CN108957426A - 一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法及装置。本方法和装置利用卤钨灯和光栅单色仪，输出波长和强度精确可调的测试光信号，从波长和强度两方面，模拟激光雷达实际接收的回波信号；利用光栅单色仪输出的测试光信号，以及硅和铟镓砷两种标准探测器组合，同时测量激光雷达光电探测系统的光学透过率、输入光强‑输出电压响应曲线，以及线性响应范围等性能指标。相关测试结果可以用来辅助激光雷达光电探测系统的参数设计，提升激光雷达光电探测系统的装校质量，以及保障激光雷达使用过程中测量数据的质量。

Description

一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法及装置

技术领域

本发明属于大气和环境激光遥感测量技术领域，具体涉及一种激光雷达光电探测系统设计和生产过程中的性能测试方法和装置。

背景技术

激光雷达是一种重要的主动遥感仪器，主要用于大气环境成分及其参数的测量。随着国内对大气环境监测工作的日益重视，激光雷达的应用呈激增态势，市场对激光雷达产品的研发力度和产能要求也不断提高。光电探测系统是激光雷达的重要组成部分，激光雷达通过光电探测系统，接收并处理大气回波信号。光电探测系统属于复杂精密光电设备，光电探测系统光学透过率、输入-输出响应曲线和线性响应范围，是衡量光电探测系统性能的重要指标。其中，光学透过率是指光电探测系统的光学出射光通量与入射光通量的比值，准确的测量光学透过率，关系到能否准确分析系统的参数设计和光学器件的装校质量；输入-输出响应曲线指的是光电探测系统的输入光强同输出电压之间的响应曲线，准确的测量响应曲线，关系到能否定量化掌握光电探测系统的光电探测性能；线性响应范围指的是光电探测系统对输入信号检测的保真度，准确的测量线性响应范围，可以分析激光雷达探测数据的可信程度。

目前，除极少数用于卫星平台的星载激光雷达外，绝大多数激光雷达出厂时，没有实测过光电探测系统光学透过率、输入光强-输出电压响应曲线，以及信号的线性响应范围。由此带来的问题是：在激光雷达的生产过程中，由于不能实时掌握光电探测系统的光学透过率和响应曲线，导致测试人员无法及时掌握光电探测系统的装校和调试质量，影响了激光雷达的生产效率；在激光雷达的使用过程中，由于不知道光电探测系统的线性响应范围，导致用户无法准确分析光电探测系统的有效探测能力，影响了激光雷达观测数据的质量。

引发上述问题的主要原因在于，开发通用的激光雷达光电探测系统探测性能测试装置较为困难。具体体现在：首先，激光雷达工作波段跨度广，通常从近紫外跨度到近红外波段；其次，激光雷达回波光强动态范围跨度范围大，通常可达5个数量级；最后，激光雷达光电探测系统通常具备多个接收通道，各通道使用的器件种类复杂。以上客观因素的存在，导致研制通用的激光雷达光电探测系统性能测量装置，存在一定的技术难度。

现有的光电探测系统的性能测试方法，通常使用激光光源作为信标光，用于装校过程中光路的准直和光学透过率的测试，在使用过程中，作为信标光的激光波长和强度无法及时调节，无法实现不同波长、不同输入光强、以及不同探测器增益条件下光电探测系统的响应曲线和线性响应范围测试，因此现有测试方法的通用性较差。

发明内容

本发明提供一种激光雷达光电探测系统性能测试方法和装置，具体要解决的问题包括：解决测试波段的通用性要求；解决测试光强的大范围调节要求；解决宽波段信号探测的响应曲线和线性响应范围的标定要求。

本发明的目的，通过下述技术方案实现：

一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，包括以下步骤：

步骤1：利用卤钨灯作为宽光谱复合光源，输出波段覆盖近紫外至近红外波长的测试光信号；通过稳流电源控制卤钨灯电流，实现测试光信号光强的精确调整和稳定输出；利用卤钨灯输出的宽光谱光源，按照激光雷达光电探测系统的工作波长，通过光栅单色仪输出特定波长和强度的测试光信号，作为激光雷达光电探测系统的输入光信号；通过标准探测器，测量出输入光信号的强度大小；

步骤2：在激光雷达光电探测系统光学装校前，首先完成激光雷达光电探测系统探测器即被测探测器的响应曲线和线性响应范围的标定；以标准探测器的响应曲线为基准，采用传递定标法，得到被测探测器的响应曲线和线性响应范围；被测探测器标定完成后，将被测探测器安装于激光雷达光电探测系统相应的探测通道上；

