CN110686703B - 一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统及方法，本发明系统包括：参考稳压源、温度传感器、运算放大器、分压电阻、三极管、采样大电阻、光电二极管、跨阻放大器、反向放大器、增益可调放大模块、多路比较器、多路触发器、稳压芯片、分压排阻、LED显示模块；发明能够在极寒的极地地区捕获激光测高仪激光光斑的能量，并通过研究人员记录读取探测器的能量等级信息，通过计算机的处理最终解算出激光测高仪光斑的中心位置，达到标定激光测高仪指向角误差的目的。

Description

一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统及方法

技术领域

本发明属于激光探测技术领域，尤其涉及一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统及方法。

背景技术

GF-7星载激光测高仪是我国自主研制的对地观测激光测高系统，它能够准确地测量出卫星与地面之间的距离，结合卫星平台的位置和姿态信息，可以提供高精度的地面激光脚点位置数据。GF-7星载激光测高仪在轨测量过程中，受到自身系统误差和环境因素的干扰，其性能指标会受到不同程度的下降，从而影响激光测高仪的观测成果的精度水平。因此，星载激光测高仪在发射前后，需要对其关键指标进行严格的标定。目前，激光指向角误差是影响星载激光测高仪观测性能的主要因素，然而，由于GF-7卫星平台不具备姿态机动能力，因此，研制适用于GF-7星载激光测高仪激光指向角误差标定的激光探测器，是开展其在轨标定的前提条件，将为激光指向角系统误差的标定提供所需的数据支撑，也是保证GF-7星载激光测高仪观测成果可用性的关键。

极低地区由于大气污染小，植被少，地表平整，卫星交重轨数据丰富等特点在卫星指向角误差标定有着不可替代的优势，但是一般的探测器由于自身组件的工作温度条件的限制，在低温环境下会失效，而且一般的通信电子设备在低温环境下也会失效，所以为了在极低地区恶劣的低温环境也能对卫星指向角进行标定，需要一款在极低气温条件下也能够正常使用的激光有源探测器。

以针对在极地地区使用的GF-07号星载激光测高仪设计的激光有源探测器存在的问题为：探测器要能够在极地低温条件下正常使用，而且由于低温条件限制，不能使用传统的有线或无线通讯方式获取探测器能量等级信息，探测器通过其他方式输出能量等级信息。

探测器的灵敏度要匹配星载激光测高仪地面激光脚点的能量密度，灵敏度太大会导致探测器饱和失去线性，太小会导致探测器无法响应激光脉冲。

为了确保探测器能够给出到地面激光脉冲的能量等级信息，探测器必须要有能将划分脉冲能量等级的能力，即将模拟电脉冲转换为具有能量等级信息的数字电平信号。

要能够应对极地地区不同的天气条件，确保在天气条件变化的情况下依然能保证探测器的正常使用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统及方法。

本发明系统的技术方案为一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统，其特征在于，包括：参考稳压源、温度传感器、运算放大器、分压电阻、三极管、采样大电阻、光电二极管、跨阻放大器、反向放大器、增益可调放大模块、多路比较器、多路触发器、稳压芯片、分压排阻、LED显示模块；

所述参考稳压源与所述运算放大器通过导线连接；所述运算放大器与所述温度传感器通过导线连接；所述运算放大器与所述分压电阻通过导线连接；所述运算放大器与所述三极管通过导线连接；所述三极管与所述采样大电阻通过导线连接；所述三极管与所述分压电阻通过导线连接；所述采样大电阻与所述光电二极管通过导线连接；所述的光电二极管、跨阻放大器、反向放大器、增益可调放大模块、多路比较器、多路触发器通过导线依次串联连接；所述的稳压芯片、分压排阻、多路比较器通过导线依次串联连接；所述多路触发器与所述LED显示模块过导线连接。

作为优选，所述的温度传感器、运算放大器、分压电阻、三极管、采样大电阻组成温度自适应的光电二极管偏压控制单元，用于控制低温环境下光电二极管的偏置电压，使光电二极管的偏置电压随温度的变化而变化，以保证光电二极管在低温环境下的工作状态保持稳定；

