CN110297230B - 星载激光雷达回波信号模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载激光雷达回波信号模拟器，主要应用于星载激光雷达地面测试试验中，属于光电信息技术领域。模拟器由控制计算机、波形模拟装置、偏振态模拟装置、噪声模拟装置、光学合束装置、光束偏转装置、中继像面、平行光管和激光方向跟踪装置组成；该模拟器提供一种可控光学信号源，可以在实验室条件下为被测星载激光雷达系统提供可控的光学回波信号，支持对星载激光雷达系统进行重复测试。能够支持星载激光雷达系统的研制、硬件测试、错误评估和算法开发等全过程，具有较强的实用性，已经应用在中国某星载对地观测激光雷达系统的地面测试试验中。

Description

星载激光雷达回波信号模拟器

技术领域

本发明涉及一种星载激光雷达回波信号模拟器，主要应用于星载激光雷达地面测试试验中，属于光电信息技术领域。

背景技术

星载激光雷达是进行全球大气探测和获取全球地理信息的有效手段，它不受地域和时间限制，可以实现全天候观测。目前全世界范围内已经发射，或计划发射多个星载激光雷达系统，如美国ICESat卫星上搭载的GLAS系统，美国ICESat-2卫星上搭载的ATLAS系统，美国CALIPSO卫星上搭载的CALIOP系统，国际空间站上的CATS系统，欧洲AEOLUS卫星上搭载的ALADIN系统，中国即将发射的HSRL大气环境监测卫星搭载的SACDL系统等。星载激光雷达探测的目标信息包括地表高程、大气气溶胶、云层和地表反射率、大气风场等。

由于星载激光雷达工作在空间轨道上，在轨维修非常困难，因此地面测试环节对于星载激光雷达的研制过程来说尤为重要，只有在地面测试环节尽可能真实地模拟星上工作环境，执行完整的星上工作流程，才能在研制阶段发现潜在的问题，保证系统的可靠性。星载激光雷达回波信号模拟器是星载激光雷达地面测试试验中的关键设备，能够在实验室条件下为被测星载激光雷达提供可控的光学回波信号。

目前有报道的星载激光雷达模拟器多数是纯软件工具，这种模拟软件工作在计算机环境下，通过对激光雷达系统的各部分以及激光传输介质进行建模，能够生成可重复的激光回波数据，主要用来指导系统研制和算法验证，但由于是纯软件仿真，不能支持对星载激光雷达系统硬件的测试。

实物型的模拟器(McGill,M.,T.Markus,V.S.Scott,and T.Neumann,2013:TheMultiple Altimeter Beam Experimental Lidar(MABEL):An Airborne Simulator forthe ICESat-2 Mission.J.Atmos.Oceanic Technol.,30,345–352,)则是使用机载激光雷达作为星载激光雷达系统的原理样机，进行外场实际飞行试验，对某片空间区域进行实地探测。这种模拟器存在的问题是：外场试验成本高，试验受气象条件和环境条件限制，试验数据的可重复性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种星载激光雷达回波信号模拟器，主要应用于星载激光雷达地面测试试验中。该模拟器提供一种可控光学信号源，可以在实验室条件下为被测星载激光雷达系统提供可控的光学回波信号，支持对星载激光雷达系统进行重复测试。能够支持星载激光雷达系统的研制、硬件测试、错误评估和算法开发等全过程，具有较强的实用性，已经应用在中国某星载对地观测激光雷达系统的地面测试试验中。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

星载激光雷达回波信号模拟器，由控制计算机、波形模拟装置、偏振态模拟装置、噪声模拟装置、光学合束装置、光束偏转装置、中继像面、平行光管和激光方向跟踪装置组成；

控制计算机根据星载激光雷达遥感探测数学模型生成激光回波信号的波形数据和偏振态数据，分别下发到波形模拟装置和偏振态模拟装置。波形模拟装置根据控制计算机下发的激光回波信号波形数据，在被测星载激光雷达系统发送的触发信号的触发下，生成和激光回波信号波形相同的激光信号。偏振态模拟装置根据控制计算机下发的偏振态数据改变波形模拟装置输出的激光信号的偏振态。噪声模拟装置用于生成被测星载激光雷达系统接收到的噪声光。光学合束装置把激光信号光束和噪声光束在空间上合成一束。光束偏转装置用于控制光束在中继像面上形成的光斑的位置。中继像面被放置在平行光管的焦平面上，中继像面上的光斑经过平行光管后被准直为平行光，平行光作为所述的星载激光雷达回波信号模拟器最终输出的激光回波信号。