步骤3：通过光学耦合器，将光栅单色仪输出的测试光信号，耦合进入激光雷达光电探测系统光路中；通过稳流电源调整测试光信号的强度，利用数据采集器采集被测探测器输出的电信号，得到激光雷达光电探测系统的输入光强-输出电压响应曲线，对输入光强-输出电压响应曲线进行拟合，分析拟合数据的线性分布区间范围，得到激光雷达光电探测系统的线性响应范围；

步骤4：利用已定标的被测探测器响应曲线，根据激光雷达光电探测系统输出的电压值，可以推算出到达被测探测器靶面的光强也即光电探测系统接收光路的出射端口，结合已知的激光雷达光电探测系统接收光路入射端口的光强，可以计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；

步骤5：根据激光雷达光电探测系统所用光学器件的出厂测试参数，理论计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；将光学透过率的理论值，同步骤4中得到的实测值相比较，可以分析激光雷达光电探测系统参数设计的合理性，以及激光雷达光电探测系统的光学装校质量。

其中，所述的激光雷达光电探测系统由接收光路、信号检测和箱体机械结构三个单元组成，各单元集成安装于光电探测系统箱体中，激光雷达光电探测系统箱体通过机械法兰，同激光雷达接收望远镜连接。

其中，为保障测试光信号强度的稳定性，所述卤钨灯光源及其稳流电源，输出测试光信号光强的不稳定度小于0.2％/2h；测试光信号经光栅单色仪后的输出光强，最弱要求达到1nW，最强要求达到10000nW，用以模拟激光雷达实际接收到的回波信号强度范围；

其中，所述光栅单色仪的波长分辨率和波长准确度，需要匹配激光雷达光电探测系统的设计光学接收带宽。

其中，所述的光学耦合器，由两级孔径光阑和长焦距准直透镜组成；在步骤3实施前，需要根据激光雷达光电探测系统接收光路的入射波长、发散角和通光孔径等的要求，匹配设计光阑孔径和长焦距透镜，使光栅单色仪的输出端和激光雷达光电探测系统的输入端之间实现高效的光耦合。

其中，所述的标准探测器，使用硅和铟镓砷两种类型的标准探测器，通过两者的组合，覆盖探测波段分布在近紫外至近红外之间的被测探测器的标定，以及光电探测系统的标定。

一种激光雷达光电探测系统探测性能测试装置，包括卤钨灯光源及其稳流电源、光栅单色仪、光学耦合器、标准探测器、被测光电探测系统及其箱体、数据采集器、控制计算机，以及测量暗室；利用稳流电源控制下的卤钨灯，产生强度可调的宽光谱测试光信号，利用光栅单色仪选择所需的测试波长；将被测探测器以及标准探测器固定在电动位移台上，使用标准探测器，采用传递定标法，通过数据采集器采集探测器输出的电信号，完成被测探测器的标定；最后，通过光学耦合器，将光栅单色仪输出的光信号耦合进入激光雷达光电探测系统，实现激光雷达光电探测系统接收光路光学透过率、输入光强-输出电压响应曲线和线性响应范围的标定；整个测量过程均在测量暗室中进行，避免杂散光的干扰；测量过程中，光电探测系统探测性能测试装置的输出光强控制、波长选择以及采集信号的处理，均通过控制计算机完成，装置的自动化程度较高。

根据光电探测系统的设计工作波长，利用卤钨灯和光栅单色仪的输出测试光信号，模拟光电探测系统接收光信号的波长和强度；以标准探测器响应曲线为基准，采用传递定标法，完成被测探测器响应曲线的标定；通过两级孔径光阑和长焦距耦合透镜，实现光栅单色仪同光电探测系统之间的光耦合；利用已知强度和波长的入射光，以及标定后的被测探测器，得到光电探测系统各通道接收光路的光学透过率，以及输入光强-输出电压之间的响应曲线和线性响应范围。本方法利用同一套装置，同时实现了光电探测系统光学透过率、输入-输出响应曲线和线性响应范围的测试，并且拥有较高的自动化程度。

作为一种优选的技术方案：针对激光雷达工作波段主要集中在355nm～1572nm的特点，本方法采用发射波长覆盖350nm～2500nm范围的卤钨灯作为光源，用以模拟激光雷达实际接收的回波信号；针对激光雷达回波光强通常分布在0.1nW～10000nW之间的特点，以及卤钨灯自身的工作性能，测试光信号在经过光栅单色仪后，输出光强最小应低至1nW、最强应达到10000nW，且保持稳定的输出。对于1nW以下的微弱光输出(用于模拟激光雷达远场的微弱回波信号)，受制于卤钨灯光源的工作性能，输出测试光信号的稳定性受到一定的影响，因此本装置最小输出光强为1nW。