作为优选，所述的光电二极管、跨阻放大器、反向放大器构成的脉宽展宽式光电转换单元，用于将激光测高仪发射的脉宽极窄的光脉冲转换为有一定脉冲宽度的电脉冲，通过跨阻放大器进行展宽，电脉冲信号经过隔直电容进行高通滤波，降低了对系统的带宽要求，这样后续电路就可以避免使用昂贵的高速宽带处理芯片，极大的降低了系统成本，而且便于极地条件下进行系统维护；

作为优选，所述光电二极管采用快速响应的光电二极管，同时，在所述光电二极管的前端安装聚透镜，确保其±5°入射角度范围内的灵敏度基本不发生改变；

作为优选，所述跨阻放大器采用的电阻为温度特性好的精密合金电阻，保证跨阻的放大倍数稳定且不受外界环境影响；

作为优选，所述的增益可调放大模块用于选择四种不同的反馈电阻来改变放大器的放大倍数实现4个不同灵敏度档位的调节，通过四路拨码开关与四个不同阻值的反馈电阻相连，通过使用拨码开关改变放大电路反馈电阻的方式，这种连接方式使电路共有4种不同的放大阻值的组合，代表探测器4种不同的灵敏度，该模块将电脉冲信号放大为具有合适幅值大小的随激光能量线性变化的电脉冲信号，从而保证每一个档位之间存在灵敏度差异且又有一定的覆盖范围，用来应对不同气候条件对地面激光光斑能量的影响；

作为优选，所述的多路比较器、多路触发器、稳压芯片、分压排阻组成的模数转换单元，用于对所述可调增益放大模块进行能量等级采样，其中由多个性能完全相同的比较器和触发器组成了采样器，通过将输入的电压值与代表不同能量等级的电压阈值比较来确定输入电压的能量等级，其中多级比较器还与分压排阻相连，分压排阻将稳压芯片产生的基准电压划分成不同大小的电压阈值输入至多级比较器中，当比较器被输入的脉冲电压触发时，比较器状态发生翻转，触发器记录比较器的翻转信号并且将其锁存并点亮LED显示模块中的LED灯，已经被触发的触发器不会再响应后续信号。模数转换单元将模拟电脉冲信号转换为具有能量等级信息的数字信号；所述比较器在未接收到脉冲信号时输出为高电平，所述触发器输出低电平，当有脉冲触发所述比较器比较阈值时所述比较器输出低电平，同时所述触发器输出高电平并锁存，并且一直保持，在重制信号到来时不再响应任何信号，LED亮灯的个数就代表探测器所探测的能量等级大小；

作为优选，所述LED显示模块由低功耗LED灯组成，亮灯的个数代表激光探测器探测到的能量等级，用于在低温环境下显示地面激光光斑内不同位置处的能量等级信息，因为在低温环境下电池寿命相当有限，常规通信设备也无法正常使用，所以不能采用常规的无线通信方式，而是采用LED亮灯方式来显示能量等级信息，LED亮灯的个数就代表探测器所探测的能量等级大小；

本发明方法的技术方案为一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定方法的，具体包括以下步骤：

步骤1：选取一块位于星载激光测高仪运行轨道上的平整且无遮挡的地面作为捕获激光光斑的实验区域，在实验区域内布设多个所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统；

步骤2：人工记录所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的亮灯数量以及地理坐标；

步骤3：将步骤2中所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的亮灯数量以及地理坐标输入至计算机中进行双线性插值法拟合处理。

作为优选，步骤1中所述在实验区域内布设多个所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统为：

将所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统以M×N的阵列方式均匀的布设在区域内，并通过GPS定位系统记录下每一个低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的地理坐标，记为(X_i,j,Y_i,j)，其中i∈[1,M]，j∈[1,N]系统的间距定为L；

作为优选，步骤2中所述人工记录为：

激光测高仪激光光斑击中实验区域时，低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统通过LED亮灯的个数表示此处能量大小；

记录被触发的探测器亮灯的个数和该低温标定系统的坐标，假设第i行第j列的低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统亮了k个灯，可记为k_i,j,低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的地理坐标为(X_i,j,Y_i,j)，其中i∈[1,M]，j∈[1,N]

