CN110231610B - 星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台及方法，用于等效模拟不同出射激光能量、不同大气条件下的卫星激光测高仪脚点能量密度，针对星载激光测高仪的指向角误差在轨标定中在地面激光足印范围内布设的激光探测器进行检测评估；设置激光发射模块、能量调节模块、光束整形模块、能量监控模块和数据处理模块。本发明解决了星载激光测高仪地面标定激光有源探测器的检测问题，通过多种衰减片组合的方式，实现了对激光有源探测器性能指标检测的全覆盖。同时，高能量稳定性的激光光源与高精度能量计的实时能量监控，保证了探测器测量数据的真实性与可靠性，为星载激光测高仪地面标定提供了可靠性保障。

Description

星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台及方法

技术领域

本发明涉及智能化全息测绘关键技术领域，特别涉及一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台及方法。

背景技术

为了捕获星载激光测高仪发射的激光脉冲到达地面时的激光足印，对星载激光测高仪的指向角误差进行在轨标定，需在地面激光足印范围内布设多个激光能量探测器，等效于对光斑范围内的能量分布进行采样，通过采样得到的能量值对探测器的空间位置进行加权，即可得到激光光斑的中心位置坐标。基于激光能量探测器确定的光斑中心与探测器的性能密切相关，探测器的灵敏度、动态范围、一致性和线性性等指标将直接影响对光斑中心的定位精度。

星载激光测高仪在轨标定所需的激光能量探测器数量大，且要求其在复杂的工作环境条件下对微弱的激光信号线性响应。为保证探测器测量数据的真实性和可靠性，必须在激光能量探测器投入使用前，对其性能参数进行严格的测试。由于激光能量探测器需要检测的性能指标与探测器的使用场景密切相关，需要使用专门的检测设备，实现对激光能量探测器性能指标检测的全覆盖。为此，有必要研制一种专门针对激光能量探测器的检测标定平台，为检测、评估探测器能否满足规定的设计指标提供依据。

主要的技术难点如下：

1)测试平台需要等效不同大气参数下的地面激光脚点能量密度，实现对有源探测器所有灵敏度档位和能级进行测试，因此测试平台需要大动态范围的光束能量调节能力。

2)为保证测试平台测试结果的准确性，需要高精度的光束能量调节与实时的单脉冲能量监控。

3)需要尽量提升测试平台的检测效率。

4)由于有源能量探测器的使用数量大，测试时间长，测试平台需要长时间稳定工作，保证了测试平台长时间不间断的稳定工作能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对在轨标定方法中所使用的地面探测器的特点、工作模式和技术参数，利用激光器和光学衰减片等效模拟不同出射激光能量、不同大气条件下的卫星激光测高仪脚点能量密度，通过对探测器输出原始数据的分析，测试有源探测器的灵敏度、一致性、稳定性等指标，从而判断实验前有源探测器的探测指标是否满足实验要求。

本发明的技术方案提供一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台，用于等效模拟不同出射激光能量、不同大气条件下的卫星激光测高仪脚点能量密度，针对星载激光测高仪的指向角误差在轨标定中在地面激光足印范围内布设的激光探测器进行检测评估；设置激光发射模块、能量调节模块、光束整形模块、能量监控模块和数据处理模块，

所述激光发射模块包括激光器驱动电源、主激光器、备用激光器和偏振分光棱镜，所述驱动电源分别连接主激光器和备用激光器，主激光器输出光束直接透射通过偏振分光棱镜，备用激光器输出光束经过偏振分光棱镜反射后与主激光器指向同一方向，能够在主激光器能量不稳定或出现其他故障的情况下替换主激光器使用；

所述能量调节模块由三块衰减片组成，分别为连续可调衰减片、四级阶跃可调衰减片和十级阶跃可调衰减片，所述连续可调衰减片、四级阶跃可调衰减片与十级阶跃可调衰减片沿光束传播方向依次排列，用于对激光器输出光束的能量进行连续调节与阶跃调节；

所述光束整形模块包含光束整形镜、第一分束镜、反射镜与第二分束镜，所述光束整形镜将激光器输出的光束能量分布由高斯分布转化为均匀分布，当光斑内各点能量均匀，探测器只要在光斑范围内，其能量响应都是一致的；所述第一分束镜折转光束，便于测试过程中激光探测器的安置，并透射部分光束至能量监控模块，用于对激光器的发射能量的实时监控；所述第二分束镜与反射镜配合，产生两束能量相等的激光束，为探测器的标定提供两个能量密度相同的测试工位；

