部分激光主波、回波被光电转换与时间间隔测量单元接收并处理，所得主波-回波延时结果通过通信模块反馈至上位机，实现激光回波模拟装置的自检与校准。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)实现了激光接收机性能测试所需的激光主波-回波信号及背景光模拟。
(2)根据激光接收机相关性能测试需求可模拟1064nm激光主波-回波信号，其中激光输出特性(包括形状、脉宽、功率、数量)可控，波峰间延时可控，主波-回波峰值功率可控。
(3)可模拟太阳光谱的背景噪声，背景光功率可控。
(4)具备1064nm激光功率监测功能、激光主波与回波时间间隔精确测量功能、内/外同步输出功能、输出光束准直、汇聚及出射方向调整功能和自校准功能。
(5)激光回波模拟装置功能齐全，操作便捷，在达到上述功能的基础上提高了激光模拟回波装置用以激光接收机不同研制、试验阶段下的工作性能评估及植被子系统性能测试及定标测试的可靠性与易操作性，实现了激光回波模拟装置的集成化、可靠性、多功能性。
附图说明
图1是本发明激光回波模拟装置的组成示意图。
图2是本发明激光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块组成示意图。
图3是本发明激光主波-回波及背景光模拟模块，功率控制模块组成示意图。
图4是本发明光机组件模块组成示意图。
图5是本发明光机单元实现APD靶面二维扫描过程及效果仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例做进一步详细说明。
本发明主要应用目的有两个，第一用于激光测高分系统的激光接收机电子学阶段的调试、功能测试及指标测试等工作；第二用于植被子系统接收机功能测试和性能测试。
结合图1至图5，一种激光回波模拟装置，如图1所示，上位机PC为外部控制台，激光接收机APD靶面及植被子系统接收机APD靶面为本发明装置测试对象。本发明包括驱动控制与通信模块、激光主波-回波及背景光模拟模块、光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块、功率控制模块和光机组件模块；
上述驱动控制与通信模块包括驱动控制单元、通信模块和硬件开关；光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块包括驱动激光光源模拟单元和光电转换与时间间隔测量模块；其连接关系为：上位机通过串口与通信模块相连，通信模块与驱动控制单元相连，驱动控制单元分别与驱动激光光源模拟单元、光电转换与时间间隔测量模块、激光主波-回波及背景光模拟模块和功率控制模块相连，硬件开关与激光主波-回波及背景光模拟模块相连；激光主波-回波及背景光模拟模块的三个输出端分别与功率控制模块的三个对应输入端相连，功率控制模块的输出端P_S_OUT、P_E_OUT和P_B_OUT与光机组件模块的输入端相连，P_M_OUT和P_N_OUT与光电转换与时间间隔测量模块相连；光机组件模块的两个输出端分别与激光接收机APD靶面和植被子系统接收机APD靶面对准；
上述通信模块通过串口实现与计算机PC端数据交互；硬件开关分别通过ON/OFF1、ON/OFF2与ON/OFF3控制激光主波-回波及背景光模拟模块中各组件工作；驱动控制单元在不同工作模式下对通信模块所接收数据信息进行相应处理，同时控制驱动激光光源模拟单元、光电转换与时间间隔测量模块、功率控制模块工作；激光主波-回波及背景光模拟模块模拟特性受控的激光主波、回波和背景光；功率控制模块实现对激光主波、回波和背景光的功率控制及分束；分束后部分激光主波、回波和背景光进入光机组件模块，经整形及混合匀化后成为模拟主波、回波，另一部分激光主波、回波被光电转换与时间间隔测量单元接收并处理，所得主波-回波时延结果通过通信模块反馈至上位机，实现激光回波模拟装置的自检与校准。