作为优选，步骤3中所述进行双线性插值法拟合处理为：

位于越靠近激光光斑中心处的探测器接收到的激光能量越高，被触发的LED灯的个数也就越多，根据这种规律，将第i行第j列的低温标定系统显示的能量级k_i,j作为因变量，低温标定系统的地理位置坐标(X_i,j,Y_i,j)作为自变量来进行双线性插值法拟合处理，得到一个能量等级随地理位置坐标变化的二维连续函数k＝f(X,Y)，函数f(X,Y)的最大值F(X_m,Y_m)所在的位置(X_m,Y_m)就是激光测高仪激光光斑的中心的实际地理坐标。

本发明优点在于，成本低，稳定性好，耐低温，结构紧凑简单，便于维修和运输、功耗低的优点。

附图说明

图1：是本发明的系统结构框图；

图2：是第三路比较器与触发器连接电路示意图；

图3：是脉宽展宽式光电转换电路示意图；

图4：是电压温度自适应调节电路示意图；

图5：是增益可调放大模块电路示意图；

图6：是本发明中激光能量探测方法示意图；

图7：是等效实验中不同位置探测器的能级分布；

图8；是计算机拟合出来的光斑轮廓和光斑中心的形状。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合附图进一步说明本发明技术方案以及本发明所涉及的技术原理。

如图1所示，为本发明的系统框图。本发明具体实施方式中系统的技术方案为一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统，其特征在于，包括：参考稳压源、温度传感器、运算放大器、分压电阻、三极管、采样大电阻、光电二极管、跨阻放大器、反向放大器、增益可调放大模块、多路比较器、多路触发器、稳压芯片、分压排阻、LED显示模块；

所述参考稳压源与所述运算放大器通过导线连接；所述运算放大器与所述温度传感器通过导线连接；所述运算放大器与所述分压电阻通过导线连接；所述运算放大器与所述三极管通过导线连接；所述三极管与所述采样大电阻通过导线连接；所述三极管与所述分压电阻通过导线连接；所述采样大电阻与所述光电二极管通过导线连接；所述的光电二极管、跨阻放大器、反向放大器、增益可调放大模块、多路比较器、多路触发器通过导线依次串联连接；所述的稳压芯片、分压排阻、多路比较器通过导线依次串联连接；所述多路触发器与所述LED显示模块过导线连接。

所述的温度传感器、运算放大器、分压电阻、三极管、采样大电阻组成温度自适应的光电二极管偏压控制单元，用于控制低温环境下光电二极管的偏置电压，使光电二极管的偏置电压随温度的变化而变化，以保证光电二极管在低温环境下的工作状态保持稳定；

所述的光电二极管、跨阻放大器、反向放大器构成的脉宽展宽式光电转换单元，用于将激光测高仪发射的脉宽极窄的光脉冲转换为有一定脉冲宽度的电脉冲，通过跨阻放大器进行展宽，电脉冲信号经过隔直电容进行高通滤波，降低了对系统的带宽要求，这样后续电路就可以避免使用昂贵的高速宽带处理芯片，极大的降低了系统成本，而且便于极地条件下进行系统维护；

所述光电二极管采用快速响应的光电二极管，同时，在所述光电二极管的前端安装聚透镜，确保其±5°入射角度范围内的灵敏度基本不发生改变；

所述跨阻放大器采用的电阻为温度特性好的精密合金电阻，保证跨阻的放大倍数稳定且不受外界环境影响；

所述的增益可调放大模块用于选择四种不同的反馈电阻来改变放大器的放大倍数实现4个不同灵敏度档位的调节，通过四路拨码开关与四个不同阻值的反馈电阻相连，通过使用拨码开关改变放大电路反馈电阻的方式，这种连接方式使电路共有4种不同的放大阻值的组合，代表探测器4种不同的灵敏度，该模块将电脉冲信号放大为具有合适幅值大小的随激光能量线性变化的电脉冲信号，从而保证每一个档位之间存在灵敏度差异且又有一定的覆盖范围，用来应对不同气候条件对地面激光光斑能量的影响；

