CN108828537A - 一种激光测高仪综合测试系统及其综合测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光测高仪综合测试系统及其综合测试方法，属于激光技术领域。本发明实现了测绘相机中激光测高分系统性能测试所需的不同地物特征模拟及太阳光谱模拟，应用于激光测高分系统指标参数的标定，包括整机的延时时间常数、测距精度、测距范围、测距分辨率、探测灵敏度、最大测程等。激光测高仪综合测试系统集成度高，控制便捷，在达到上述功能的基础上提高了激光测高仪综合测试系统的可靠性与稳定性。

Description

一种激光测高仪综合测试系统及其综合测试方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种激光测高仪综合测试系统及其综合测试方法。

背景技术

激光测高仪，本质上是大测程激光测距仪，是利用激光光束的高方向性、高亮度、高干涉性等特性来测量目标物高度的一种高度测量仪器，激光测高具有测程远、方向性好、抗干扰能力强、测量精度高等优点。激光测高仪向目标物发射激光光束，由光电探测器接收返回的光信号，然后通过激光测高的有关算法获得待测目标物的高度。

激光测高仪综合测试系统，用于高精度测绘相机系统中的激光测高分系统整机指标性能的测试和评价，包括：整机的延时时间常数、测距精度、测距范围、测距分辨率、探测灵敏度、最大测程等系统指标。常用的激光测高仪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，很容易受天气条件等模拟条件限制，需要一种实验室内的试验设备对激光测高仪的性能进行测试和评价。高精度测绘相机系统中的激光测高分系统，用于测量地表形态，出射激光峰值功率高达兆瓦量级，测高范围广，一般激光测高仪的标定方法及仪器无法对其实现精确标定及性能检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光测高仪综合测试系统及其综合测试方法，解决目前难以用一般方法及仪器对大测程激光测高仪实现精确标定和性能检测的难题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种激光测高仪综合测试系统，包括激光导光组件、激光接收特性检测系统；

所述激光导光组件包括光束收集器、光纤衰减器和光纤；激光接收特性检测系统包括电通道模拟组件、信号光和背景光模拟组件和光机组件；其连接关系为：光束收集器输入端直接与激光测高分系统的激光发射组件相连，输出端通过光纤与光纤衰减器的输入端相连，光纤衰减器的输出端通过光纤与电通道模拟组件相连，电通道模拟组件与信号光和背景光模拟组件相连，信号光和背景光模拟组件与光机组件相连；

光束收集器将激光测高分系统激光发射组件出射的高功率激光脉冲部分耦合进光纤，实现激光功率第一步衰减，光纤衰减器进一步将激光脉冲功率衰减至满足电通道模拟组件光电探测的范围；电通道模拟组件在外部光信号的触发下，产生一定延时的光源驱动信号，同时结合主、回波探测，实现时间间隔测量；光源驱动信号控制信号光和背景光模拟组件产生模拟回波，通过光机组件控制出射光有效口径及发散角，使模拟回波完全进入激光测高分系统的激光接收组件。

一种基于所述的激光测高仪综合测试系统的综合测试方法，方法步骤如下：

步骤1、将激光测高仪综合测试系统的激光导光组件与激光测高分系统的激光发射组件相连，电通道模拟组件与外部地检台相连，光机组件出射模拟回波与激光测高分系统的激光接收组件端面对准；

步骤2、地检台向激光测高综合测试系统发送控制信号，包括回波延时、脉宽、频率和功率，激光测高分系统的激光发射组件向激光导光组件发射主波信号；

步骤3、激光测高仪的激光接收组件接收激光测高综合测试系统的模拟回波，结合主波探测得出回波时间间隔Δt；

步骤4、激光接收特性检测系统向地检台输出经过标校的高精度时间间隔Δtc，根据Δt和Δtc之间的时间差计算激光测高仪的延时常数τ；

步骤5、计算Δt和Δtc之间时间差所对应距离差的标准差，得测距精度；

步骤6、调整模拟回波的时间间隔延时以及光功率大小，通过地检台观察激光测量分系统的测距情况，可得激光测高仪测距范围及测距分辨率；

步骤7、调整信号光功率、背景光功率、信号光波形，观察激光测量分系统的测距情况，获得一定信噪比下的最小探测灵敏度；

步骤8、地检台根据接收系统的最小探测灵敏度数据处理结果，得激光测高分系统的最大测程。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)具备不同地物特征模拟能力，可模拟测距范围(1.5～750)km；

