CN110441754B - 细分视场光学效率可控制的光学接收装置 - Google Patents

Abstract

一种细分视场光学效率可控制的光学接收装置，包括接收主透镜、DMD、光吸收体、准直透镜、窄带滤光片、聚焦透镜、探测器、DMD驱动控制模块。本发明可以使中心小视场强接收光被衰减，保证边缘大视场较弱的接收光被高灵敏度探测器接收，有效克服了激光雷达对强散射介质测量时存在的中心视场信号饱和问题，在保证边缘大视场接收光光学效率的基础上，实现对中心小视场接收光的衰减，可以有效提高激光雷达系统在水、雾等强散射介质中的探测动态范围。

Description

细分视场光学效率可控制的光学接收装置

技术领域

本发明涉及激光雷达海洋探测领域，特别是一种细分视场光学效率可控制的光学接收装置，该装置利用DMD驱动控制模块控制DMD不同区域微镜单元开关数量的比例，进而实现对不同视场角接收光光学效率的可编程控制。在保证边缘大视场接收光光学效率的基础上，实现对中心小视场接收光的衰减，可以有效提高激光雷达系统在水、雾等强散射介质中的探测动态范围。

背景技术

激光雷达在水、雾等强散射介质中进行目标探测，由于强散射介质导致的强衰减，目标回波信号的距离衰减要比在常规大气中的衰减严重得多，因此，会对激光雷达的探测动态范围提出更高的要求。目前常用的提升激光雷达在强散射介质中探测动态范围的方式主要有固定比例分通道技术、对数放大技术、偏振技术、距离选通、自动增益控制和光学分视场技术。

固定比例分通道技术是在接收光路上安装固定比例的分光片，分光少的通道用于近距离强回波信号测量，实现对近距离强回波信号光的衰减，分光多的通道用于远距离弱回波信号测量，保证对远距离弱回波信号的光透过率。该技术简单、成熟，虽然能够扩展激光雷达的动态范围，但是分光多的通道仍然会收到近距离强回波信号而导致饱和，一定程度上影响该通道探测器对远距离弱回波信号的探测灵敏度和稳定性。

对数放大技术是在探测电路上使用对数放大器来实现电信号的动态范围压缩，该技术能够有效扩展激光雷达系统后端采集电路的动态范围，但是，无法解决近距离强回波信号导致的探测器饱和问题。

偏振技术是采用光学偏振接收方法通过控制系统的透过率，实现对近场强后向散射光的衰减保证大部分弱信号光的透过率进而压缩激光雷达信号的动态范围。但此方法不能提高激光雷达在强散射介质中对硬目标探测的动态范围。

距离选通技术利用不同距离的回波信号到达激光雷达探测器的时间差，通过门控信号控制接收器选通门开启和持续时间将远、近场回波信号区别开。改变选通门开启和持续时间的参数可对不同距离的目标进行探测，实现动态范围的拓展。但此方法对门控时间精度的准确性要求较高且需要进行多次探测以满足回波信号的时间连续性不适合快速探测的应用。

自动增益控制技术根据信号的强度自动控制接收回波信号的增益，使得对于不同距离的回波信号探测器灵敏度不同。该技术已经广泛应用在激光三维成像和大气探测激光雷达中，但是在强散射介质中，增益曲线的上升时间达到百纳秒，这么高速的增益变化会对探测器放大电路引入较高的噪声，影响输出的放大稳定性。

采用光学分视场技术，可以实现对激光雷达系统探测动态范围的扩展，又保证两个通道信号在时间和强度上的完整性和稳定性，但是，光学分视场具有固定的分配比例，难以适用于不同散射强度的多种强散射介质的探测，因此，对于当前在多种强散射介质中使用的激光雷达，探测动态范围仍然是一个需要解决和优化的关键问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决激光雷达对水、雾等多种强散射介质探测时面临的探测动态范围不足问题，提供一种细分视场光学效率可控制的光学接收装置，该装置利用数字微镜器件(DMD)微镜单元的工作特性，通过控制不同区域微镜单元开关数量的比例，可实现对不同视场角接收光光学效率的可编程控制。可以有效提高激光雷达系统在水、雾等多种强散射介质中的探测动态范围。