一种激光回波模拟装置光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块中驱动激光光源模拟单元，如图2所示，包括DAC芯片、FPGA内部DCM块、OSERDES块、数字信号产生逻辑块、通信模块和外围芯片控制块；其连接方式为：通信模块分别与外围芯片控制块、数字信号产生逻辑块和驱动控制单元相连，数字信号产生逻辑块与驱动控制单元和OSERDES块相连，OSERDES块与DAC芯片输入端相连，DAC芯片输出端与激光主波-回波及背景光模拟模块相连；
上述FPGA内部通信模块与驱动控制单元之间通信，接收控制信号，包括触发模式、主波-回波参数(脉宽、幅度、数量、延时、形状)；数字信号产生逻辑块在外触发模式下，接收外部同步信号SYNC_IN，在内触发模式下，自行产生同步信号控制该模块工作，产生特性受控的数字主波-回波信号，并输出内同步信号SYNC_OUT；OSERDES模块将八路并行的数字主波-回波信号拼接使得采样率满足主波-回波信号的奈奎斯特采样率；高速率DAC芯片将FPGA产生的数字主波-回波信号转换为模拟主波-回波电信号；DCM模块控制时钟的分发及整形；外围芯片控制块控制DAC芯片工作。
一种激光回波模拟装置光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块中光电探测与时间间隔测量模块，如图2所示，包括光电探头FDS02、前置放大器ADN2800、主放大器ADN2892、采样芯片ADC12D800和FPGA内部ISERDES块、RAM块、计数模块和信号处理模块；其连接方式为：两个光电探头分别与功率控制模块的P_M_OUT和P_N_OUT连接，两路前置放大器和主放大器组合后输入端分别与光电探头输出端相连，输出端分别与两个采样芯片输入端相连，采样芯片输出端均与FPGA内部ISERDES块相连，ISERDES块同时与RAM块和计数模块相连，信号处理模块与RAM块、计数模块和驱动控制单元相连；
上述光电探头探测P_M_OUT和P_N_OUT端激光主波和回波信号，并将其转换为光电流；跨阻型前置放大器将两路光电流放大并输出差分电压信号，限幅型放大器对差分电压信号实现主放大和数字电平转换；两路采样芯片分别以3.2GSPS的采样率采集主波和回波对应的电信号，获得数字全波形；FPGA内部ISERDES块实时接收两路数字信号，在主波-回波信号使能有效期间将主波、回波信号暂存于FPGA内部RAM块中；信号处理模块进行实时信号处理，并将当前重复周期的主波-回波时间间隔作为测量结果输出至驱动控制模块，供其实时传输至PC端，实现光主波-回波驱动控制信号的产生及主波-回波光信号延时的电子学同步测量，实现激光回波模拟装置的自校准。
一种激光回波模拟装置激光主波-回波及背景光模拟单元，如图3所示，激光主波-回波模拟单元包括第一LD激光器、第二LD激光器，背景光模拟单元包括卤素灯、滤光片，红光指示单元包括635nm激光器；其连接关系为：第一LD激光器、第二LD激光器的SMA接口分别与驱动控制单元相连，635nm激光器、第一LD激光器和第二LD激光器、卤素灯的电源端分别通过ON/OFF1、ON/OFF2和ON/OFF3与硬件开关相连，输出端均与功率控制模块相连；滤光片通过卡槽插入卤素灯内；
上述第一LD激光器和第二LD激光器分别接收驱动激光光源模拟单元的驱动控制信号，产生模拟激光主波和模拟激光回波，卤素灯模拟太阳光谱背景光，635nm激光器产生红光，用于光机组件的光学调试和校准。