激光方向跟踪装置用于实时监测被测星载激光雷达系统的发射激光信号方向和星载激光雷达回波信号模拟器输出的激光回波信号方向，并把两个激光信号方向之间的差异角反馈给控制计算机。控制计算机根据方向差异角控制光束偏转装置改变中继像面上的光斑位置。由于中继像面位于平行光管的焦平面上，因此中继像面上的光斑位置决定了从平行光管出射的激光回波信号的方向。控制计算机通过控制中继像面上的光斑位置进而控制激光回波信号的方向，使其与被测星载激光雷达系统的发射激光信号平行反向，实现方向跟踪功能。

所述激光方向跟踪装置包括第一测量相机、第二测量相机、监控相机、激光衰减器和反射镜；所述第一测量相机用于采集激光回波信号的光斑，并传输给控制计算机；所述第二测量相机用于采集被测星载激光雷达系统的发射激光信号的光斑，并传输给控制计算机；所述监控相机用于采集中继像面上的光斑位置，并传输给控制计算机；所述激光衰减器作用是衰减被测星载激光雷达系统的发射激光信号的强度，避免损坏测量相机。

通过所述激光方向跟踪装置实时监测被测星载激光雷达系统的发射激光信号方向和星载激光雷达回波信号模拟器输出的激光回波信号方向的方法：

测量相机由镜头和图像传感器组成。以图像传感器的中心O为原点建立直角坐标系O_xyz，图像传感器平面垂直于z轴，O点位于镜头焦点上，镜头主点F的坐标为(0,0,-f)，其中f为镜头焦距。激光信号经过镜头后汇聚到图像传感器上形成光斑，光斑的质心坐标为A(x,y)，激光信号的方向用(ω_x,ω_y)表示，则有：

ω_x＝x/tan(f),ω_y＝y/tan(f)。

控制计算机利用所述激光方向跟踪装置和所述光束偏转装置实现激光回波信号方向跟踪的方法为：

分别在第一测量相机和第二测量相机中建立两个直角坐标系O_1-xyz和O_2-xyz，第一测量相机的光轴O₁z的方向和第二测量相机的光轴O₂z的方向严格平行反向，O_1-xyz和O_2-xyz的三个坐标轴的朝向都相反。第一测量相机中得到的激光回波信号光斑质心位置为A₁(x₁,y₁)，第二测量相机中得到的发射激光信号光斑质心位置为A₂(x₂,y₂)。第一测量相机和第二测量相机的镜头焦距都为f，则激光回波信号方向和发射激光信号方向之间的差异角为：

Δω_x＝arctan(x₂/f)-arctan(x₁/f)

Δω_y＝arctan(y₂/f)-arctan(y₁/f)

激光方向跟踪装置中的反射镜和监控相机的作用是采集中继像面上的光斑位置坐标。控制计算机根据x方向差异角Δω_x和y方向差异角Δω_y控制光束偏转装置使中继像面上光斑在x方向和y方向分别移动一段距离Δx和Δy：

Δx＝f_ctan(Δω_x)，Δy＝f_ctan(Δω_y)

式中f_c为平行光管的焦距；

控制计算机通过监控相机实时采集中继像面上的光斑位置坐标，判断是否移动到目标位置，如果没有移动到目标位置，则继续控制光束偏转装置调整光束方向，直到中继像面上的光斑移动到目标位置，形成闭环控制，即实现了激光回波信号方向跟踪。

