CN116027287A - 一种激光测距中激光功率实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种激光测距中激光功率实时监测系统。该系统包括激光器、一级扩束系统以及反射镜E；反射镜E之后还设有用于采集透射光的激光功率计，激光功率计采用聚焦透镜将透射光聚焦到激光功率计探头Ⅰ，激光功率计探头Ⅰ连接到激光功率计表头Ⅰ后，再由激光功率计表头Ⅰ连接到PC端，用于实时传输激光功率及对应时间在内的数据，并在PC端进行数据的显示、存储和处理。本发明不仅能够很好的避免对原激光测距光路的影响，且所测得的透过光功率与激光测距功率具有良好的线性关系，满足激光测距过程中功率测量的精度需求，证明了本发明所使用的监测方法可以适用于激光测距过程中的激光功率实时监测。

Description

一种激光测距中激光功率实时监测系统

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种激光测距中激光功率实时监测系统。

背景技术

空间目标激光测距技术采用的脉冲激光测距法的原理是通过测量激光脉冲在地面测站和测距目标之间的飞行时间，来获得地面测站到测距目标之间的飞行距离。其中，卫星激光测距是现代卫星定轨精度最高的技术之一，因测距精度高，它的观测资料已广泛应用于卫星动力学、空间大地测量、地球动力学和地球物理等研究领域。

在激光测距过程中，激光脉冲回波强度会受大气及目标散射特性的影响，产生较大的波动。利用单阈值前沿时刻法测量激光回波到达时刻时存在时间游动效应，即不同的输入能量（单光子或多光子）进入探测器，会改变光子的探测时间。因此，为了更好的探究激光能量变化造成的时间游动效应与探测器本身对激光测距数据精度的影响，需要对激光功率进行实时监测。

此外，空间目标激光测距系统是一个精密且复杂的系统，具有包括脉冲激光器、计时器、探测器、望远镜、时钟等在内的多个部件。在测距过程中，激光器发射激光后，分出小部分光经PIN 主波探测器转换为主波脉冲传输到事件计时器(ET)和测距控制计算机，用以计算回波到达时刻。大部分出射激光将通过测距光路发射到望远镜指向位置的空间目标上，并返回到探测器，完成激光测距过程。当测距系统发生故障时，常用的故障排除方法是逐步排查法，此方法较为繁琐且耗时较长。对激光功率进行实时监测后，可以很快的对激光器发射能量进行故障排除，降低了系统故障点排查的耗时。

激光功率的监测技术随着激光器的发展也在不断更新，广泛应用于光通信、激光加工、生物医疗、现代国防、光纤传感等领域。但传统的激光实时监测技术仍存在一定的局限性，一些激光功率实时监测技术包括：1）在原光路中增加一个分光镜，将3%的光分出原光路用于监测。但此方法插入的分光镜不仅会对激光能量有损耗，而且分光镜表面难以做到严格平行，对原光路的发射光轴造成影响，同时也造成了成本的增加。2）通过在激光器输出原光路上增加一个高速旋转的取样光刀，利用光刀旋转时经过激光光路的时刻将激光反射到透镜后聚焦到光电探测器。此方法要求电机的旋转周期远小于光电探测器的响应时间，且光刀必须满足反射面积恒定。3）利用激光谐振腔中透射率0.5%的尾镜进行激光采样。但对于激光测距技术而言，由于激光器封装后再进行改造较为困难，更换激光器成本较高。因此，这种方法难以适用于已经投入使用的工作光路中。

发明内容

针对传统激光功率实时监测技术对于激光工作路径光轴造成的偏差以及对激光能量的损耗问题，本发明提供了一种激光测距中激光功率实时监测系统，利用原光路中的反射镜透射光等比例获取激光发射功率，更为简单有效地实现了在卫星激光测距过程中的激光实时功率监测。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：

第一方面，在本发明提供的一个实施例中，提供了一种激光测距中激光功率实时监测系统，包括激光器、一级扩束系统以及反射镜，所述激光器发射的激光经由所述一级扩束系统扩束后依次由反射镜反射至望远镜副镜，其中，反射镜包括依次反射激光的反射镜E、反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A；