一种激光回波模拟装置功率控制模块，如图3所示，包括具有三通道的固定衰减系统、具有三通道的EVOA可变衰减系统、分光比为80:20的光纤分束器和波分复用器；其连接关系为：固定衰减系统的三个通道的输入端分别与第一LD激光器、第二LD激光器和卤素灯的输出端相连，输出端分别与三个分光比为80:20的光纤分束器输入端相连；三个光纤分束器分光比为1/5的输出端P_M_OUT、P_N_OUT与光电探测与时间间隔测量模块相连，P_T_OUT作为背景光功率标定端口与外部功率计相连，三个光纤分束器分光为比为4/5的输出端分别与EVOA可变衰减系统三个通道的输入端相连；EVOA可变衰减系统通道1的输出端、635nm激光器输出端与波分复用器两个输入端分别相连，通道2、通道3输出端分别与光电探测与时间间隔测量模块相连；
上述固定衰减系统与可变衰减系统组合，通过多级衰减的方式，将激光主波、激光回波及背景光功率衰减，最低可至pW量级，同时保证功率在可调范围内的高稳定度和精度；光纤分束器用于将激光主波、回波和背景光分束；波分复用器将635nm红光与1064nm激光主波合束，用于对光机组件的调试和对准。
一种激光回波模拟装置光机组件模块，如图4所示，光机组件模块包括光机单元和混合匀光单元，其中光机单元包括2X2光纤合束器、光纤准直器、双光楔组件、汇聚透镜；混合匀光单元包括一个积分球；其连接关系为：光纤合束器的两个输入端分别与功率控制模块的P_E_OUT和P_S_OUT端口相连，输出端分别与光纤准直器和积分球的一个输入端口相连，功率控制模块的P_B_OUT端口与积分球另一输入端相连，共轴并间隔放置光纤准直器、双光楔组件和汇聚透镜；
上述光纤合束器将P_E_OUT和P_S_OUT端口输出的激光主波和激光回波合束后再分束，光纤准直器将分束后的部分激光主波-回波准直，双光楔组件实现模拟主波-回波在激光接收机APD靶面上二维扫描；积分球将分束后的另一部分激光主波-回波与背景光混合匀化；
上述汇聚透镜焦距为20mm、直径为12.7mm、材料为BK7。
一种激光回波模拟装置双光楔组件，包括两块楔角为2°，口径为25.4mm，材料为K9石英玻璃且双面镀1064nm增透膜的光楔、电控旋转台、光楔卡具、二维控制器、支撑台；其连接方式为：光楔卡具将双光楔固定在支撑台上，二维控制器分别与光楔卡具和电控旋转台相连，电控旋转台与PC端相连；
上述电控旋转台接收PC端控制信号，控制二维控制器，使双光楔组件中光楔1绕主轴逆时针旋转角度β1，光楔2绕主轴顺时针旋转角度β2，出射准直光束较偏折角度δ：
Figure BDA0001618790040000061
其中n为光楔折射率，α为楔角。本发明中对应n为1.51630，α为2°。通过控制β1和β2的大小实现激光主波-回波在APD靶面上的二维扫描,如图5所示。

Claims (7)

1.一种激光回波模拟装置，其特征在于：包括驱动控制与通信模块、激光主波-回波及背景光模拟模块、光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块、功率控制模块和光机组件模块；
上述驱动控制与通信模块包括驱动控制单元、通信模块和硬件开关；光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块包括驱动激光光源模拟单元和光电转换与时间间隔测量模块；其连接关系为：上位机通过串口与通信模块相连，通信模块与驱动控制单元相连，驱动控制单元分别与驱动激光光源模拟单元、光电转换与时间间隔测量模块、激光主波-回波及背景光模拟模块、功率控制模块相连，硬件开关与激光主波-回波及背景光模拟模块相连；激光主波-回波及背景光模拟模块的三个输出端分别与功率控制模块的三个对应输入端相连，功率控制模块的输出端P_S_OUT、P_E_OUT和P_B_OUT和光机组件模块的输入端相连，P_M_OUT和P_N_OUT和光电转换与时间间隔测量模块相连；光机组件模块的两个输出端分别和激光接收机APD靶面、植被子系统接收机APD靶面对准；