本发明的工作原理：

激光在强散射介质中传播，其光斑直径会随传播距离而迅速增大，在较短的距离上形成较大的视场变化和散射信号强度变化，其形成的散射光回波信号具有如下特点：

1、近距离处，光回波信号集中在中心小视场；

2、远距离处，光回波信号分散到边缘大视场；

3、远距离的光回波信号强度要远远小于近距离的光回波信号强度。

基本原理是根据数字微镜器件(简称DMD)上集成的微镜阵列可以在驱动控制模块控制下进行偏转的工作特性。在光学接收透镜的光轴上安装一个DMD，通过编程控制加载在DMD上的数字驱动信号改变DMD靶面上不同区域微镜单元开关数量的比例使DMD对不同视场角接收光的光学效率不同。当边缘大视场角的弱光斑照射到DMD(对应区域微镜处于“开”状态的数量远大于处于“关”状态的数量)上，即对大视场角接收光的光学效率大；当中心小视场角的强光斑照射到DMD(对应区域微镜处于“关”状态的数量远大于处于“开”状态的数量)上，即对小视场角接收光的光学效率小。根据这一特点，该接收装置可实现细分视场光学效率的独立可编程控制。通过这种细分视场光学效率可控制的光学接收装置，可以使中心小视场强接收光被衰减，保证边缘大视场较弱的接收光被高灵敏度探测器接收，有效克服了激光雷达对强散射介质测量时存在的中心视场信号饱和问题。因此，该装置可实现对不同视场角接收光光学效率的独立可编程控制，在保证边缘大视场接收光光学效率的基础上，实现对中心小视场接收光的衰减，可以有效提高激光雷达系统在水、雾等强散射介质中的探测动态范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种细分视场光学效率可控制的光学接收装置，其特点在于：该装置包括接收主透镜、DMD、光吸收体、准直透镜、窄带滤光片、聚焦透镜、探测器、DMD驱动控制模块，所述的接收主透镜将激光在强散射介质中的回波会聚到所述的DMD上，所述的DMD驱动控制模块用于控制不同视场角对应的DMD上微镜单元开关数量比例，使得所述的DMD对不同视场角的接收光光学效率不同，即在中心小视场情况下：大部分中心小视场角的接收光经该DMD反射后入射到所述的光吸收体上，由该光吸收体吸收，少部分中心小视场角的接收光经该DMD反射后入射到所述的准直透镜，在边缘大视场角的情况下：全部边缘大视场角接收光经该DMD反射后入射到所述的准直透镜；经过所述的准直透镜准直后经过所述窄带滤光片透射光被所述的聚焦透镜聚焦后输入到所述的探测器。

所述的接收主透镜为大口径非球面透镜，数值孔径0.4，接收激光在强散射(水、雾)介质中的回波。

所述的DMD安装时与接收主透镜的光轴垂直，且位于接收主透镜的焦平面处。

所述的光吸收体可以将入射到上面的450nm～550nm波长的光吸收。

所述的光吸收体也可采用另一个灵敏度相对低一些的探测器代替，从而实现对中心小视场角接收光的探测。这样也可以实现光学分视场探测的功能——不同视场角入射的光进入不同的探测通道，中心小视场对应于近距离的低灵敏度探测，大视场对应于远距离的高灵敏度探测。

所述的DMD驱动控制模块可以通过编程控制加载在所述DMD上各微反射镜对应的电压改变DMD不同区域上微反射单元开关数量的比例。

该发明的优点在于：

1、对于不同散射强度的散射介质，可以通过改变DMD不同区域微镜单元开关数量的比例，以改变不同视场角入射光的光学效率。在不改变装置硬件的基础上，仅通过编程改变DMD驱动电压即可改变对近场信号的衰减比例从而解决近场强回波信号饱和的问题，更好地满足不同环境下的探测要求。

2、该装置中系统元件几乎无吸收损耗、光学效率高；利用DMD响应速度快、可靠性高的特点，可满足快速稳定探测的要求。

附图说明

图1是本发明细分视场光学效率可控制的光学接收装置的结构图；

图2是本发明中DMD的状态示意图，

图中：1——接收主透镜、2——DMD、3——光吸收体、4——准直透镜、5——窄带滤光片、6——聚焦透镜、7——探测器、8——DMD驱动控制模块。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明细分视场光学效率可控制的光学接收装置，由图可见，本发明细分视场光学效率可控制的光学接收装置包括接收主透镜1、DMD 2、光吸收体3、准直透镜4、窄带滤光片5、聚焦透镜6、探测器7、DMD驱动控制模块8。

所述的接收主透镜1将激光在强散射介质中的回波会聚到所述的DMD上，所述的DMD驱动控制模块用于控制不同视场角对应的DMD上微镜单元开关数量比例，使得所述的DMD2对不同视场角的接收光光学效率不同，即在中心小视场情况下：大部分中心小视场角的接收光经该DMD反射后入射到所述的光吸收体上，由该光吸收体吸收，少部分中心小视场角的接收光经该DMD反射后入射到所述的准直透镜，在边缘大视场角的情况下：全部边缘大视场角接收光经该DMD反射后入射到所述的准直透镜；经过所述的准直透镜准直后经过所述窄带滤光片透射光被所述的聚焦透镜聚焦后输入到所述的探测器。

