CN108650739B - 一种用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，包括控制模块、背景光特性数据库、可调恒流源驱动电路、光源模块、照明光学系统、采样反馈光路、光照度传感器和反馈控制电路。本发明引入的照明光学系统包括聚光罩、光学积分器、准直镜和出光口，能实现聚光、均光和准直，使系统不但能精确模拟多个波段的太阳光照度，而且能很好模拟出太阳光的准直性和照度均匀性；引入背景光特性数据库可模拟出不同地物天候下特定波长处的背景光干扰，适合用作为激光雷达性能室内检测时背景光干扰器，具有原理明确、结构简单和工作稳定等突出优势。

Description

一种用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器
技术领域
本发明涉及一种分波段太阳光模拟器技术，尤其涉及一种用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器。
背景技术
激光雷达具有抗干扰能力强、分辨率高等特点，在测距、测速、测角和跟踪等军事和民用领域得到了广泛的应用。激光雷达性能检测评估是激光雷达生产过程的关键环节，一般通过外场实际测距试验来评估激光雷达的测距性能，外场天候条件瞬息万变，一方面提供的测试条件不稳定，另一方面定量准确表征天候条件，给激光雷达测距性能的定量评估带来了很大的困难。为了能人工模拟激光雷达的测距环境，实现室内评估，迫切需要研制能准确模拟不同天候和地物条件下的激光雷达背景干扰信号。专利号：201610638215.5——《一种高精度太阳光模拟器》，包括主光源及滤光装置、辅助光源及滤光装置、电源、温度检测模块、辐照度检测模块、光谱检测模块、时控电路,其使用氙灯作为主光源，LED作为辅助光源，通过两个光源的调节实现光照度的相对稳定和光谱分布与太阳光的基本一致，但是在用作为激光雷达接收机性能和测距性能检测的背景光干扰时，由于激光雷达的窄光学带宽工作特性，使其难以准确模拟激光雷达工作波长处光谱辐照度，同时不能反映天候和地物特性对背景光干扰的影响。事实上，它也不是为激光雷达性能检测而量身定制的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，克服了现有技术在激光雷达工作波长处光照度与太阳光一致性差，且难以反映天候和地物对背景光干扰影响的局限性。
实现上述目的的技术方案为：一种用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，包括：控制模块、背景光特性数据库、可调恒流源驱动电路、光源模块、照明光学系统、采样反馈光路、光照度传感器和反馈控制电路，所述控制模块、可调恒流源驱动电路、光源模块依次连接，所述光源模块发出的光线进入照明光学系统，所述采样反馈光路用于采集照明光学系统的光信号并将采样到的光信号会聚到光照度传感器的敏感面上，所述光照度传感器通过反馈控制电路与控制模块相连，用于将光信号反馈给控制模块，所述控制模块根据反馈回的光信号以及背景光特性数据库的信息实时调控可调恒流源驱动电路驱动电流大小。
优选地，所述背景光特性数据库包括太阳光光谱数据、地物反射特性数据和辐射大气传输模型。
优选地，所述光源模块包括四路并联的超辐射发光二极管组，分别为单波段905nm的带尾纤SLD组、单波段1.06μm的带尾纤SLD组、单波段1.3μm的带尾纤SLD组、单波段1.55μm的带尾纤SLD组。
优选地，每路超辐射发光二极管组包括n个串联的超辐射发光二极管。
优选地，所述可调恒流源驱动电路包括恒流驱动芯片，12V直流供电电源，4个保护电阻，4个下拉负载；所述12V直流供电电源与恒流驱动芯片相连，用于给驱动芯片供电，所述恒流驱动芯片用于根据控制模块输出的PWM信号的占空比调节输出电流大小，所述每个保护电阻的一端与恒流驱动芯片输出脚连接，另一端与一路超辐射发光二极管组连接，所述每个下拉负载一端与恒流驱动芯片输出脚连接，另一端接地。
优选地，所述照明光学系统包括聚光罩、光学积分器、准直透镜和出光口，所述聚光罩的焦点位于光源模块的光源出射口上，用于汇聚光线，汇聚后的光线依次通过光学积分器、准直透镜、出光口。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明能精确模拟出激光雷达工作波长处的太阳光背景干扰，具有波长和照度稳定、精度高、原理明确和操作简单等突出优势；