所述激光主波-回波及背景光模拟模块，激光主波-回波模拟单元包括第一LD激光器、第二LD激光器，背景光模拟单元包括卤素灯、滤光片，红光指示单元包括635nm激光器；其连接关系为：第一LD激光器、第二LD激光器的SMA接口分别与驱动控制单元相连，635nm激光器、第一LD激光器和第二LD激光器、卤素灯的电源端分别通过ON/OFF1、ON/OFF2和ON/OFF3与硬件开关相连，输出端均与功率控制模块相连；滤光片通过卡槽插入卤素灯内；
上述第一LD激光器和第二LD激光器分别接收驱动激光光源模拟单元的驱动控制信号，模拟激光主波和回波，卤素灯与滤光片组合，模拟特定带宽背景光，635nm激光器产生红光，用于光机组件的光学调试和校准；
通信模块通过串口实现与计算机PC端数据交互；硬件开关分别通过ON/OFF1、ON/OFF2与ON/OFF3控制激光主波-回波及背景光模拟模块中各组件工作；驱动控制单元在不同工作模式下对通信模块所接收数据信息进行相应处理，同时控制驱动激光光源模拟单元、光电转换与时间间隔测量模块、功率控制模块工作；激光主波-回波及背景光模拟模块模拟特性受控的激光主波、回波和背景光；功率控制模块实现对激光主波、回波和背景光的功率控制及分束；分束后部分激光主波、回波和背景光进入光机组件模块，经整形及混合匀光后成为模拟主波、回波，另一部分激光主波、回波被光电转换与时间间隔测量单元接收并处理，所得主波-回波延时结果通过通信模块反馈至上位机，实现激光回波模拟装置的自检与校准。
2.根据权利要求1所述的激光回波模拟装置，其特征在于：所述光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块中驱动激光光源模拟单元包括DAC芯片、FPGA内部DCM块、OSERDES块、数字信号产生逻辑块、通信模块和外围芯片控制块；其连接方式为：通信模块分别与外围芯片控制块、数字信号产生逻辑块和驱动控制单元相连，数字信号产生逻辑块与驱动控制单元和OSERDES块相连，OSERDES块与DAC芯片输入端相连，DAC芯片输出端与激光主波-回波及背景光模拟模块相连；
上述FPGA内部通信模块接收驱动控制单元端控制信号，包括触发模式、主波-回波参数，主波-回波参数包括脉宽、幅度、数量、延时、形状；数字信号产生逻辑块在外触发模式下，接收外部同步信号SYNC_IN，在内触发模式下，自行产生同步信号控制该模块工作，产生特性受控的数字主波-回波信号，并输出内同步信号SYNC_OUT；OSERDES模块将八路并行的数字主波-回波信号拼接使得采样率满足主波-回波信号的奈奎斯特采样率；高速率DAC芯片将FPGA产生的数字主波-回波信号转换为模拟主波-回波电信号；DCM模块控制时钟的分发及整形；外围芯片控制块控制DAC芯片工作。
3.根据权利要求1所述的激光回波模拟装置，其特征在于：所述光主波-回波驱动控制信号产生与校准模块中光电探测与时间间隔测量模块包括光电探头FDS02、前置放大器ADN2800、主放大器ADN2892、采样芯片ADC12D800和FPGA内部ISERDES块、RAM块、计数模块和信号处理模块；其连接方式为：两个光电探头分别与功率控制模块的P_M_OUT和P_N_OUT连接，两路前置放大器和主放大器组合后输入端分别与光电探头输出端相连，输出端分别与两个采样芯片输入端相连，采样芯片输出端均与FPGA内部ISERDES块相连，ISERDES块同时与RAM块和计数模块相连，信号处理模块与RAM块、计数模块和驱动控制单元相连；