所述的多路比较器、多路触发器、稳压芯片、分压排阻组成的模数转换单元，用于对所述可调增益放大模块进行能量等级采样，其中由多个性能完全相同的比较器和触发器组成了采样器，通过将输入的电压值与代表不同能量等级的电压阈值比较来确定输入电压的能量等级，其中多级比较器还与分压排阻相连，分压排阻将稳压芯片产生的基准电压划分成不同大小的电压阈值输入至多级比较器中，当比较器被输入的脉冲电压触发时，比较器状态发生翻转，触发器记录比较器的翻转信号并且将其锁存并点亮LED显示模块中的LED灯，已经被触发的触发器不会再响应后续信号。模数转换单元将模拟电脉冲信号转换为具有能量等级信息的数字信号；所述比较器在未接收到脉冲信号时输出为高电平，所述触发器输出低电平，当有脉冲触发所述比较器比较阈值时所述比较器输出低电平，同时所述触发器输出高电平并锁存，并且一直保持，在重制信号到来时不再响应任何信号，LED亮灯的个数就代表探测器所探测的能量等级大小；

所述LED显示模块由低功耗LED灯组成，亮灯的个数代表激光探测器探测到的能量等级，用于在低温环境下显示地面激光光斑内不同位置处的能量等级信息，因为在低温环境下电池寿命相当有限，常规通信设备也无法正常使用，所以不能采用常规的无线通信方式，而是采用LED亮灯方式来显示能量等级信息，LED亮灯的个数就代表探测器所探测的能量等级大小。

所述参考稳压源选型为选型为：ADI公司的LT1790；所述温度传感器选型为：TI公司的LM50；所述运算放大器选型为：TI公司的；所述分压电阻选型为：松下公司的ERA1A系列；所述三极管选型为NEC公司的2SC3554；所述采样大电阻选型为松下公司的ERJPB6系列；所述光电二极管选型为：滨松公司S5821的；所述跨阻放大器选型为TI公司的LMH6629；所述反向放大器选型为TI公司的LMH6642；所述增益可调放大模块选型为TI公司的LMH6642；所述多路比较器选型为TI公司的LM193；所述多路触发器选型为TI公司的SN74AC74；所述稳压芯片选型为：TI公司的REF系列；所述分压排阻选型为：松下公司的EXBU2H系列；所述LED显示模块选型为：CYLIGHT公司的红光LED。

由于星载激光测高仪发射的激光脉冲在空域上基本满足高斯分布，其中心能量与光斑边缘能量的比值大致约为8倍，因此，若激光探测器能量等级设置为8级，即可完成激光能量阶梯性的采样。然而，考虑到大气湍流效应对发射激光空间模式的影响，光斑边缘1级能量数据抗干扰能力较差，而光斑中心8级能量可能会发生饱和，两种数据的置信度较低。因此，将激光探测器的能量等级要大于八级。

跨阻放大器

由地面激光斑能量较小，激光脉冲脉宽较窄，所以光电转换器件必须具有高带宽，响应速度快，灵敏度高等特点，所以该探测器选用响应速度快，高带宽，低成本，温度特性好的光电二极管作为光电转换器件。由于激光脉宽窄，如果不对光电二极管输出原始脉冲加以处理，会导致后续模数转换电路无法识别过窄的电脉冲，导致虽然有信号输入，但是没有能量显示输出。所以在跨阻放大器要将电脉冲进行展宽，当光电二极管输出的电流脉冲经过跨阻放大器后被展宽为半脉宽为0.5微秒的电脉冲，这种量级的脉宽能确保被后续的比较器加触发器电路识别，防止出现有脉冲信号输入却没有能量等级输出的情况。展宽后的电脉冲包含有直流和低频噪声分量，通过隔直电容后直流和低频分量被滤除，获得较干净的电脉冲。

展宽过程如图3所示，激光照射光电二极管后输出一个窄脉冲电流，电流输入跨阻放大器中，由于该跨阻放大器带宽远小于激光脉冲带宽，所以跨阻放大器会输出一个反向的展宽脉冲，经过反向放大器放大后得到最终的展宽电脉冲，该电脉冲既保留了能量信息，又能容易的被后续识别电路读出。和普通的光电转换电路不同的是采用此种方法可以避免使用昂贵的高速放大器和高速比较器，减少了生产成本。而且高速比较器和放大器使用条件苛刻，使用这种光电转换模块也便于极地条件下的探测器检修与维护。