有益效果：

1)本发明公开的一种星载激光雷达回波信号模拟器，能够为星载激光雷达系统的地面测试试验提供真实的光学回波信号，相比于现有的纯软件模拟，可以支持对星载激光雷达系统的硬件的测试。

2)本发明公开的一种星载激光雷达回波信号模拟器，能够在室内条件下为星载激光雷达的地面测试试验提供可控的、可重复的光学回波信号，相比于现有的使用机载激光雷达系统模拟星载激光雷达系统的模拟方案，具有不受气象和环境条件限制，试验成本低，数据具有可重复性的优点，可以支持对星载激光雷达硬件系统的重复测试。

3)本发明公开的一种星载激光雷达回波信号模拟器，其输出的光学回波信号的偏振态可控，能够模拟不同传输介质对激光雷达回波信号造成的退偏效应。

4)本发明公开的一种星载激光雷达回波信号模拟器，具有噪声光模拟功能，能够模拟星载激光雷达系统接收到的背景噪声光。

5)本发明公开的一种星载激光雷达回波信号模拟器，具有激光方向跟踪功能，能够支持对星载激光雷达系统在卫星轨道上进行姿态变换的过程的模拟。

附图说明

图1为本发明公开的一种星载激光雷达回波信号模拟器的系统组成框图；

图2为本发明实施例的硬件组成框图(第一部分)；

图3为本发明实施例的硬件组成框图(第二部分)；

图4为本发明实施例的激光方向跟踪装置测量激光信号方向的原理图；

图5为本发明实施例的激光方向跟踪装置测量坐标系定义示意图；图5(a)为测量相机1内的坐标系；图5(b)为测量相机2内的坐标系；

图6为本发明实施例的模拟激光回波信号与实际激光回波信号的波形对比图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

本实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器针对的被测星载激光雷达系统的参数主要有：波长包括532nm和1064nm，其中532nm波长主要用于探测大气气溶胶，需要模拟激光回波信号的退偏效应，1064nm波长用于测量地表高程，不需要模拟激光回波信号的退偏效应。发射激光脉冲宽度为20ns，单脉冲能量为150mJ，重复频率为20Hz。发射激光光束的直径为180mm，发散角为100μrad。激光雷达的接收望远镜口径为1m，接收视场为200μrad，背景噪声光谱段覆盖400nm～1500nm。星载激光雷达系统的测距分辨率为0.15m，轨道高度为500km。

本发明实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器，如图1所示，包括控制计算机、波形模拟装置、偏振态模拟装置、噪声模拟装置、光学合束装置、光束偏转装置、中间像面、平行光管和激光方向跟踪装置，其硬件组成如图2和图3所示。

本发明实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器的波形模拟装置包括532nm和1064nm两个波长通道，作用是获得具有特定波形的532nm激光信号和1064nm激光信号。其中532nm波长通道由数字波形发生器、532nm保偏连续激光器、532nm光调制器和532nm激光准直器组成，数字波形发生器根据从控制计算机下发的激光回波信号波形数据生成与激光回波信号波形相同的电信号，532nm光调制器根据数字波形发生器输出的电信号，把532nm保偏连续激光器输出的连续激光调制成具有特定激光回波信号波形的532nm激光信号，再通过532nm激光准直器准直成平行激光信号。1064nm波长通道由数字波形发生器、1064nm保偏连续激光器、1064nm光调制器和1064nm激光准直器组成，数字波形发生器根据从控制计算机下发的激光回波波形数据生成与激光回波信号波形相同的电信号，1064nm光调制器根据数字波形发生器输出的电信号，把1064nm保偏连续激光器输出的连续激光调制成具有特定激光回波波形的1064nm激光信号，再通过1064nm激光准直器准直成平行激光信号。

波形模拟装置中的数字波形发生器具有两个信号通道，具有外触发功能，在接收到被测星载激光雷达系统发送的触发信号后，经过一段时间延时后，输出具有激光回波波形的电信号。由于被测星载激光雷达系统的测距分辨率为0.15m，轨道高度为500km，根据激光雷达测距方程：