2)本发明引入了由聚光罩、光学积分器和准直镜组成的新型照明光学系统，能同时实现聚光、匀光和准直调节等功能，不但光学效率高，而且能模拟出太阳光的准直性和照度均匀性；
3)本发明提供了多通道可调恒流源驱动电路，能够实现独立的PWM调光及输出通、断控制；并利用外接调控电路和反馈电路保证了驱动电流的输出稳定性和可控制性，达到高效率，高精度的目的。
附图说明
图1是本发明原理框图。
图2是本发明的电路系统原理图。
图3是本发明的光学系统原理图。
图4是本发明的光学积分器尺寸结构图。
图5是本发明的光学积分器投影镜示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，包括：控制模块1、背景光特性数据库2、可调恒流源驱动电路3、光源模块4、照明光学系统5、采样反馈光路6、光照度传感器7和反馈控制电路8，所述控制模块1、可调恒流源驱动电路3、光源模块4依次连接，所述光源模块4发出的光线进入照明光学系统5，所述采样反馈光路6用于采集照明光学系统5的光信号并将采样到的光信号会聚到光照度传感器7的敏感面上，所述光照度传感器7通过反馈控制电路8与控制模块1相连，用于将光信号反馈给控制模块1，所述控制模块1根据反馈回的光信号以及背景光特性数据库2的信息实时调控可调恒流源驱动电路3驱动电流大小。
所述背景光特性数据库2包括太阳光光谱数据、地物反射特性数据和辐射大气传输模型。
进一步的实施例中，所述光源模块4包括四路并联的超辐射发光二极管组，分别为单波段905nm的带尾纤SLD组、单波段1.06μm的带尾纤SLD组、单波段1.3μm的带尾纤SLD组、单波段1.55μm的带尾纤SLD组。
优选地，每路超辐射发光二极管组包括n个串联的超辐射发光二极管。
优选地，所述可调恒流源驱动电路3包括恒流驱动芯片，12V直流供电电源，4个保护电阻，4个下拉负载；所述12V直流供电电源与恒流驱动芯片相连，用于给驱动芯片供电，所述恒流驱动芯片用于根据控制模块输出的PWM信号的占空比调节输出电流大小，所述每个保护电阻的一端与恒流驱动芯片输出脚连接，另一端与一路超辐射发光二极管组连接，所述每个下拉负载一端与恒流驱动芯片输出脚连接，另一端接地。
进一步的实施例中，所述照明光学系统5包括聚光罩9、光学积分器10、准直透镜11和出光口12，所述聚光罩5的焦点位于光源模块4的光源出射口上，用于汇聚光线，汇聚后的光线依次通过光学积分器10、准直透镜11、出光口12。
实施例1
本实施例中，本发明的电路系统实现方式如图2所示，一种用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，控制模块为微控制器U1，选用32位ARM微控制器stm32f103，包含多路PWM信号输出程序；可调恒流源驱动电路包括第一恒流驱动芯片U2以及第二恒流驱动芯片U3，均选用MAX16823；下拉负载R21、R22、R23、R24选择5Ω电阻；保护电阻R11、R12、R13、R14选择10Ω电阻；超辐射发光二极管组SLD11、SLD1n选用单波段905nm带尾纤超辐射发光二极管；超辐射发光二极管组SLD21、SLD2n选用单波段1050nm带尾纤超辐射发光二极管；超辐射发光二极管组SLD31、SLD3n选用单波段1300nm带尾纤超辐射发光二极管；超辐射发光二极管组SLD41、SLD4n选用单波段1550nm带尾纤超辐射发光二极管；光照度传感器选用NHZD203T光照度传感器探头T1。
如图3所示，所述照明光学系统5包括聚光罩9、光学积分器10、准直透镜11和出光口12，所述聚光罩5的焦点位于光源模块4的光源出射口上，用于汇聚光线，汇聚后的光线依次通过光学积分器10、准直透镜11、出光口12。本实施例中，聚光罩9结构参数如表1所示。
Figure BDA0001690321820000041
表1
本实施例中，光学积分器10结构尺寸如图4所示，包括两组沿光路前后排列的透镜阵列、以及位于两组透镜阵列外侧的附加镜以13和附加镜二16。前组透镜阵列称为场镜14，后组透镜阵列称为投影镜15，如图5所示，聚光罩出瞳位于附加镜一13的焦面上，而每个场镜元素透镜的焦面都是出瞳像的位置。投影镜15相应的光学通道的元素透镜置于出瞳像的位置上，投影镜15和附加镜二16将其对应的场镜元素的像重叠在附加镜二16后方即光阑的位置，实现了光瞳重合。准直镜11的准直半角为±1.5°，口径50mm。
本实施例中，本系统具体工作步骤如下：