增益可调放大模块

由于测试场地的气候，温度，大气条件都在不断变化，要求探测有一定的放大倍数调节能力，以适应测试场地不同的气候条件。如图5所示，所述的放大器与四级档位拨码开关相连接，通过选择不同的档位改变不同的反馈电阻可以获得不同的放大倍数，不同的放大倍数代表不同的探测器不同的灵敏度，用来不同的天气情况。该放大模块还需要有轨至轨的放大能力，因为要保证放大器的输出不能进入非线性状态，在最高能量级时放大器的输出不能饱和，所以该放大器采用7.2V供电，确保放大器在输出5V以下的信号时不会饱和。其中放大器采用的是TI公司的LMH6642。

多路比较器与多路放大器

由于本发明是一种低成本的激光探测器，为了控制生产成本和功耗，没有采用普通的模数转换芯片，因为数模转换芯片功耗大，价格贵，而是采用新型的比较器加锁存器来组合成模数转换电路，具体工作过程以第三路比较器加触发器为例，如图2所示：当放大模块输出脉冲信号至比较器的负极时，比较器将输入的脉冲信号与阈值电压比较，由于比较器是低成本比较器，当脉冲宽度大于0.3微秒的部分幅值大于阈值电压时，比较器才会输出一个低电平至由D触发器构成的锁存器中，锁存器翻转为高电平并一直保持，直到外界重置信号输入。此时一级采样完成。该模块将模拟输入变成了数字信号输出。其中比较器采用TI公司的LM193双路比较器，该比较器上升时间为0.3微秒；锁存器采用的是TI公司的SN74AC74。

稳压芯片与分压排阻

由于采用了比较器对脉冲能量进行量化，就必须要保证在低温下输入比较器的阈值电压必须要稳定，温度漂移小。由于该探测器是使用的低温电池供电，电源电压会随着时间而慢慢降低，如果直接使用电源进行分压，势必会导致阈值电压变小，从而导致探测器能量探测至偏大，上述模块使用了耐低温的高精度稳压芯片作为分压电路的分压源，确保阈值电压不会随着时间的变化而变化，也不会受低温的影响而失去稳压性能。同时分压模块中采用了性能高度一致的排阻进行等比例分压，保证每一级的分压关系都是不变的，为模数转换电路正常工作提供了保障。分压电阻采用的是精度为1％的10路精密排阻，稳压源采用的是ADI公司的LT1790系列耐低温的精密稳压源。

LED显示模块

该探测器的应用场合是南极极地地区，这就导致了常规的通信方式都不能正常使用，无法通过无线传输的方式获得激光能量等级信息，对于阵列布设的探测器最简单的能量等级获取方式就是人工观察，记录。上述模块采用了多个高亮度低功耗的LED灯珠作为指示灯，该指示灯能够在低温条件下产生足够的亮度供工作人员记录。该模块的具体工作流程如下：当电脉冲幅值超过某一个阈值的时候比较器输出一个短暂的低电平至D触发器中，D触发器翻转至高电平并一直保持，此时发光二极管正极被触发器置高，发光二极管发光，至此能量指示过程完成。

温度传感器

为了适应极地地区室外的实验环境，该探测器采用低温电池供电，该电池输出的最大电压为7.2V，最低工作温度为-40℃，该供电模块能保证低温探测器在极地地区能够正常工作。

温度补偿电路具体工作过程如图4所示，分压模块由分压电阻R₁、R₂组成，温度传感器采用的是TI公司的LM50，该芯片是一款线性的温度传感器，温度曲线函数为：(+10mV/℃×T℃)+500mV,工作温度范围-50℃～85℃，满足极地温度使用要求，温度传感器输出电压V_t与参考稳压源电压V_e在运算放大器中相加，输出电压与分压电阻电压V_c相比较，若V_t+V_e≤V_c则运算放大器打开三极管，此时有电流从大电阻流过，大电阻上电压增大，光电二极管上的偏压V_f减小，又因为V_c＝V_f×R₁/R₂所以V_c减小，当V_t+V_e≥V_c时，三极管关闭，光电二极管上的偏压V_f等于电源电压V_f增大，V_c增大。如此重复，最终的光电探测模块的偏压V_f为：

V_f＝(V_c+V_t)×R₂/R₁

又：V_t＝(+10mV/℃×T℃)+500mV

所以：V_f＝(V_c+(+10mV/℃×T℃)+500m_t)×R₂/R₁

这样通过调整两个分压电阻阻值，就可以使光电探测模块在不同的气温条件下有最佳的偏置电压值，用来保证在极地条件下有源激光探测器能够正常工作。其中其中运算放大器采用的是TI公司的TLV2372双路运算放大器，稳压芯片采用TI公司的REF系列参考电压源。