L＝ct/2

式中，L为距离，c为光速，t为激光回波信号相对于触发信号的延时。因此数字波形发生器的时间延时分辨率为1ns，时间延时范围大于3.4ms。

本发明实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器的偏振态模拟装置包括532nm偏振分束器(PBS)、532nm半波片(λ/2)和532nm四分之一波片(λ/4)，作用是控制由波形模拟装置输出的532nm平行激光信号的偏振态，以模拟532nm激光回波信号的退偏效应。其中532nm PBS用于对波形模拟装置输出的532nm平行激光信号的偏振态进行提纯，得到线偏振激光信号。532nm半波片用于旋转线偏振激光信号的偏振方向。532nm四分之一波片用于把线偏振激光信号转换为椭圆偏振激光信号。

本发明实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器的光学合束装置包括反射镜1、合束镜1和合束镜2，作用是把532nm激光信号、1064nm激光信号和噪声光信号在空间上合成一束光。其中反射镜1对1064nm激光具有高反射率。合束镜1对1064nm激光具有高反射率，对532nm激光具有高透过率。合束镜2是宽谱分光镜，在噪声光波段内具有α:β的反射透过比(α，β为百分比，例如α＝30％，β＝70％)，即以45°角入射到合束镜2表面的光有α的光被反射，有β的光被透过。

本发明实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器的噪声模拟装置包括宽谱噪声光源和噪声光准直器，作用是模拟被测星载激光雷达系统接收到的背景噪声光，其中宽谱噪声光源的光谱覆盖被测星载激光雷达接收到的噪声波段(400nm～1500nm)，噪声光准直器把噪声光准直成平行光。

本发明实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器的光束偏转装置包括反射镜2、二维转台和转台驱动器，作用是使光学合束装置输出的复合光束方向发生偏转，以控制中继像面上的光斑位置。反射镜2为宽谱反射镜，在整个噪声光波段(400nm～1500nm)内具有高反射率。反射镜2安装在二维转台上，二维转台具有两个方向自由度。转台驱动器接收控制计算机下发的转动角数据，驱动二维转台在x方向和y方向转动。

本发明实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器的平行光管的作用是把中继像面上的光斑准直成平行光，作为星载激光雷达回波信号模拟器最终输出的激光回波信号。平行光管的焦距为f_c，视场为θ_c，通光口径为φ_c。则θ_c需要大于被测星载激光雷达系统的接收望远镜视场(200μrad)，φ_c需要大于被测星载激光雷达系统的接收望远镜口径(1m)。在本发明实施例中，θ_c＝300μrad。f_c＝14m，φ_c＝1.4m。

本发明实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器的中继像面为一透明散射薄膜。光学合束装置输出的复合光束经过反射镜2反射后在中继像面上形成光斑，光斑直径为φ_s。中继像面位于平行光管的焦平面上，中继像面的直径为φ_m。由于被测星载激光雷达系统的发射激光光束的发散角为100μrad，则：

φ_s＝f_c×100μrad＝1.4mm，

φ_m＝f_c×θ_c＝5.2mm。

本发明实施例公开的星载激光雷达回波信号模拟器的激光方向跟踪装置包括反射镜3、监控相机、测量相机1、测量相机2和激光衰减器。其中反射镜3和监控相机用于采集中继像面上的光斑位置，测量相机1用于测量星载激光雷达回波信号模拟器输出的激光回波信号的方向，测量相机2用于测量被测星载激光雷达系统的发射激光信号方向，激光衰减器用于衰减被测星载激光雷达系统的发射激光信号的强度，避免损坏测量相机2。

激光方向跟踪装置中通过测量相机1和测量相机2测量激光信号方向的原理如图4所示。测量相机由镜头和图像传感器组成。以图像传感器的中心O为原点建立直角坐标系O_xyz，图像传感器平面垂直于z轴，O点位于镜头焦点上，镜头主点F的坐标为(0,0,-f)，其中f为镜头的焦距。激光信号经过镜头后汇聚到图像传感器上形成光斑，光斑的质心坐标为A(x,y)，激光信号的方向用(ω_x,ω_y)表示，则有：