上述光电探头探测P_M_OUT和P_N_OUT端激光主波和回波信号，并将其转换为光电流；跨阻型前置放大器将两路光电流放大并输出差分电压信号，限幅型放大器对差分电压信号实现主放大和数字电平转换；两路采样芯片分别以3.2GSPS的采样率采集主波和回波对应的电信号，获得数字全波形；FPGA内部ISERDES块实时接收两路数字信号，在主波-回波信号使能有效期间将主波、回波信号暂存于FPGA内部RAM块中；信号处理模块进行实时信号处理，并将当前重复周期的主波-回波时间间隔作为测量结果输出至驱动控制模块，供其实时传输至PC端，实现光主波-回波驱动控制信号的产生及主波-回波光信号延时的电子学同步测量，实现激光回波模拟装置的自校准。
4.根据权利要求1所述的激光回波模拟装置，其特征在于：所述功率控制模块包括具有三通道的固定衰减系统、具有三通道的EVOA可变衰减系统、分光比为80:20的光纤分束器、波分复用器；其连接关系为：固定衰减系统的三个通道的输入端分别与第一LD激光器、第二LD激光器和卤素灯的输出端相连，输出端分别与三个分光比为80:20的光纤分束器输入端相连；三个光纤分束器分光比为1/5的输出端P_M_OUT、P_N_OUT与光电探测与时间间隔测量模块相连，P_T_OUT作为背景光功率标定端口与外部功率计相连，三个光纤分束器分光比为4/5的输出端分别与EVOA可变衰减系统三个通道的输入端相连；EVOA可变衰减系统通道1的输出端、635nm激光器输出端与波分复用器两个输入端分别相连，通道2、通道3输出端分别与光电探测与时间间隔测量模块相连；
上述固定衰减系统与可变衰减系统组合，通过多级衰减的方式，将激光主波、激光回波及背景光功率衰减，最低可至pW量级，同时保证功率在可调范围内的高稳定度和精度；光纤分束器用于将激光主波、回波和背景光分束；波分复用器将635nm红光与1064nm激光主波合束，用于对光机组件的调试和对准。
5.根据权利要求1所述的激光回波模拟装置，其特征在于：所述光机组件模块包括光机单元和混合匀光单元，其中光机单元包括2X2光纤合束器、光纤准直器、双光楔组件、汇聚透镜；混合匀光单元包括一个积分球；其连接关系为：光纤合束器的两个输入端分别与功率控制模块的P_E_OUT和P_S_OUT端口相连，输出端分别与光纤准直器和积分球的一个输入端口相连，功率控制模块的P_B_OUT端口与积分球另一输入端相连，共轴并间隔放置光纤准直器、双光楔组件和汇聚透镜；
上述光纤合束器将P_E_OUT和P_S_OUT端口输出的激光主波和激光回波合束后再分束，光纤准直器将分束后的部分激光主波-回波准直，双光楔组件实现模拟主波-回波在激光接收机APD靶面上二维扫描；积分球将分束后的另一部分激光主波-回波与背景光混合匀化。
6.根据权利要求5所述的激光回波模拟装置，其特征在于：所述汇聚透镜焦距为20mm、直径为12.7mm、材料为BK7。
7.根据权利要求5所述的激光回波模拟装置，其特征在于：所述双光楔组件包括两块楔角为2°，口径为25.4mm，材料为K9石英玻璃且双面镀1064nm增透膜的光楔、电控旋转台、光楔卡具、二维控制器、支撑台；其连接方式为：光楔卡具将双光楔固定在支撑台上，二维控制器分别与光楔卡具和电控旋转台相连，电控旋转台与PC端相连；
上述电控旋转台接收PC端控制信号，控制二维控制器，使双光楔组件中光楔1绕主轴逆时针旋转角度β1，光楔2绕主轴顺时针旋转角度β2，出射准直光束较偏折角度δ：
Figure FDA0003410047750000041
其中n为光楔折射率，α为楔角；n为1.51630，α为2°；通过控制β1和β2的大小实现激光主波-回波在APD靶面上的二维扫描。
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