所述能量监控模块包括能量计和数据传输模块，能量计的探头能够单独响应每发激光脉冲的能量，能量计数据传输模块将检测结果实时传输至上位机；

所述数据处理模块包括上位机，与光束整形模块产生的两束能量相等的激光束相应，两个测试工位上的激光探测器分别接入上位机；上位机用于读取能量监控模块的各项数据，对激光器输出脉冲能量进行实时监控，以及从激光探测器中读入激光探测器的响应值，根据能量监控模块的数据判断激光探测器的响应是否正确，得到检测结果。

而且，激光器和备用激光器的输出为1064nm的近红外光。

而且，所述能量计的探头为对红外波段响应度较好的锗材料光电探头。

一种基于上述星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台的检测标定方法，包括以下步骤：

1)首先需要输入激光探测器所检测的项目，包括激光探测器的被测能级和档位；上位机通过串口的方式与能量监控模块进行通信，读取能量监控模块的激光脉冲能量信息，判断此时激光发射模块是否正常工作，若激光发射模块的激光能量不满足测试条件，则应该停止检测，等待下一次时机；

2)上位机根据激光探测器的数据接口，与激光探测器进行通信，获得被测激光探测器的状态信息和能级数据；状态信息用于判断激光探测器是否处于正常工作的状态，以确保本次测试真实有效；能级信息用来和被测项目进行比对，从而判断该次测试是否合格；

3)对同一激光探测器的不同档位和能级的响应进行测试，分析激光探测器能级检测结果与相应能级的设计数值之间差异，从而为判断该激光探测器所处不同档位和不同能级时的响应一致性和稳定性提供数据支撑；

4)对一个激光探测器的检测完毕后，出具单个激光探测器的检测报告；在一批激光探测器检测完毕后，出具这一批激光探测器的整体检测报告并分析这一批激光探测器的实测值与理论值的差异，进行一致性分析，从而确定该批次激光探测器的探测性能的差异，为激光探测器精度分析提供依据。

而且，步骤3)中，对于每一次的检测结果均进行置信度的分析，并对检测结果进行存储，以便后续调用。

和现有技术相比，本发明的区别和优点是：

本发明为与星载激光测高仪有源能量探测器配套的专用检测设备，目前还没有类似的设备。为了提升测试平台的检测效率，一方面将光束分为两路，设置了两个探测器监测工位。另一方面将激光器输出光束的能量由高斯分布转换为均匀分布，使探测器在测试时不需要精确对准，简化了测试流程，提升了测试效率。并且，由于有源能量探测器的使用数量大，测试时间长，测试平台需要长时间稳定工作，因此在激光发射模块中设置了两个相同的固体激光器作为光源，保证了测试平台长时间不间断的稳定工作能力。

本发明具有输出能量动态范围大、检测精度高、检测速度快的特点，以满足对有源能量探测器进行全面高精度快速检测的需求。

附图说明

图1是本发明实施例的激光探测器检测标定平台的结构示意图；

图2是本发明实施例的能量监控模块技术路线图；

图3是本发明实施例的数据处理模块技术路线图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图详细说明本发明技术方案。

以下将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出：探测器检测平台核心功能是提供与实际星载激光测高仪地面光斑能量密度相当的激光光束，通过探测器对光斑的响应反映探测器功能和性能，判断探测器能否在实际的在轨标定中正常工作。针对激光探测器的技术指标要求，探测器检测标定平台应当能够准确调节其输出光斑的能量密度，以满足探测器不同档位和能级的参数测试，从而用来判断探测器的探测能力的一致性和线性性等，为评估探测器定位的脚点重心提取精度提供检测依据。因为星载激光测高仪在轨标定需要的探测器数量很多，在数百个到数千个之间，为了提高测试效率和方便管理测试结果，有必要设计分光光路，满足两路同时检测的要求；两路探测器的测试数据同时传输至上位机，在上位机中进行处理与显示，具体实施时，可以设置相应的控制和处理软件以方便用户对检测结果的管理与应用。