(2)具备宽带太阳光谱的模拟能力，覆盖太阳光和近红外光谱(400～1700)nm；

(3)本发明实现了在PC控制下，内触发、光同步信号触发或电同步信号触发三种触发模式下，脉宽、频率、功率及形状在一定范围内可控且混合不同波段背景光的激光回波模拟；

(4)本发明可作为高精度测绘相机系统中激光测高分系统的性能检测装置，实现高精度、大测程测绘相机系统中激光测高分系统指标性能的测试和评价，包括：整机的延时时间常数、测距精度、测距范围、测距分辨率、探测灵敏度、最大测程等系统指标。

附图说明

图1是本发明激光测高仪综合测试系统的组成示意图。

图2是本发明电通道模拟组件组成示意图。

图3是本发明信号光和背景光模拟组件组成示意图。

图4是本发明数字控制衰减系统组成示意图。

图5是本发明数字控制系统滤光片组合方式及对应衰减比示意图。

图6是本发明光机组件组成示意图。

图7是本发明综合测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步详细说明。

结合图1至图6，一种激光测高仪综合测试系统，包括激光导光组件、激光接收特性检测系统，测试对象为测绘相机中的激光测高分系统，激光测高分系统包括激光接收组件和激光发射组件，地检台为外部控制台，如图1所示。激光导光组件包括光束收集器、光纤衰减器和光纤；激光接收特性检测系统包括电通道模拟组件、信号光和背景光模拟组件和光机组件；其中光束收集器通过光纤与光纤衰减器的一端相连，光纤衰减器的另一端通过光纤与电通道模拟组件相连，电通道模拟组件与信号光和背景光模拟组件相连，信号光和背景光模拟组件与光机组件相连；

光束收集器将激光测高分系统的激光发射组件所出射高功率脉冲激光部分耦合进光纤，实现激光功率第一步衰减，光纤衰减器进一步将功率衰减至满足电通道模拟组件光电探测的范围；电通道模拟组件在外部光信号的触发下，产生一定延时的光源驱动信号，同时结合主、回波探测，实现时间间隔测量；光源驱动信号控制信号光和背景光模拟组件产生模拟回波，通过光机组件控制出射光有效口径及发散角，使模拟回波完全进入激光测高分系统的激光接收组件。

一种激光测高仪综合测试系统电通道模拟组件，由驱动控制与通信模块、光源驱动模块、光电探测与时间间隔测量模块组成，如图2所示。其中驱动控制与通信模块包括驱动控制单元、USB通信、计算机PC及硬件开关；光源驱动模块包括FPGA和DAC芯片；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内部数字信号处理模块；其连接方式为：PC分别与外部地检台和USB通信相连，USB通信分别与驱动控制单元和硬件开关相连，硬件开关通过ON/OFF1、ON/OFF2分别与信号光光源和背景光光源相连，驱动控制单元通过两路控制线分别与FPGA内部信号处理模块和数字信号产生模块相连，FPGA内部数字信号产生模块与DAC芯片连接，DAC输出端与信号光光源相连，两个光电探头分别与激光导光组件中光纤衰减器、信号光和背景光模拟组件中积分球连接，两路前置放大器和主放大器组合，其输入端与光电探头输出端相连，输出端分别与采样芯片相连，采样芯片输出端与FPGA内部信号处理模块相连；