所述反射镜E之后还设有用于采集透射光的激光功率计，所述激光功率计采用聚焦透镜将透射光聚焦到激光功率计探头Ⅰ，所述激光功率计探头Ⅰ连接到激光功率计表头Ⅰ后，再由激光功率计表头Ⅰ连接到PC端，用于实时传输激光功率及对应时间在内的数据，并在PC端进行数据的显示、存储和处理。

作为本发明的进一步方案，所述反射镜E、反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A均沿库德发射光路设置，用于将所述激光器发射的激光光束转折到随轴系旋转的导光光路，通过旋转库德光路的经轴和纬轴，将激光光束转折后发射到任意指向位置。

作为本发明的进一步方案，所述反射镜E固定在光学平台上，所述反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A随望远镜围绕经轴、纬轴旋转设置。

作为本发明的进一步方案，所述激光器发射的激光经由所述一级扩束系统扩束后依次由反射镜反射至望远镜副镜之后，还包括：通过副镜反射至主镜完成二级扩束后抵达望远镜指向的空间目标位置，其中，部分光子经由空间目标反射后抵达接收主副镜，并反射到分光镜和反射镜，通过缩束系统后到达单光子探测器进行探测。

作为本发明的进一步方案，所述激光功率计采用聚焦透镜将透射光聚焦到激光功率计探头，其中，所述聚焦透镜的焦距，光圈。

作为本发明的进一步方案，激光经过反射镜E反射后的光路中还设有一个用以测量反射光的激光功率计探头Ⅱ，所述激光功率计探头Ⅱ连接到激光功率计表头Ⅱ后，再由激光功率计表头Ⅱ连接到PC端，用于实时传输激光功率及对应时间在内的数据，并在PC端进行数据的显示、存储和处理。

作为本发明的进一步方案，所述激光功率计探头Ⅰ和激光功率计表头Ⅱ连接到同一个PC端进行数据的传输、显示、存储和处理，对透射光的激光光路和反射光的激光光路的功率进行实时监测，获得透射光实时功率与反射光实时功率。

作为本发明的进一步方案，所述反射镜E表面镀有反射率为99.9%的介质膜，其中，0.1%的激光经反射镜E透射。

作为本发明的进一步方案，透射光的激光光路中，透射光功率采用光电式激光功率探头，测量范围50nW～50mW。

作为本发明的进一步方案，反射光的激光光路中，反射光功率测量采用热电堆式激光功率计探头，测量范围在10mW～10W。

本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

在激光测距过程中，实时获取激光发射功率数据可为后续数据精度处理分析及系统故障点排查提供重要依据。本发明提供的一种激光测距中激光功率实时监测系统，基于云南天文台53cm双筒望远镜激光测距系统搭建试验平台，不仅能够很好的避免对原激光测距光路的影响，且所测得的透过光功率与激光测距功率具有良好的线性关系，满足激光测距过程中功率测量的精度需求，试验结果表明该方法在激光发射链路无损耗的前提下，能够实时获取激光发射功率，验证了该方法的可行性，可适用于各类空间目标激光测距的激光功率实时监测中，证明了本发明所使用的监测方法可以适用于激光测距过程中的激光功率实时监测。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。在附图中：

图1为激光测距系统中库德光路示意图。

图2为本发明一个实施例的一种激光测距中激光功率实时监测系统中53cm双筒望远镜分光路激光测距收/发光路示意图。

图3为本发明一个实施例的一种激光测距中激光功率实时监测系统中实时监测激光功率的工作原理示意图。

图4为本发明一个实施例的一种激光测距中激光功率实时监测系统中反射/透射激光功率线性度测量工作原理示意图。

图5为本发明一个实施例的一种激光测距中激光功率实时监测系统中反射激光功率与发射激光功率关系曲线示意图。

图6为本发明一个实施例的一种激光测距中激光功率实时监测系统中激光功率可靠性测量曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明示例性实施例中的附图，对本发明示例性实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性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，本领域技术人员在没有作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。