实施例中，通过对检测标定平台主要功能与性能指标的分析，并基于激光能量探测器的工作特点、工作模式和技术参数，确定检测标定平台的技术路线是：利用激光器和光学衰减片等效模拟不同激光能量、不同大气透过率条件下的卫星激光测高仪脚点能量密度，通过后处理过程对探测器输出原始数据进行分析，得到激光探测器的灵敏度、线性性、稳定性等指标，从多个探测器的检测结果中得到产品的一致性，从而判断激光探测器的性能指标是否满足技术要求。

为了对激光探测器各方面性能进行有效的检测，本发明实施例检测标定平台具有五个模块：激光发射模块、能量调节模块、光束整形模块、能量监控模块和数据处理模块，其系统结构见图1所示。

如图1所示，本发明实施例的系统结构中包括激光发射模块、能量调节模块、光束整形模块、能量监控模块和数据处理模块。激光发射模块的输出光束经能量调节模块进入光束整形模块，由光束整形模块分别输入能量监控模块和待检测的激光探测器，待检测的激光探测器的输出连接到数据处理模块，能量监控模块的输出连接到数据处理模块。

所述激光发射模块为检测标定平台提供基准光源，能量调节模块用于激光器输出的光束能量进行大范围精确调节，满足探测器所有档位、能级的测试要求；光束整形模块负责改变激光器输出光束能量的空间分布，同时将光束分为三束，分别导向能量监控模块与两个探测器测试工位；能量监控模块由高灵敏度、高响应速度的能量计组成，对激光器输出的激光脉冲能量进行实时监控；数据处理模块用于读取探测器的档位、能级等信息与能量监控模块测得的实时脉冲能量，支持软件处理后给出合理的衰减片调节方案，对探测器响应结果的正确性、探测器各能级之间的线性性与不同探测器之间的一致性做出评价。

所述激光发射模块包括激光器驱动电源1、主激光器2、备用激光器3、偏振分光棱镜4，激光器驱动电源1和主激光器2、备用激光器3分别连接，所述激光驱动电源1可分别驱动主激光器2与备用激光器3，所述主激光器2的输出光束方向与备用激光器3的输出光束方向相互垂直，所述偏振分光棱镜4设置在主激光器2的输出光束方向与备用激光器3的输出光束方向交点处，主激光器2输出光束直接透射通过偏振分光棱镜4，备用激光器3输出光束经过偏振分光棱镜4反射后与主激光器2输出光束指向同一方向，可在主激光器能量不稳定或出现其他故障的情况下替换主激光器使用。

实施例中，主激光器2、备用激光器3的输出为1064nm的近红外光。

所述能量调节模块由三块衰减片组成，分别为连续可调衰减片5、四级阶跃可调衰减片6、十级阶跃可调衰减片7，所述连续可调衰减片5、四级阶跃可调衰减片6与十级阶跃可调衰减片7沿激光发射模块发出的光束传播方向依次排列，所述连续可调衰减片5可对激光器输出光束的能量进行连续调节，使光束能量达到探测器的响应动态范围之内。所述四级阶跃可调衰减片6的衰减倍率与激光能量探测器的不同档位之间的能量差相对应，调节其衰减倍率可使光束能量对应激光能量探测器的不同档位。所述十级阶跃可调衰减片7的衰减倍率与激光能量探测器的不同能级相对应，调节其衰减倍率可使光束能量与激光能量探测器的不同能级相对应。从而使测试平台输出的光束能量可与激光能量探测器的所有档位及能级一一对应，实现对激光能量探测器性能指标的全覆盖。具体实施时，可以采用手动调节或者电机控制的方式调整衰减片，以模拟不同出射激光能量、不同大气条件下的透过率。

所述光束整形模块包含光束整形镜8、第一分束镜9、反射镜11与第二分束镜12，所述光束整形镜8沿光束传播方向放置，第一分束镜9与光束传播方向成45°角放置，反射镜11与第一分束镜9相互垂直，第二分束镜12与反射镜11相互平行。

所述光束整形镜8能将激光器输出的光束能量分布由高斯分布转化为均匀分布，当光斑内各点能量均匀，探测器只要在光斑范围内，其能量响应都是一致的。这样测试系统不需要精密的定位机构对探测器进行定位，同时简化了探测器测试的程序，提升了测试速度。