作为一种优选的技术方案：针对激光雷达光电探测系统光学带宽介于0.1nm～0.3nm的特点，为了匹配光电探测系统的光学带宽，光栅单色仪的波长分辨率要求优于0.06nm，波长准确度要求优于0.07nm。

作为一种优选的技术方案：针对激光雷达工作波段主要集中在355nm～1572nm的特点，选择硅和铟镓砷两种类型的标准探测器，其中硅标准探测器的响应波段为350nm～1100nm，铟镓砷标准探测器的响应波段为900nm～1700nm，通过两种标准探测器的组合，实现波长响应范围覆盖350nm～1700nm的标准探测器组合，适用于绝大多数种类的激光雷达光电探测系统探测器的标定；本发明所使用的标准探测器，按照计量规范定期送持有资质的专业测试机构检测。

本发明的优点是：

(1)通用性强。本装置利用了卤钨灯的宽光谱特性，输出的测试光波长覆盖范围广，输出光强稳定性好，并且具有大范围的光强调节能力，具备从波长和强度两个方面，模拟激光雷达光电探测系统实际接收回波信号的能力。本装置用一套装置，实现了光电探测系统光学透过率、输入-输出响应曲线和线性响应范围等性能指标的测试。在现有文献和专利的报道中，还没有发现此类通用的激光雷达光电探测系统性能测试装置。

(2)定量化程度高。本装置具备定量测量光电探测系统输入光强-输出电压响应曲线，以及信号的线性响应范围的能力。在激光雷达工作过程中，即可利用激光雷达输出的电压值，判断激光雷达的信号响应是否在线性范围内，大大提高了激光雷达测量数据的可靠性。

综上所述，本发明作为一种测试装置，具备了较强的通用性、稳定性和准确性。需要注意的是，本发明使用光栅单色仪输出单色光，受制于光栅单色仪的输出波长分辨率和准确度的制约，本方法对采用法布里-珀罗干涉仪、原子滤光器等超窄带滤光器件的激光雷达并不适用。

附图说明

图1为本发明装置的基本结构示意图。图中标示：101为卤钨灯光源及其稳流电源、102为光栅单色仪、103为光学耦合器、104为标准探测器、105为被测光电探测系统、106为数据采集器、107为控制计算机，以及108为测量暗室；

图2是一例激光雷达光电探测系统组成结构图。图中标示：201为分色镜；202为第一滤光片；203为检偏棱镜；204为第一汇聚透镜；205为532nm偏振平行通道探测器及前放；206为第二汇聚透镜；207为532nm偏振垂直通道探测器及前放；208为第二滤光片；209为第三汇聚透镜；210为1064nm通道探测器及前放；211为光电探测系统箱体入射孔；212为光电探测系统箱体；

图3为一例光电探测系统1064nm探测通道输入光强-输出电压典型测试结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

首先说明本方法及装置的基本构成框图，以及本发明方法和装置在瑞利激光雷达中的位置和连接关系。如图1所示，卤钨灯光源及其稳流电源101，发射波长覆盖350nm～2500nm范围的测试光信号，光栅单色仪102在控制计算机107的控制下，根据光电探测系统的工作波长，输出相应的测试光信号；测试光信号经光学耦合器103后，耦合进入光电探测系统及其箱体105；被测光电探测系统105、标准探测器104均通过夹具固定在电动位移台上，电动位移台在控制计算机107的控制下，实现左右和高低位置的调整。光电探测系统和标准探测器输出的电信号，经数据采集器106采集，交由控制计算机107处理；整个测量装置位于测量暗室108内，避免杂散光对测量过程的干扰。

本发明的方法具体实现如下：

图2给出了一例典型的双波长-三通道激光雷达光电探测系统结构示意图，包括532nm偏振平行通道探测器及前放205、532nm偏振垂直通道探测器及前放207和1064nm通道探测器及前放210。图2中的光电探测系统可以分为接收光路、信号检测和箱体机械结构三个单元。其中，接收光路单元的主要元器件包括分色镜201、检偏棱镜203、第一滤光片202、第二滤光片208、第一汇聚透镜204、第二汇聚透镜206和第三汇聚透镜209等；信号检测单元包括探测器和前放等光电器件；箱体机械结构包括各器件固定结构和光电探测系统箱体212。图2所示的光电探测系统各部件的作用和工作流程为：箱体212通过孔211处设置的机械法兰，同激光雷达接收望远镜连接(图中未画出)。激光雷达工作过程中，回波光信号经接收望远镜接收后，通过孔211入射到箱体212内；通过分色镜201将1064nm波长和532nm波长回波光信号分离；其中，532nm波长光信号经0.3nm带宽的第一滤光片202滤除背景光；之后经检偏棱镜203，分为532nm偏振平行通道探测器及前放205，以及532nm偏振垂直通道探测器及前放207，两个通道的光信号分别通过第一汇聚透镜204和第二汇聚透镜206，分别汇聚至205和207的探测器靶面上；1064nm回波光信号经0.3nm带宽的第二滤光片208，以及第三汇聚透镜209，汇聚到210的探测器靶面上。