本实施例采用的主要器件有：

所述的接收主透镜1为非球面透镜，通光口径200mm，数值孔径0.4，波长范围450nm～550nm的透过率为99.9％；

所述的DMD2上由许多微镜单元组成阵列数为：912×1140，微镜间距：7.6μm，微反射镜反射率88％，这些微镜单元可以在驱动控制模块电压驱动下进行±12°的偏转，对应于微镜单元的开和关的状态；

所述的DMD2安装时与接收主透镜1光轴垂直，安装位置在接收主透镜的焦平面处；

所述的DMD驱动控制模块8为DMD2的数字驱动控制模块，可以通过编程控制加载在所述DMD2上各微反射镜对应的电压改变DMD2不同区域上微反射单元开关数量的比例；

所述的光吸收体3能将照射在其上的450nm～550nm波长的光吸收；

所述的准直透镜4和聚焦透镜6为非球面透镜，通光口径60mm，数值孔径0.4，波长范围450nm～550nm的透过率为99.9％；

所述的窄带滤光片5实现对光的滤波作用、光学带宽为1nm；

所述的探测器7为高灵敏度探测器为光电倍增管，响应的光谱范围400nm-700nm。

图2是本发明中DMD的状态示意图，由图2可见各小方块对应的是DMD2上的各微反射镜单元，白色方块表示微反射镜偏转+12°对应于开状态，黑色小方块表示微反射镜偏转-12°对应于关状态，中央虚线正方形对应于中心小视场光斑照射的区域。为了说明方便，光学效率的计算在此进行了简化，仅考虑为DMD不同开关状态数量比例。

通过一定光路设计使得接收的回波光斑经DMD微反射镜反射时，仅偏转+12°的微反射镜能将接收光斑反射后进入探测器7；偏转-12°的微反射镜将入射其上的接收光斑向另一个方向偏转反射到光吸收体3上被吸收。因此通过改变不同区域微反射单元开关数量的比例，改变不同视场角接收光进入探测器的比例，实现不同视场角接收光光学效率的可编程控制。例如，图2中央虚线正方形对应于中心小视场角光斑的照射的区域，左边模块中微镜处于开状态的数量为1，关状态数量为8即对中心小视场接收光的光学效率为1/9；通过编程改变加载在所述DMD2上各微反射镜对应的电压改变DMD2不同区域上微反射单元开关数量的比例后，右边模块微镜处于开状态的数量为5，关状态数量为4即对中心小视场接收光的光学效率为5/9。通过改变不同区域微反射镜单元开关数量的比例，实现了细分视场光学效率的独立可编程控制。

Claims (5)

1.一种细分视场光学效率可控制的光学接收装置，其特征在于：包括接收主透镜(1)、DMD(2)、光吸收体(3)、准直透镜(4)、窄带滤光片(5)、聚焦透镜(6)、探测器(7)和DMD驱动控制模块(8)；

所述的接收主透镜(1)将激光在强散射介质中的回波会聚到所述的DMD(2)上，所述的DMD驱动控制模块(8)用于控制不同视场角对应的DMD(2)上微镜单元开关数量比例，使得所述的DMD(2)对不同视场角的接收光光学效率不同，即在中心小视场情况下：大部分中心小视场角的接收光经该DMD(2)反射后入射到所述的光吸收体(3)上，由该光吸收体(3)吸收，少部分中心小视场角的接收光经该DMD(2)反射后入射到所述的准直透镜(4)，在边缘大视场角的情况下：全部边缘大视场角接收光经该DMD(2)反射后入射到所述的准直透镜(4)，经过所述的准直透镜(4)准直后经过所述窄带滤光片(5)透射光被所述的聚焦透镜(6)聚焦后输入到所述的探测器(7)。

2.根据权利要求1所述的细分视场光学效率可控制的光学接收装置，其特征在于，所述的接收主透镜(1)为大口径非球面透镜，数值孔径0.4，接收激光在强散射介质中的回波。

3.根据权利要求1所述的细分视场光学效率可控制的光学接收装置，其特征在于，所述的DMD(2)安装时与接收主透镜的光轴倾斜一定角度，安装位置在接收主透镜的焦平面处。

4.根据权利要求1所述的细分视场光学效率可控制的光学接收装置，其特征在于，所述的光吸收体(3)将入射到上面的450nm～550nm波长范围的光吸收。

5.根据权利要求1-4任一所述的细分视场光学效率可控制的光学接收装置，其特征在于，所述的光吸收体(3)也可采用探测器代替，从而实现分视场探测的功能。

Images