所述第一分束镜9主要有两方面的功能，一是折转光束，便于测试过程中激光探测器的安置；二是透射部分光束至能量监控模块，用于对激光器的发射能量的实时监控。

所述第二分束镜12与反射镜11配合，产生两束能量相等的激光束，为探测器的标定提供两个能量密度相同的测试工位。

所述能量监控模块包含能量计10及其数据传输模块，能量监控模块的实现框图如图2所示，能量计10的探头连接数据传输模块，数据传输模块和上位机建立通信连接。能量计10能够通过其探头单独响应每发激光脉冲的能量，将检测结果通过数据传输模块传输至上位机，可在上位机采用软件方式输出一段时间内激光脉冲的平均值和标准差等信息，便于用户对激光脉冲能量进行实时的评估。

(1)能量计的探头可优选采用对红外波段响应程度较好的锗材料的光电探头，可以对nJ级别的脉冲能量进行有效的探测。相比热电材料的探头，其工作频率较高，可以准确测量几百赫兹的脉冲激光的脉冲能量。

(2)由于激光探测器是单脉冲响应，因此，能量计也必须要有单脉冲能量的响应能力，而不是一段时间脉冲能量的平均值。

(3)为了提高测试平台测试结果的置信度，能量计需要有较高的校准不确定度，一般优于±5％。

最终，所测得的单脉冲能量和序列脉冲的均值和标准差等信息，均在上位机中显示，方便后续处理过程读取各项参数并进行后续数据处理。

所述数据处理模块包括用于实现后处理过程的上位机14，与光束整形模块产生的两束能量相等的激光束相应，两个检测工位上的激光探测器13分别接入上位机4。具体实施时可采用软件方式在上位机中设置数据处理软件，上位机14可采用计算机作为数据处理软件的载体，其主要功能包括：

1)读取能量监控模块的各项数据，对激光器输出脉冲能量进行实时监控；

2)从激光探测器中读入激光探测器的响应值，包含探测器编号、实时电量、响应时间与对应档位、能级等。具体实施时，可利用有源光斑能量激光探测器的配套软件，对激光探测器阵列进行数据管理、指令控制及可视化显示，并支持上位机14提供激光探测器的响应值。方便用户对标定场内各个探测器实现相关的操作，有效简化了星载激光测高仪在轨标定实验中的操作流程，减少了由人工操作带来的随机误差，提高了工作效率。

3)根据能量监控模块的数据判断激光探测器的响应是否正确。根据检测项目以及最后检测结果出具检测报告。对检测结果具备存储、显示、管理等。

具体实施时，本发明实施例的数据处理实现过程如图3所示：

1)首先需要输入激光探测器所检测的项目，主要包括激光探测器的被测能级和档位。上位机通过串口的方式与能量监控模块进行通信，读取能量监控模块的激光脉冲能量信息，判断此时测试平台的激光发射模块是否正常工作，若激光发射模块的激光能量不满足测试条件，则应该停止检测，等待下一次时机；

2)上位机根据激光探测器的数据接口，与激光探测器进行通信，获得被测探测器的状态信息和能级数据。状态信息用于判断该探测器是否处于正常工作的状态，以确保本次测试真实有效。能级信息用来和被测项目进行比对，从而判断该次测试是否合格。

3)对同一激光探测器的不同档位和能级的响应进行测试，分析激光探测器能级检测结果与相应能级的设计数值之间差异，从而为判断该激光探测器所处不同档位和不同能级时的响应一致性和稳定性提供数据支撑。考虑到实际入射到激光探测器的能量与理论值存在差异(主要由激光器能量的波动和能量级校准不确定度导致)，故对于每一次的检测结果均可进行置信度的分析，并对检测结果按照一定的格式进行存储，方便后续调用。

4)对一个激光探测器的检测完毕后出具单个激光探测器的检测报告。单个检测报告内容主要包括：灵敏度分析、稳定性分析和线性性分析等，以确保检测合格的探测器探测性能满足设计指标要求，可以正常使用。在一批激光探测器检测完毕后，出具这一批激光探测器的整体检测报告并分析这一批激光探测器的实测值与理论值的差异，进行一致性分析，从而确定该批次激光探测器的探测性能的差异，为探测器精度分析提供依据。