以图2所示的光电探测系统性能测试为例，分析具体实施步骤：

(1)图2中，光电探测系统接收光路的输入通光孔径为25mm，光束发散角小于等于8mrad，根据上述参数设计加工孔径光阑和长焦距透镜参数，将光栅单色仪输出的测试光信号，耦合进光电探测系统入射光端口。

(2)调试完毕的测试装置，置于测试暗室之内，避免杂散光的干扰。通过卤钨灯稳流电源，实现卤钨灯光强的稳定输出和精密调整。对于有多路探测通道的光电探测系统，分通道进行探测性能参数测试。根据图2光电探测系统三个探测通道的波长，分别设置光栅单色仪的参数，输出相应波长的测试光信号。

(3)在光电探测系统装校前，首先需要完成被测探测器的标定工作。具体步骤为：待卤钨灯输出的测试光信号稳定后，可以通过标准探测器及其已知的响应曲线，测量测试光信号的光强。在测试过程中，通过稳流电源改变测试光信号光强大小，采用传递定标法，根据已知的标准探测器响应曲线，获得被测探测器的响应曲线。

作为实例，图3给出了探测器增益设定为320V偏置电压条件下，1064nm波长被测探测器响应曲线的测试结果。图3中，横坐标为到达被测探测器靶面的测试光强，从横坐标中可以看到，实验过程中，通过调整稳流电源，使测试光强范围从1nW至10000nW之间变化。图3中，纵坐标为数据采集器测量的待测探测器输出电压。对图3中的测量结果进行线性拟合，得到被测探测器的线性响应曲线，如图3中直线所示。进一步的，利用该响应曲线，可以计算待测探测器的任意输出电压对应的入射光强大小。对图3中的数据进行相关度分析，结果表明相关程度达到99.99％，说明被测探测器在横坐标所示的入射光强范围内，具备很好的线性响应度。测试结果还表明，光电探测系统对7000nW以上输入光强的线性响应能力开始下降，对图3数据进行线性拟合时，已经将7000nW以上光强范围的非线性测试数据删除。

(4)将标定完成的被测探测器安装在光电探测系统探测通道上，使光电探测系统处于完备的工作状态下。将光电探测系统箱体和标准探测器，均固定于自动位移测量平台之上，光电探测系统和标准探测器可以在光路上切换。首先利用标准探测器，测量光电探测系统接收光路入射端口的光强；之后将光电探测系统移入光路，测量光电探测系统的输出电压，利用第3步得到的待测探测器响应曲线，反推出到达被测探测器靶面的光强(也即光电探测系统接收光路出射端口的光强)；结合光电探测系统接收光路入射和出射端口光强的实测值，可以计算得到光电探测系统接收光路的光学透过率。

(5)通过卤钨灯稳流电源，控制输入到光电探测系统的光通量在1nW至10000nW之间变化，进一步获得不同入射光强条件下，光电探测系统的输入光强-输出电压测试数据；通过对测量数据的线性拟合，可以获得光电探测系统的响应曲线和线性响应范围。

为了保障激光雷达原始测量数据的质量，根据光电探测系统线性响应范围测试结果，在激光雷达使用过程中，利用激光雷达输出的电压值，可以判断激光雷达接收信号是否在其线性响应范围内，若不在线性响应范围内，则需要调整激光雷达探测器增益，直到激光雷达输出电压符合线性响应的特征。

(6)根据光电探测系统光学器件的出厂测试参数，可以仿真计算得到光电探测系统的理论光学透过率，将光学透过率理论值同第4步获得实测值比较，如果实测值低于理论值10％以上，则需要复查光电探测系统光学器件的装校质量。

(7)针对激光雷达光电探测系统设有多个接收通道的情况，则按照步骤2至6所述的实施方式，依次完成各通道探测性能的测试；针对激光雷达光电探测系统探测器的工作增益档位变化，则只需重复步骤3、4和5的实验过程，即可得到不同增益条件下光电探测系统的响应曲线和线性响应范围。