由于现有的激光功率实时监测技术在原光路中增加一个分光镜，将3%的光分出原光路用于监测。但此方法插入的分光镜不仅会对激光能量有损耗，而且分光镜表面难以做到严格平行，对原光路的发射光轴造成影响，同时也造成了成本的增加。通过在激光器输出原光路上增加一个高速旋转的取样光刀，利用光刀旋转时经过激光光路的时刻将激光反射到透镜后聚焦到光电探测器。此方法要求电机的旋转周期远小于光电探测器的响应时间，且光刀必须满足反射面积恒定。利用激光谐振腔中透射率0.5%的尾镜进行激光采样。但对于激光测距技术而言，由于激光器封装后再进行改造较为困难，更换激光器成本较高。因此，这种方法难以适用于已经投入使用的工作光路中。

针对传统激光功率实时监测技术对于激光工作路径光轴造成的偏差以及对激光能量的损耗问题，在激光测距系统中，一般均采用库德发射光路，库德发射光路就是一种能够将光束转折到随轴系旋转的导光光路，通过旋转库德光路的经轴和纬轴，将激光光束转折后发射到任意指向位置。库德光路由库德镜Ⅰ、库德镜Ⅱ、库德镜Ⅲ、库德镜Ⅳ、库德镜Ⅴ五面反射镜构成，各反射镜安装在望远镜经轴、纬轴上。库德镜Ⅰ固定在光学平台上，库德镜Ⅱ、库德镜Ⅲ、库德镜Ⅳ、库德镜Ⅴ随望远镜围绕经轴、纬轴旋转，原理图如图1所示。

在常规卫星激光测距中,激光功率一般为1w～3w；而在月球激光测距和空间碎片激光测距系统中，激光功率一般在30w～300w。对于1～300w的功率区间，少有功率计能够实现这种大范围的功率测量。传统的解决办法是在探头处切入/切出衰减片、或是研发大阈值的功率计。

为了保证激光发射链路无损耗，同时能够满足较大的激光功率范围，本发明设计了一种新的激光功率实时监测光路。由于反射镜通常存在一定比例的透射光，可以通过测量该透射光，利用比例换算获得测距过程中使用的激光功率，达到实时监测激光功率的效果。本发明在库德镜Ⅰ之后增加一个激光功率计，用以探测透射激光，完成激光功率实时监测。

本发明提供了一种激光测距中激光功率实时监测系统，利用原光路中的反射镜透射光等比例获取激光发射功率，更为简单有效地实现了在卫星激光测距过程中的激光实时功率监测。

具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

参见图2所示，本发明的一个实施例提供一种激光测距中激光功率实时监测系统，包括激光器、一级扩束系统以及反射镜，所述激光器发射的激光经由所述一级扩束系统扩束后依次由反射镜反射至望远镜副镜，其中，反射镜包括依次反射激光的反射镜E、反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A。

其中，所述反射镜E之后还设有用于采集透射光的激光功率计，所述激光功率计采用聚焦透镜将透射光聚焦到激光功率计探头Ⅰ，所述激光功率计探头Ⅰ连接到激光功率计表头Ⅰ后，再由激光功率计表头Ⅰ连接到PC端，用于实时传输激光功率及对应时间在内的数据，并在PC端进行数据的显示、存储和处理。

在本申请的激光测距中激光功率实时监测系统中，基于云南天文台53cm双筒望远镜测距系统采用收/发分光路的形式。所述反射镜E、反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A均沿库德发射光路设置，用于将所述激光器发射的激光光束转折到随轴系旋转的导光光路，通过旋转库德光路的经轴和纬轴，将激光光束转折后发射到任意指向位置。

参见图2所示，在本实施例中，所述激光器发射的激光经由所述一级扩束系统扩束后依次由反射镜反射至望远镜副镜之后，还包括：通过副镜反射至主镜完成二级扩束后抵达望远镜指向的空间目标位置，其中，部分光子经由空间目标反射后抵达接收主副镜，并反射到分光镜和反射镜，通过缩束系统后到达单光子探测器进行探测。