ω_x＝x/tan(f),ω_y＝y/tan(f)。

分别在测量相机1和测量相机2中建立两个直角坐标系O_1-xyz和O_2-xyz，如图5(a)和图5(b)所示。测量相机1的光轴O₁z的方向和测量相机2的光轴O₂z的方向严格平行反向，O_1-xyz和O_2-xyz的三个坐标轴的朝向都相反。设测量相机1中得到的激光回波信号光斑质心位置为A₁(x₁,y₁)，测量相机2中得到的发射激光信号光斑质心位置为A₂(x₂,y₂)。测量相机1和测量相机2的镜头焦距都为f，则激光回波信号方向和发射激光信号方向之间的差异值为：

Δω_x＝arctan(x₂/f)-arctan(x₁/f)，

Δω_y＝arctan(y₂/f)-arctan(y₁/f)。

激光方向跟踪装置中的反射镜3和监控相机的作用是采集中继像面上的光斑位置坐标。控制计算机根据方向差异角Δω_x和Δω_y控制光束偏转装置使中继像面上光斑在x方向和y方向分别移动一段距离Δx和Δy：

Δx＝f_ctan(Δω_x)，Δy＝f_ctan(Δω_y)。

控制计算机通过监控相机实时采集中继像面上的光斑位置坐标，判断是否移动到目标位置，如果没有移动到目标位置，则继续控制光束偏转装置调整光束方向，直到中继像面上的光斑移动到目标位置，形成闭环控制。

激光方向跟踪装置中的激光衰减器作用是衰减被测星载激光雷达系统的发射激光信号的强度，避免损坏测量相机2。被测星载激光雷达系统的发射激光信号脉宽为20ns，单脉冲能量为150mJ，则其峰值功率约为P_t＝7.5×10⁶W。在本发明实施例中，测量相机2的镜头焦距为f＝85mm，被测星载激光雷达系统的发射激光信号的发散角为100μrad，则测量相机2的图像传感器上的发射激光信号光斑的直径为：

φ₂＝85mm×100μrad＝8.5μm。

图像传感器能响应的辐照度最小值为E_min＝2×10^-5W/cm²，则激光衰减器的透过率为：

被测星载激光雷达系统的发射激光信号光束直径为180mm，因此激光衰减器的口径需大于180mm。

为证明所述的星载激光雷达回波信号模拟器输出的激光回波信号波形是正确的，利用所述的星载激光雷达回波信号模拟器模拟ICESat卫星上的GLAS激光雷达系统对北纬50.095,东经98.160处进行观测采集到的激光回波信号波形，结果如图6所示，图6中实线表示GLAS星载激光雷达系统采集到的激光回波信号波形，虚线表示使用所述星载激光雷达回波信号模拟器输出的激光回波信号波形，可以看出模拟的激光回波信号与真实采集到的激光回波信号非常相似，能够满足测试需求。

显然，本领域的技术人员和研究人员可以对本发明的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.星载激光雷达回波信号模拟器，其特征在于：由控制计算机、波形模拟装置、偏振态模拟装置、噪声模拟装置、光学合束装置、光束偏转装置、中继像面、平行光管和激光方向跟踪装置组成；

控制计算机根据星载激光雷达遥感探测数学模型生成激光回波信号的波形数据和偏振态数据，分别下发到波形模拟装置和偏振态模拟装置；波形模拟装置根据控制计算机下发的激光回波信号波形数据，在被测星载激光雷达系统发送的触发信号的触发下，生成和激光回波信号波形相同的激光信号；偏振态模拟装置根据控制计算机下发的偏振态数据改变波形模拟装置输出的激光信号的偏振态；噪声模拟装置用于生成被测星载激光雷达系统接收到的噪声光；光学合束装置把激光信号光束和噪声光束在空间上合成一束；光束偏转装置用于控制光束在中继像面上形成的光斑的位置；中继像面被放置在平行光管的焦平面上，中继像面上的光斑经过平行光管后被准直为平行光，平行光作为所述的星载激光雷达回波信号模拟器最终输出的激光回波信号；