上述驱动控制与通信模块通过计算机接收地检台控制信号(包括模拟回波脉宽、重频、时延及波形)、系统触发模式选择(内触发/光同步信号触发/电同步信号触发)，USB通信实现与PC间数据交互及控制命令的送达，驱动控制单元控制光源驱动模块、光机组件，硬件开关模块控制信号光光源和背景光光源工作；光源驱动模块中FPGA内部数字信号产生模块接收驱动控制单元控制信号，选择触发模式，产生特性受限的数字信号，高速率DAC将其转化为模拟信号；光电探头分别接收光触发信号和模拟回波光信号，经前置放大器和主放大器放大后采样芯片采样，FPGA内部信号处理模块对采样信号实时处理，得到回波延时，并将测量结果与时间间隔测量模块、光源驱动模块的各芯片工作状态信息实时传输至PC端，实现测量结果的实时显示及系统状态的监控。

一种激光测高仪综合测试系统信号光和背景光模拟组件，如图3所示，包括信号光光源、背景光光源、滤光片控制系统、功率控制模块和积分球；功率控制模块包括光纤准直器、EVOA衰减系统、固定衰减系统、数字控制衰减系统和耦合透镜，其连接关系为：信号光光源SMA接口与光源驱动模块相连，输出端与EVOA衰减系统相连；背景光光源输出端与滤光片控制系统相连，输入端与硬件开关相连；滤光片控制系统、数字控制衰减系统和EVOA衰减系统的控制信号输入端均与驱动控制与通信模块相连；滤光片控制系统输出端与光纤准直器反向共轴对准；固定衰减系统的输入端与光纤准直器光纤端相连，输出端与数字控制衰减系统相连；数字控制衰减系统输出端放置耦合透镜，光纤端口置于耦合透镜焦点；EVOA衰减系统输出端所接光纤与耦合透镜焦点处光纤分别与积分球的两个输入端口相连；积分球与光电探测与时间间隔测量模块、光机组件相连；

上述信号光光源通过SMA接口接收光源驱动模块的模拟电信号并产生特性与之对应的激光模拟回波，背景光光源模拟太阳光谱背景光；滤光片控制系统电机接收驱动控制与通信模块控制信号，控制不同波段滤光片进入光路对背景光进行滤光；功率控制模块中EVOA衰减系统实现对信号光功率控制，固定衰减系统和数字控制衰减系统组合，实现对背景光功率控制，光纤准直器与耦合透镜将背景光耦合进光纤；积分球将信号光和背景光混合匀化。

一种激光测高仪综合测试系统数字控制衰减系统，用于实现宽光谱背景光功率可调，如图4所示，包括单片机ATMega64A、8个舵机和8片透过率分别为44％、38％、77％、80％、19％、49％、45％、65％且镀制氧化物薄膜的衰减片；其连接关系为：共光轴等间隔设置8片衰减片，每个衰减片分别通过夹具固定在一个对应的舵机上，单片机一端分别与8个舵机连接，另一端与地检台相连；

上述单片机接收地检台相应指令控制舵机使不同衰减片进入光路形成不同组合，实现宽光谱背景光透过率在1％～100％可调，如图5所示；

上述宽光谱背景光波段范围为400～1700nm。

一种激光测高仪综合测试系统光机组件，如图6所示，包括电控平移台、多模光纤、光纤耦合器、离轴抛物面镜和夹具；其连接方式为：通过夹具将离轴抛物面镜和光纤耦合器固定在电控平移台上，且光纤耦合器位于离轴抛物面镜的焦点附近，光纤耦合器通过多模光纤与积分球相连，离轴抛物面镜出射光与激光接收组件端面对准；

上述电控平移台控制光纤耦合器轴向平移，改变光纤耦合器与离轴抛物面镜之间距离，实现模拟回波出射视场及有效口径的控制；

上述离轴抛物面镜的焦距为500mm，口径为50mm；多模光纤的芯径为0.15mm。

一种激光测高仪综合测试系统的综合测试方法，如图7所示，包括以下步骤：

步骤1、将激光测高仪综合测试系统的激光导光组件与激光测高分系统的激光发射组件相连，电通道模拟组件与外部地检台相连，光机组件出射模拟回波与激光测高分系统的激光接收组件端面对准；