在测距过程中，激光器发射的激光经由一级扩束系统扩束后，依次反射镜E、反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A反射至望远镜副镜，通过副镜反射至主镜完成2级扩束后抵达望远镜指向的空间目标位置。少部分光子经由空间目标反射后抵达接收主副镜，并反射到分光镜和反射镜，通过缩束系统后到达单光子探测器进行探测。

其中，云南天文台53cm双筒望远镜激光测距系统采用的脉冲式激光器参数如下表1所示。

表1激光器参数

在本实施例中，所述反射镜E固定在光学平台上，所述反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A随望远镜围绕经轴、纬轴旋转设置。

在云南天文台53cm双筒望远镜激光测距系统的反射镜E之后增加一个高灵敏度的激光功率计，功率实时监测光路如图3所示。由于高灵敏度探测器光圈较小，当激光器发射功率增大时，透射光光斑大于探测器光圈，导致透射光功率测量值偏小。采用焦距，光圈的聚焦透镜将透射光聚焦到激光功率计探头，保证测量准确性。将激光功率计探头连接到激光功率计表头后，再由表头连接到PC端，实时传输激光功率及对应时间等数据，并在PC端进行数据的显示、存储和处理。

参见图4所示，激光经过反射镜E反射后的光路中还设有一个用以测量反射光的激光功率计探头Ⅱ，所述激光功率计探头Ⅱ连接到激光功率计表头Ⅱ后，再由激光功率计表头Ⅱ连接到PC端，用于实时传输激光功率及对应时间在内的数据，并在PC端进行数据的显示、存储和处理。

所述激光功率计探头Ⅰ和激光功率计表头Ⅱ连接到同一个PC端进行数据的传输、显示、存储和处理，对透射光的激光光路和反射光的激光光路的功率进行实时监测，获得透射光实时功率与反射光实时功率。

因此，为了验证激光功率实时监测光路的激光功率与激光器测距功率是否存在线性关系，在激光经过反射镜E反射后的光路中增加一个激光功率计探头Ⅱ用以测量反射光。将两个激光功率计探头分别连接到两个激光功率计表头后，将两个表头连接到同一个PC端进行数据的传输、显示、存储和处理，同时对两路激光的功率进行实时监测，获得透射光实时功率与反射光实时功率，光路图如图4所示。

在本实施例中，所采用的激光器目前最大功率为800mW，反射镜E表面所镀的介质膜反射率通常为99.9%，即约有0.1%的激光经反射镜E透射。激光出口功率、反射光功率与透射光功率范围如下表2所示。

表2 激光测距链路中各处功率范围

考虑到透射光功率较小，故选用测量范围较小，但测量灵敏度高、响应速度快、受温度影响较小的光电式激光功率探头，测量范围50nW～50mW，具体参数如表3所示。

表3 激光功率计探头Ⅰ参数表

反射光功率测量选用功率测量范围宽、相对不容易达到饱和、受光照角度和位置影响较小的热电堆式激光功率计探头，测量范围在10mW～10W，激光功率探头的具体参数如下表4所示。

表4 激光功率计探头Ⅱ参数表

实验及分析：

调节激光器电流改变激光功率，以0.5A为步长，测量了电流从42～44.8A（激光器最大电流44.8A）变化时多组激光器的透射激光功率和反射激光功率数据，每次测量2分钟，采样频率1Hz，进行数据处理后取算术平均值作为标准点。

由于反射光功率y与透射光功率x都具有测量误差，其相关系数为：

故两变量分别拟合得到的回归直线高度重合，本发明利用透射光功率测量值对反射光功率进行最小二乘法直线拟合，如图5所示。

为了验证透射光功率和反射光功率的线性关系是否密切，利用F检验法检验回归方程的显著性，对于一元线性回归而言：

其中N为测量值个数，回归平方和，残余平方和，y为待拟合数值，其均值为，拟合值为。U越大，Q越小则说明线性关系更密切。此时F= 3169.7833，当显著性水平a= 0.10时，F分布表部分表如表5所示，当时，认为回归是高度显著的，线性关系非常密切。

表5：F分布表部分表（的值，）

可知，认为回归高度显著，证明透射光功率和反射光功率具有很好的线性关系。反射激光功率测量值与拟合结果之间的最大偏差值占当前测量值的1.49%，利用残余标准差来衡量回归直线的精度,当越小时回归直线精度越高。