步骤1、微控制器U1包含四路PWM信号输出程序，产生四路频率为1000Hz的PWM信号，将此四路PWM信号输送给恒流驱动芯片U2、U3。
步骤2、恒流驱动芯片U2、U3接收到PWM信号，由于该芯片内部集成MOSFET器件，通过接收微控制器U1产生的固定频率的PWM信号来确定MOSFET器件的导通时间，驱动超辐射发光二极管组点亮。根据PWM信号的占空比调节芯片输出电流的大小，从而精确调节亮度。
步骤3、光线照射进入光学系统，依次通过聚光罩9，光学积分器10，准直镜11，出光口12。首先聚光罩9充分汇聚光源发出的光线，尽可能的减少光线传递过程中的能量损失；然后光线入射到光学积分器10，使经过聚光后的光线进行均匀化处理；接着，光线经过准直透镜11，最大限度保证光源的利用率以及光斑的大小；最后，光线从出光口12射出。
步骤4、采样反馈光路6接收到一部分从出光口12射出的光线，会聚到光照度传感器7的敏感面上，光照度传感器7将接收到的光信号转化成相应的电压值通过反馈控制电路8输送回微控制器1。
步骤5、微控制器1将接收到的反馈电压数值化，与背景光特性数据库2进行比较；根据对比结果调节PWM信号的占空比，通过可调恒流源驱动电路3优化恒流源驱动电流大小，使模拟器达到照度要求。
本发明利用了超辐射发光二极管(SLD)模拟激光雷达工作波长处的太阳光干扰，并利用背景光特性数据库控制天候和地物参数对太阳光背景的影响，结合系统的内部反馈控制，可精确模拟出激光雷达工作波长处的太阳光背景干扰，具有波长和照度稳定、精度高、原理明确和操作简单等突出优势。

Claims (6)

1.一种用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，其特征在于，包括：控制模块(1)、背景光特性数据库(2)、可调恒流源驱动电路(3)、光源模块(4)、照明光学系统(5)、采样反馈光路(6)、光照度传感器(7)和反馈控制电路(8)，所述控制模块(1)、可调恒流源驱动电路(3)、光源模块(4)依次连接，所述光源模块(4)发出的光线进入照明光学系统(5)，所述采样反馈光路(6)用于采集照明光学系统(5)的光信号并将采样到的光信号会聚到光照度传感器(7)的敏感面上，所述光照度传感器(7)通过反馈控制电路(8)与控制模块(1)相连，用于将光信号反馈给控制模块(1)，所述控制模块(1)根据反馈回的光信号以及背景光特性数据库(2)的信息实时调控可调恒流源驱动电路(3)驱动电流大小。
2.根据权利要求1所述的用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，其特征在于，所述背景光特性数据库(2)包括太阳光光谱数据、地物反射特性数据和辐射大气传输模型。
3.根据权利要求1所述的用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，其特征在于，所述光源模块(4)包括四路并联的超辐射发光二极管组，分别为单波段905nm的带尾纤SLD组、单波段1.06μm的带尾纤SLD组、单波段1.3μm的带尾纤SLD组、单波段1.55μm的带尾纤SLD组。
4.根据权利要求3所述的用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，其特征在于，每路超辐射发光二极管组包括n个串联的超辐射发光二极管。
5.根据权利要求3所述的用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，其特征在于，所述可调恒流源驱动电路(3)包括恒流驱动芯片，12V直流供电电源，4个保护电阻，4个下拉负载；所述12V直流供电电源与恒流驱动芯片相连，用于给驱动芯片供电，所述恒流驱动芯片用于根据控制模块输出的PWM信号的占空比调节输出电流大小，所述每个保护电阻的一端与恒流驱动芯片输出脚连接，另一端与一路超辐射发光二极管组连接，所述每个下拉负载一端与恒流驱动芯片输出脚连接，另一端接地。
6.根据权利要求1所述的用于激光雷达性能检测的分离波段背景光模拟器，其特征在于，所述照明光学系统(5)包括聚光罩(9)、光学积分器(10)、准直透镜(11)和出光口(12)，所述聚光罩(5)的焦点位于光源模块(4)的光源出射口上，用于汇聚光线，汇聚后的光线依次通过光学积分器(10)、准直透镜(11)、出光口(12)。
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