步骤2、地检台向激光测高综合测试系统发送控制信号，包括回波延时、脉宽、频率、功率，激光测高分系统的激光发射组件向激光导光组件发射主波信号；

步骤3、激光测高仪的激光接收组件接收激光测高综合测试系统的模拟回波，结合主波探测得出回波时间间隔Δt；

步骤4、激光接收特性检测系统向地检台输出经过标校的高精度时间间隔Δtc，根据Δt和Δtc之间的时间差计算激光测高仪的延时常数τ；

步骤5、计算Δt和Δtc之间时间差所对应距离差的标准差，得测距精度；

步骤6、调整模拟回波的时间间隔延时以及光功率大小，通过地检台观察激光测量分系统的测距情况，可得激光测高仪测距范围及测距分辨率；

步骤7、调整信号光功率、背景光功率、信号光波形，观察激光测量分系统的测距情况，获得一定信噪比下的最小探测灵敏度；

步骤8、地检台根据接收系统的最小探测灵敏度数据处理结果，得激光测高分系统的最大测程。

Claims (8)

1.一种激光测高仪综合测试系统，其特征在于：包括激光导光组件、激光接收特性检测系统；

所述激光导光组件包括光束收集器、光纤衰减器和光纤；激光接收特性检测系统包括电通道模拟组件、信号光和背景光模拟组件和光机组件；其连接关系为：光束收集器输入端直接与激光测高分系统的激光发射组件相连，输出端通过光纤与光纤衰减器的输入端相连，光纤衰减器的输出端通过光纤与电通道模拟组件相连，电通道模拟组件与信号光和背景光模拟组件相连，信号光和背景光模拟组件与光机组件相连；

光束收集器将激光测高分系统激光发射组件出射的高功率激光脉冲部分耦合进光纤，实现激光功率第一步衰减，光纤衰减器进一步将激光脉冲功率衰减至满足电通道模拟组件光电探测的范围；电通道模拟组件在外部光信号的触发下，产生一定延时的光源驱动信号，同时结合主、回波探测，实现时间间隔测量；光源驱动信号控制信号光和背景光模拟组件产生模拟回波，通过光机组件控制出射光有效口径及发散角，使模拟回波完全进入激光测高分系统的激光接收组件。

2.根据权利要求1所述的激光测高仪综合测试系统，其特征在于：所述电通道模拟组件包括驱动控制与通信模块、光源驱动模块、光电探测与时间间隔测量模块；其连接关系为：驱动控制与通信模块输入端和外部地检台相连，控制信号输出端分别与光电探测与时间间隔测量模块、光源驱动模块、信号光和背景光模拟组件相连，光电探测与时间间隔测量模块分别与光纤衰减器、信号光和背景光模拟组件连接，光源驱动模块与信号光和背景光模拟组件连接；

上述驱动控制与通信模块实现与地检台的数据交互，同时控制光源驱动模块、光电探测与时间间隔测量模块、信号光和背景光模拟组件的工作；光源驱动模块接收驱动控制与通信模块的控制信号，产生特性受控的电脉冲；光电探测与时间间隔测量模块接收激光导光组件的光触发信号、信号光和背景光模拟组件的回波光信号，计算回波光信号与光触发信号波峰峰值间延时，并将当前重复周期的测量结果实时传输至驱动控制与通信模块，实现测试结果的实时显示及设备遥测。

3.根据权利要求2所述的激光测高仪综合测试系统，其特征在于：所述信号光和背景光模拟组件包括信号光光源、背景光光源、滤光片控制系统、功率控制模块和积分球；功率控制模块包括光纤准直器、EVOA衰减系统、固定衰减系统、数字控制衰减系统和耦合透镜，其连接关系为：信号光光源SMA接口与光源驱动模块相连，输出端与EVOA衰减系统相连；背景光光源输出端与滤光片控制系统相连，输入端与驱动控制与通信模块相连；滤光片控制系统输出端与光纤准直器反向共轴对准；固定衰减系统的输入端与光纤准直器光纤端相连，输出端与数字控制衰减系统相连；数字控制衰减系统输出端放置耦合透镜，光纤端口置于耦合透镜焦点；滤光片控制系统、数字控制衰减系统和EVOA衰减系统的控制信号输入端均与驱动控制与通信模块相连；EVOA衰减系统输出端所接光纤与耦合透镜焦点处光纤分别与积分球的两个输入端口相连；积分球与光电探测与时间间隔测量模块、光机组件相连；