下面结合图1至图8介绍本发明的具体实施方式为一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定方法：

步骤1：选取一块位于星载激光测高仪运行轨道上的平整且无遮挡的地面作为捕获激光光斑的实验区域，在实验区域内布设多个所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统；

步骤1中所述在实验区域内布设多个所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统为：

将所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统以M×N的阵列方式均匀的布设在区域内，并通过GPS定位系统记录下每一个低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的地理坐标，记为(X_i,j,Y_i,j)，其中i∈[1,M]，j∈[1,N]系统的间距定为L米(其中M＝30,N＝20,L＝20)；

步骤2：人工记录所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的亮灯数量以及地理坐标；

步骤2中所述人工记录为：

激光测高仪激光光斑击中实验区域(如图7所示)时，低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统通过LED亮灯的个数表示此处能量大小；

记录被触发的探测器亮灯的个数和该低温标定系统的坐标，假设第i行第j列的低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统亮了k个灯，可记为k_i,j,低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的地理坐标为(X_i,j,Y_i,j)，其中i∈[1,M]，j∈[1,N]

步骤3：将步骤2中所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的亮灯数量以及地理坐标输入至计算机中进行双线性插值法拟合处理；

步骤3中所述进行双线性插值法拟合处理为：

位于越靠近激光光斑中心处的探测器接收到的激光能量越高，被触发的LED灯的个数也就越多，根据这种规律，将第i行第j列的低温标定系统显示的能量级k_i,j作为因变量，低温标定系统的地理位置坐标(X_i,j,Y_i,j)作为自变量来进行双线性插值法拟合处理，得到一个能量等级随地理位置坐标变化的二维连续函数k＝f(X,Y)，函数f(X,Y)的最大值F(X_m,Y_m)所在的位置(X_m,Y_m)就是激光测高仪激光光斑的中心的实际地理坐标。

图7是等效实验中探测器的布设方式和不同探测器被激光光斑触发的能级数；图8是计算机拟合出来的激光光斑外围和光斑中心形状，从图中可以看出该有源探测器通过采用阵列布设的方式可以完成激光光斑中心的提取任务。

尽管本文较多地使用了参考稳压源、温度传感器、运算放大器、分压电阻、三极管、采样大电阻、光电二极管、跨阻放大器、反向放大器、增益可调放大模块、多路比较器、多路触发器、稳压芯片、分压排阻、LED显示模块等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

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)

1.一种低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统，其特征在于，参考稳压源、温度传感器、运算放大器、分压电阻、三极管、采样大电阻、光电二极管、跨阻放大器、反向放大器、增益可调放大模块、多路比较器、多路触发器、稳压芯片、分压排阻、LED显示模块；

所述参考稳压源与所述运算放大器通过导线连接；所述运算放大器与所述温度传感器通过导线连接；所述运算放大器与所述分压电阻通过导线连接；所述运算放大器与所述三极管通过导线连接；所述三极管与所述采样大电阻通过导线连接；所述三极管与所述分压电阻通过导线连接；所述采样大电阻与所述光电二极管通过导线连接；所述的光电二极管、跨阻放大器、反向放大器、增益可调放大模块、多路比较器、多路触发器通过导线依次串联连接；所述的稳压芯片、分压排阻、多路比较器通过导线依次串联连接；所述多路触发器与所述LED显示模块通过导线连接；

所述的温度传感器、运算放大器、分压电阻、三极管、采样大电阻组成温度自适应的光电二极管偏压控制单元，用于控制低温环境下光电二极管的偏置电压，使光电二极管的偏置电压随温度的变化而变化，以保证光电二极管在低温环境下的工作状态保持稳定；

所述的光电二极管、跨阻放大器、反向放大器构成的脉宽展宽式光电转换单元，用于将激光测高仪发射的脉宽极窄的光脉冲转换为有一定脉冲宽度的电脉冲，通过跨阻放大器进行展宽，电脉冲信号经过隔直电容进行高通滤波；