此时，满足精度需求。由此可知通过测量透射光功率就能够推出反射光功率。反射光功率与透射光功率的关系式为：

其中b为常数项，k为比例系数。

为了验证激光功率实时监测数据的可靠性，进行时长2小时的测量实验。调节激光器电流改变激光功率，每次测量2分钟，采样频率1Hz，以1A为步长，电流从42～44.8A变化为一小组，测量激光器的透射激光功率和反射激光功率数据，每小组测量耗时10分钟。每个小组数据测量时间间隔10分钟，共测量5个小组。对实验数据进行最小二乘法直线拟合，如图6所示。

F=4560.7885，可知，认为回归高度显著。反射激光功率最大偏差值占当前值的1.66%，，精度较高。证明通过此方法测量的透射光功率计算得到的反射光功率数据具有很好的可靠性。

因此，本发明所设计的激光功率实时监测系统，不仅能够很好的避免对原激光测距光路的影响，且所测得的透过光功率与激光测距功率具有良好的线性关系，满足激光测距过程中功率测量的精度需求，证明了本发明所使用的监测方法可以适用于激光测距过程中的激光功率实时监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，包括激光器、一级扩束系统以及反射镜，所述激光器发射的激光经由所述一级扩束系统扩束后依次由反射镜反射至望远镜副镜，其中，反射镜包括依次反射激光的反射镜E、反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A；

所述反射镜E之后还设有用于采集透射光的激光功率计，所述激光功率计采用聚焦透镜将透射光聚焦到激光功率计探头Ⅰ，所述激光功率计探头Ⅰ连接到激光功率计表头Ⅰ后，再由激光功率计表头Ⅰ连接到PC端，用于实时传输激光功率及对应时间在内的数据，并在PC端进行数据的显示、存储和处理。

2.如权利要求1所述的激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，所述反射镜E、反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A均沿库德发射光路设置，用于将所述激光器发射的激光光束转折到随轴系旋转的导光光路，通过旋转库德光路的经轴和纬轴，将激光光束转折后发射到任意指向位置。

3.如权利要求2所述的激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，所述反射镜E固定在光学平台上，所述反射镜D、反射镜C、反射镜B以及反射镜A随望远镜围绕经轴、纬轴旋转设置。

4.如权利要求3所述的激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，所述激光器发射的激光经由所述一级扩束系统扩束后依次由反射镜反射至望远镜副镜之后，还包括：通过副镜反射至主镜完成二级扩束后抵达望远镜指向的空间目标位置，其中，部分光子经由空间目标反射后抵达接收主副镜，并反射到分光镜和反射镜，通过缩束系统后到达单光子探测器进行探测。

5.如权利要求1所述的激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，所述激光功率计采用聚焦透镜将透射光聚焦到激光功率计探头，其中，所述聚焦透镜的焦距，光圈。

6.如权利要求1所述的激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，激光经过反射镜E反射后的光路中还设有一个用以测量反射光的激光功率计探头Ⅱ，所述激光功率计探头Ⅱ连接到激光功率计表头Ⅱ后，再由激光功率计表头Ⅱ连接到PC端，用于实时传输激光功率及对应时间在内的数据，并在PC端进行数据的显示、存储和处理。

7.如权利要求6所述的激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，所述激光功率计探头Ⅰ和激光功率计表头Ⅱ连接到同一个PC端进行数据的传输、显示、存储和处理，对透射光的激光光路和反射光的激光光路的功率进行实时监测，获得透射光实时功率与反射光实时功率。

8.如权利要求6所述的激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，所述反射镜E表面镀有反射率为99.9%的介质膜，其中，0.1%的激光经反射镜E透射。

9.如权利要求7所述的激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，透射光的激光光路中，透射光功率采用光电式激光功率探头，测量范围50nW～50mW。

10.如权利要求7所述的激光测距中激光功率实时监测系统，其特征在于，反射光的激光光路中，反射光功率测量采用热电堆式激光功率计探头，测量范围在10mW～10W。

Images