具体实施时，各部分建议优选采用的产品型号为：

激光器采用布里渊激光科技公司的脉冲红外激光器IR-08E；

偏振分光棱镜采用Thorlabs公司的PBS12-1064；

连续可调衰减片采用Thorlabs公司的NDC-100C-2M；

四级阶跃可调衰减片与十级可调衰减片均为Thorlabs公司的NDC-100S系列；

光束整形镜采用Edmund公司的#34-258；

分束镜采用Thorlabs公司的BSW05与BSX05；

反射镜采用Thorlabs公司的BB05-E03；

能量计探头采用Gentec公司的PE5B-Ge，数据传输模块型号为M-Link

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台，其特征在于：用于等效模拟不同出射激光能量、不同大气条件下的卫星激光测高仪脚点能量密度，针对星载激光测高仪的指向角误差在轨标定中在地面激光足印范围内布设的激光探测器进行检测评估；设置激光发射模块、能量调节模块、光束整形模块、能量监控模块和数据处理模块，

所述激光发射模块包括激光器驱动电源、主激光器、备用激光器和偏振分光棱镜，所述驱动电源分别连接主激光器和备用激光器，主激光器输出光束直接透射通过偏振分光棱镜，备用激光器输出光束经过偏振分光棱镜反射后与主激光器指向同一方向，能够在主激光器能量不稳定或出现其他故障的情况下替换主激光器使用；

所述能量调节模块由三块衰减片组成，分别为连续可调衰减片、四级阶跃可调衰减片和十级阶跃可调衰减片，所述连续可调衰减片、四级阶跃可调衰减片与十级阶跃可调衰减片沿光束传播方向依次排列，用于对激光器输出光束的能量进行连续调节与阶跃调节；

所述光束整形模块包含光束整形镜、第一分束镜、反射镜与第二分束镜，所述光束整形镜将激光器输出的光束能量分布由高斯分布转化为均匀分布，当光斑内各点能量均匀，探测器只要在光斑范围内，其能量响应都是一致的；所述第一分束镜折转光束，便于测试过程中激光探测器的安置，并透射部分光束至能量监控模块，用于对激光器的发射能量的实时监控；所述第二分束镜与反射镜配合，产生两束能量相等的激光束，为探测器的标定提供两个能量密度相同的测试工位；

所述能量监控模块包括能量计和数据传输模块，能量计的探头能够单独响应每发激光脉冲的能量，能量计数据传输模块将检测结果实时传输至上位机；

所述数据处理模块包括上位机，与光束整形模块产生的两束能量相等的激光束相应，两个测试工位上的激光探测器分别接入上位机；上位机用于读取能量监控模块的各项数据，对激光器输出脉冲能量进行实时监控，以及从激光探测器中读入激光探测器的响应值，根据能量监控模块的数据判断激光探测器的响应是否正确，得到检测结果。

2.根据权利要求1所述星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台，其特征在于：主激光器和备用激光器的输出为1064nm的近红外光。

3.根据权利要求1所述星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台，其特征在于：所述能量计的探头为对红外波段响应度较好的锗材料光电探头。

4.一种基于权利要求1或2或3所述星载激光测高仪有源光斑能量探测器检测标定平台的检测标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先需要输入激光探测器所检测的项目，包括激光探测器的被测能级和档位；上位机通过串口的方式与能量监控模块进行通信，读取能量监控模块的激光脉冲能量信息，判断此时激光发射模块是否正常工作，若激光发射模块的激光能量不满足测试条件，则应该停止检测，等待下一次时机；

2)上位机根据激光探测器的数据接口，与激光探测器进行通信，获得被测激光探测器的状态信息和能级数据；状态信息用于判断激光探测器是否处于正常工作的状态，以确保本次测试真实有效；能级信息用来和被测项目进行比对，从而判断该次测试是否合格；

3)对同一激光探测器的不同档位和能级的响应进行测试，分析激光探测器能级检测结果与相应能级的设计数值之间差异，从而为判断该激光探测器所处不同档位和不同能级时的响应一致性和稳定性提供数据支撑；

4)对一个激光探测器的检测完毕后，出具单个激光探测器的检测报告；在一批激光探测器检测完毕后，出具这一批激光探测器的整体检测报告并分析这一批激光探测器的实测值与理论值的差异，进行一致性分析，从而确定该批次激光探测器的探测性能的差异，为激光探测器精度分析提供依据。

5.根据权利要求4所述的检测标定方法，其特征在于：步骤3)中，对于每一次的检测结果均进行置信度的分析，并对检测结果进行存储，以便后续调用。

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