所述光电二极管采用快速响应的光电二极管，同时，在所述光电二极管的前端安装聚透镜；

所述跨阻放大器采用的电阻为温度特性好的精密合金电阻，保证跨阻的放大倍数稳定且不受外界环境影响；

所述的增益可调放大模块用于选择四种不同的反馈电阻来改变放大器的放大倍数实现4个不同灵敏度档位的调节，通过四路拨码开关与四个不同阻值的反馈电阻相连，通过使用拨码开关改变放大电路反馈电阻的方式，这种连接方式使电路共有4种不同的放大阻值的组合，代表探测器4种不同的灵敏度，该模块将电脉冲信号放大为具有合适幅值大小的随激光能量线性变化的电脉冲信号，从而保证每一个档位之间存在灵敏度差异且又有一定的覆盖范围，用来应对不同气候条件对地面激光光斑能量的影响；

所述的多路比较器、多路触发器、稳压芯片、分压排阻组成的模数转换单元，用于对所述增益可调放大模块进行能量等级采样，其中由多个性能完全相同的比较器和触发器组成了采样器，通过将输入的电压值与代表不同能量等级的电压阈值比较来确定输入电压的能量等级，其中多路比较器还与分压排阻相连，分压排阻将稳压芯片产生的基准电压划分成不同大小的电压阈值输入至多路比较器中，当比较器被输入的脉冲电压触发时，比较器状态发生翻转，触发器记录比较器的翻转信号并且将其锁存并点亮LED显示模块中的LED灯，已经被触发的触发器不会再响应后续信号；模数转换单元将模拟电脉冲信号转换为具有能量等级信息的数字信号；所述比较器在未接收到脉冲信号时输出为高电平，所述触发器输出低电平，当有脉冲触发所述比较器比较阈值时所述比较器输出低电平，同时所述触发器输出高电平并锁存，并且一直保持，在重制信号到来时不再响应任何信号，LED亮灯的个数就代表探测器所探测的能量等级大小；

所述LED显示模块由低功耗LED灯组成，亮灯的个数代表激光探测器探测到的能量等级，用于在低温环境下显示地面激光光斑内不同位置处的能量等级信息，LED亮灯的个数就代表探测器所探测的能量等级大小。

2.一种利用权利要求1所述的低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统进行低温环境下激光测高仪光斑位置标定方法，其特征在于，

步骤1：选取一块位于星载激光测高仪运行轨道上的平整且无遮挡的地面作为捕获激光光斑的实验区域，在实验区域内布设多个所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统；

步骤2：人工记录所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的亮灯数量以及地理坐标；

步骤3：将步骤2中所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的亮灯数量以及地理坐标输入至计算机中进行双线性插值法拟合处理。

3.根据权利要求2所述的低温环境下激光测高仪光斑位置标定方法，其特征在于，

步骤1中所述在实验区域内布设多个所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统为：

将所述低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统以M×N的阵列方式均匀的布设在区域内，并通过GPS定位系统记录下每一个低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的地理坐标，记为(X_i,j,Y_i,j)，其中i∈[1,M]，j∈[1,N]系统的间距定为L。

4.根据权利要求2所述的低温环境下激光测高仪光斑位置标定方法，其特征在于，

步骤2中所述人工记录为：

激光测高仪激光光斑击中实验区域时，低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统通过LED亮灯的个数表示此处能量大小；

记录被触发的探测器亮灯的个数和该低温标定系统的坐标，假设第i行第j列的低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统亮了k个灯，可记为k_i,j,低温环境下激光测高仪光斑位置标定系统的地理坐标为(X_i,j,Y_i,j)，其中i∈[1,M]，j∈[1,N]。

5.根据权利要求2所述的低温环境下激光测高仪光斑位置标定方法，其特征在于，

步骤3中所述进行双线性插值法拟合处理为：

位于越靠近激光光斑中心处的探测器接收到的激光能量越高，被触发的LED灯的个数也就越多，根据这种规律，将第i行第j列的低温标定系统显示的能量级k_i,j作为因变量，低温标定系统的地理位置坐标(X_i,j,Y_i,j)作为自变量来进行双线性插值法拟合处理，得到一个能量等级随地理位置坐标变化的二维连续函数k＝f(X,Y)，函数f(X,Y)的最大值F(X_m,Y_m)所在的位置(X_m,Y_m)就是激光测高仪激光光斑的中心的实际地理坐标。

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