激光方向跟踪装置用于实时监测被测星载激光雷达系统的发射激光信号方向和星载激光雷达回波信号模拟器输出的激光回波信号方向，并把两个激光信号方向之间的差异角反馈给控制计算机；控制计算机根据方向差异角控制光束偏转装置改变中继像面上的光斑位置；由于中继像面位于平行光管的焦平面上，因此中继像面上的光斑位置决定了从平行光管出射的激光回波信号的方向；控制计算机通过控制中继像面上的光斑位置进而控制激光回波信号的方向，使其与被测星载激光雷达系统的发射激光信号平行反向，实现方向跟踪功能；

其中，星载激光雷达回波信号模拟器的偏振态模拟装置包括532nm偏振分束器PBS、532nm半波片λ/2和532nm四分之一波片λ/4，作用是控制由波形模拟装置输出的532nm平行激光信号的偏振态，以模拟532nm激光回波信号的退偏效应。

2.如权利要求1所述的星载激光雷达回波信号模拟器，其特征在于：所述激光方向跟踪装置包括第一测量相机、第二测量相机、监控相机、激光衰减器和反射镜；所述第一测量相机用于采集星载激光雷达信号模拟器输出的激光回波信号的光斑，并传输给控制计算机；所述第二测量相机用于采集被测星载激光雷达系统的发射激光信号的光斑，并传输给控制计算机；所述监控相机用于采集中继像面上的光斑位置，并传输给控制计算机；所述激光衰减器作用是衰减被测星载激光雷达系统的发射激光信号的强度，避免损坏测量相机。

3.如权利要求1或2所述的星载激光雷达回波信号模拟器，其特征在于：通过所述激光方向跟踪装置实时监测被测星载激光雷达系统的发射激光信号方向和星载激光雷达回波信号模拟器输出的激光回波信号方向的方法：

测量相机由镜头和图像传感器组成；以图像传感器的中心O为原点建立直角坐标系O_xyz，图像传感器平面垂直于z轴，O点位于镜头焦点上，镜头主点F的坐标为(0,0,-f)，其中f为镜头焦距；激光信号经过镜头后汇聚到图像传感器上形成光斑，光斑的质心坐标为A(x,y)，激光信号的方向用(ω_x,ω_y)表示，则有：

ω_x＝x/tan(f),ω_y＝y/tan(f)；

控制计算机利用所述激光方向跟踪装置和所述光束偏转装置实现激光回波信号方向跟踪的方法为：

分别在第一测量相机和第二测量相机中建立两个直角坐标系O_1-xyz和O_2-xyz，第一测量相机的光轴O₁z的方向和第二测量相机的光轴O₂z的方向严格平行反向，O_1-xyz和O_2-xyz的三个坐标轴的朝向都相反；第一测量相机中得到的激光回波信号光斑质心位置为A₁(x₁,y₁)，第二测量相机中得到的发射激光信号光斑质心位置为A₂(x₂,y₂)；第一测量相机和第二测量相机的镜头焦距都为f，则激光回波信号方向和发射激光信号方向之间的差异角为：

Δω_x＝arctan(x₂/f)-arctan(x₁/f)

Δω_y＝arctan(y₂/f)-arctan(y₁/f)

激光方向跟踪装置中的反射镜和监控相机的作用是采集中继像面上的光斑位置坐标；控制计算机根据x方向差异角Δω_x和y方向差异角Δω_y控制光束偏转装置使中继像面上光斑在x方向和y方向分别移动一段距离Δx和Δy：

Δx＝f_ctan(Δω_x)，Δy＝f_ctan(Δω_y)

式中f_c为平行光管的焦距；

控制计算机通过监控相机实时采集中继像面上的光斑位置坐标，判断是否移动到目标位置，如果没有移动到目标位置，则继续控制光束偏转装置调整光束方向，直到中继像面上的光斑移动到目标位置，形成闭环控制，即实现了激光回波信号方向跟踪。

Images