上述信号光光源通过SMA接口接收光源驱动模块的模拟电信号并产生特性与之对应的激光模拟回波，背景光光源模拟太阳光谱背景光；滤光片控制系统电机接收驱动控制与通信模块控制信号，控制不同波段滤光片进入光路对背景光进行滤光；功率控制模块中EVOA衰减系统实现对信号光功率控制，固定衰减系统和数字控制衰减系统组合，实现对背景光功率控制，光纤准直器与耦合透镜将背景光耦合进光纤；积分球将信号光和背景光混合匀化。

4.根据权利要求3所述的激光测高仪综合测试系统，其特征在于：所述数字控制衰减系统，用于实现宽光谱背景光功率可调，包括单片机ATMega64A、8个舵机和8片透过率分别为44％、38％、77％、80％、19％、49％、45％、65％且镀制氧化物薄膜的衰减片；其连接关系为：共光轴等间隔设置8片衰减片，每个衰减片分别通过夹具固定在一个对应的舵机上，单片机一端分别与8个舵机连接，另一端与地检台相连；

上述单片机接收地检台相应指令控制舵机使不同衰减片进入光路形成不同组合，实现宽光谱背景光透过率在1％～100％可调。

5.根据权利要求4所述的激光测高仪综合测试系统，其特征在于：上述宽光谱背景光波段范围为400～1700nm。

6.根据权利要求3所述的激光测高仪综合测试系统，其特征在于：所述光机组件包括电控平移台、多模光纤、光纤耦合器、离轴抛物面镜和夹具；其连接方式为：通过夹具将离轴抛物面镜和光纤耦合器固定在电控平移台上，且光纤耦合器位于离轴抛物面镜的焦点附近，光纤耦合器通过多模光纤与积分球相连，离轴抛物面镜出射光与激光接收组件端面对准；

上述电控平移台控制光纤耦合器轴向平移，改变光纤耦合器与离轴抛物面镜之间距离，实现模拟回波出射视场及有效口径的调整。

7.根据权利要求6所述的激光测高仪综合测试系统，其特征在于：所述离轴抛物面镜的焦距为500mm，口径为50mm；多模光纤的芯径为0.15mm。

8.一种基于上述权利要求1-7中任意一项所述的激光测高仪综合测试系统的综合测试方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤1、将激光测高仪综合测试系统的激光导光组件与激光测高分系统的激光发射组件相连，电通道模拟组件与外部地检台相连，光机组件出射模拟回波与激光测高分系统的激光接收组件端面对准；

步骤2、地检台向激光测高综合测试系统发送控制信号，包括回波延时、脉宽、频率和功率，激光测高分系统的激光发射组件向激光导光组件发射主波信号；

步骤3、激光测高仪的激光接收组件接收激光测高综合测试系统的模拟回波，结合主波探测得出回波时间间隔Δt；

步骤4、激光接收特性检测系统向地检台输出经过标校的高精度时间间隔Δtc，根据Δt和Δtc之间的时间差计算激光测高仪的延时常数τ；

步骤5、计算Δt和Δtc之间时间差所对应距离差的标准差，得测距精度；

步骤6、调整模拟回波的时间间隔延时以及光功率大小，通过地检台观察激光测量分系统的测距情况，可得激光测高仪测距范围及测距分辨率；

步骤7、调整信号光功率、背景光功率、信号光波形，观察激光测量分系统的测距情况，获得一定信噪比下的最小探测灵敏度；

步骤8、地检台根据接收系统的最小探测灵敏度数据处理结果，得激光测高分系统的最大测程。