Claims (7)

1.一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用卤钨灯作为宽光谱复合光源，输出波段覆盖近紫外至近红外波长的测试光信号；通过稳流电源控制卤钨灯电流，实现测试光信号光强的精确调整和稳定输出；利用卤钨灯输出的宽光谱光源，按照激光雷达光电探测系统的工作波长，通过光栅单色仪输出特定波长和强度的测试光信号，作为激光雷达光电探测系统的输入光信号；通过标准探测器，测量出输入光信号的强度大小；

步骤2：在激光雷达光电探测系统光学装校前，首先完成激光雷达光电探测系统探测器即被测探测器的响应曲线和线性响应范围的标定；以标准探测器的响应曲线为基准，采用传递定标法，得到被测探测器的响应曲线和线性响应范围；被测探测器标定完成后，将被测探测器安装于激光雷达光电探测系统相应的探测通道上；

步骤3：通过光学耦合器，将光栅单色仪输出的测试光信号，耦合进入激光雷达光电探测系统光路中；通过稳流电源调整测试光信号的强度，利用数据采集器采集被测探测器输出的电信号，得到激光雷达光电探测系统的输入光强-输出电压响应曲线，对输入光强-输出电压响应曲线进行拟合，分析拟合数据的线性分布区间范围，得到激光雷达光电探测系统的线性响应范围；

步骤4：利用已定标的被测探测器响应曲线，根据激光雷达光电探测系统输出的电压值，可以推算出到达被测探测器靶面的光强也即光电探测系统接收光路的出射端口，结合已知的激光雷达光电探测系统接收光路入射端口的光强，可以计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；

步骤5：根据激光雷达光电探测系统所用光学器件的出厂测试参数，理论计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；将光学透过率的理论值，同步骤4中得到的实测值相比较，可以分析激光雷达光电探测系统参数设计的合理性，以及激光雷达光电探测系统的光学装校质量。

2.根据权利要求1所述的一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，其特征在于，所述的激光雷达光电探测系统由接收光路、信号探测和箱体机械结构三个单元组成，各单元集成安装于光电探测系统箱体中，激光雷达光电探测系统箱体通过机械法兰，同激光雷达接收望远镜连接。

3.根据权利要求1所述的一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，其特征在于，为保障测试光信号强度的稳定性，所述卤钨灯光源及其稳流电源，输出测试光信号光强的不稳定度小于0.2％/2h；测试光信号经光栅单色仪后的输出光强，最弱要求达到1nW，最强要求达到10000nW，用以模拟激光雷达实际接收到的回波信号强度范围。

4.根据权利要求1所述的一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，其特征在于，所述光栅单色仪的波长分辨率和波长准确度，需要匹配激光雷达光电探测系统的设计光学接收带宽。

5.根据权利要求1所述的一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，其特征在于，所述的光学耦合器，由两级孔径光阑和长焦距准直透镜组成；在步骤3实施前，需要根据激光雷达光电探测系统接收光路的入射波长、发散角和通光孔径等的要求，匹配设计光阑孔径和长焦距透镜，使光栅单色仪的输出端和激光雷达光电探测系统的输入端之间实现高效的光耦合。

6.根据权利要求1所述的一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，其特征在于，所述的标准探测器，使用硅和铟镓砷两种类型的标准探测器，通过两者的组合，覆盖探测波段分布在近紫外至近红外之间的被测探测器的标定，以及光电探测系统的标定。

7.一种激光雷达光电探测系统探测性能测试装置，其特征在于，包括卤钨灯光源及其稳流电源、光栅单色仪、光学耦合器、标准探测器、被测光电探测系统及其箱体、数据采集器、控制计算机，以及测量暗室；利用稳流电源控制下的卤钨灯，产生强度可调的宽光谱测试光信号，利用光栅单色仪选择所需的测试光波长；将被测探测器以及标准探测器固定在电动位移台上，使用标准探测器，采用传递定标法，通过数据采集器采集探测器输出的电信号，完成被测探测器的标定；最后，通过光学耦合器，将光栅单色仪输出的光信号耦合进入激光雷达光电探测系统，实现激光雷达光电探测系统接收光路光学透过率、输入光强-输出电压响应曲线和线性响应范围的标定；整个测量过程均在测量暗室中进行，避免杂散光的干扰；测量过程中，光电探测系统探测性能测试装置的输出光强控制、波长选择以及采集信号的处理，均通过控制计算机完成，装置的自动化程度较高。