CN200941116Y - 一种对激光雷达信号动态范围压缩的装置 - Google Patents

Abstract

一种对激光雷达信号动态范围压缩的装置，其特征在于：沿光路依次放置准直透镜1、膈膜镜光快门2、会聚透镜3、小孔光阑4、再准直透镜5，脉冲发生器6输出端与驱动放大器7输入端相连，驱动放大器7输出端与膈膜镜光快门2的电子学输入端相连。本实用新型通过时序控制，对较强的近场光束进行光学幅度压缩处理，而对较弱的远场光束则不进行光学幅度压缩处理，从而达到压缩整个探测距离范围内信号动态范围的目的。减弱近场回波光的强度，提高激光雷达的探测灵敏度和线性响应，在增加激光雷达探测距离的同时，提高探测的精度。

Description

一种对激光雷达信号动态范围压缩的装置

技术领域

本实用新型涉及一种对激光雷达信号动态范围压缩的装置。

背景技术

激光雷达应用中，由于激光雷达的信号强度与其探测距离的平方成反比关系，造成激光雷达的信号动态范围过大。其最大信号与最小信号之间幅度的比值可以达到10⁵～10⁶，这样就对后续的电子学放大器和模拟/数字转换器的线性化响应和量化精度提出了很高的要求，也为后续器件的设计和制作带来了许多困难。常用的方法是：1)通过改变加载在光电倍增管(PMT)或者雪崩光电二级管(APD)上的偏置电压来调节探测器的增益。在这种应用模式下，为了获得可用于精确数据反演的定量信息，必须获得有关偏置电压脉冲幅度/时间谱、以及探测器对不同偏置电压的增益响应信息，这在实际操作中是较为困难和不太准确的。2)另一种常用的方法是采用对数放大器，主要意图是使幅度较大的输入信号获得较小的增益；而幅度较小的输入信号获得较大的增益，从而达到减小信号动态范围的目的。目前有几家公司可以提供合乎激光雷达应用要求的产品。3)再有就是应用开关型变增益放大器。开关型变增益放大器主要采用增益切换工作方式，给近场信号一个较小的增益，而对远场信号实施高增益放大，从而将信号幅度控制在一个给定的范围区间内，减小了动态范围。在后两种方法中，增益/输入信号幅度/时间变化的逻辑关系必须保持恒定，以便于在后续数据处理中获得较为精确的数据反演结果。。但是，上述电子学的信号控制方法存在如下缺点：1)在对探测器和放大器进行变增益控制时，系统的线性响应度会发生一定的变化，对后续数据的处理引入较大误差，造成激光雷达测量精度降低；2)强近场信号直接投射到探测器光敏面上，对探测微弱远场信号造成影响。

发明内容

本实用新型是一种新的应用膈膜镜光快门(Membrane Mirror Light Shutter)对激光雷达信号动态范围压缩的装置。不同于上述常用的电子学方法，膈膜镜光快门方法利用的是纯光学途径，所有采用电子学途径进行激光雷达信号动态压缩所带来的问题都能得以较好的避免。采用膈膜镜光快门进行动态压缩的另一个好处是可以减小近场回波光过强带来的影响。因为强烈的近场回波光对探测器的探测灵敏度和线性响应有很大影响，通过膈膜镜光快门的光学方法减弱近场回波光的强度，可以显著地提高探测器在整个探测范围内的探测灵敏度和线性响应。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：一种对激光雷达信号动态范围压缩的装置，其特征在于：沿光路依次放置准直透镜1、膈膜镜光快门2、会聚透镜3、小孔光阑4、再准直透镜5，脉冲发生器6输出端与驱动放大器7输入端相连，驱动放大器7输出端与膈膜镜光快门2的电子学输入端相连。

本实用新型的装置中，需要经过膈膜镜光快门切换的光束经准直透镜准直后输出到膈膜镜光快门光学输出端，膈膜镜光快门光束反射/衍射输出进入会聚透镜聚焦，会聚透镜输出端与小孔光阑输入端相连，小孔光阑输出端与再准直透镜输入端相连，再准直透镜将光束变成平行光后输出；脉冲发生器输出端与驱动放大器输入端相连，驱动放大器输出端与膈膜镜光快门电子学输入端相连。

经过激光雷达接收器中其它器件将收集到的激光雷达回波光进行准直和滤光后，利用应用膈膜镜光快门进行激光雷达信号光学动态压缩的装置，通过时序控制，对较强的近场光束进行光学幅度压缩处理，而对较弱的远场光束则不进行光学幅度压缩处理，从而达到压缩整个探测距离范围内信号动态范围的目的。减弱近场回波光的强度，提高激光雷达的探测灵敏度和线性响应，在增加激光雷达探测距离的同时，提高探测的精度。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图。其中，准直透镜1，膈膜镜光快门2，会聚透镜3，小孔光阑4，再准直透镜5，脉冲发生器6，驱动放大器7。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步详细的描述。

参见图1，本实用新型中的对激光雷达信号动态范围压缩的装置主要包括：准直透镜1(Canon公司，75-300mm f/4-5.6 III USM EF变焦镜头)、膈膜镜光快门2(Optron SystemsInc公司，MMLS48R)、会聚透镜3(Newport公司，KPX187)、小孔光阑4(卓立汉光公司，APID12-1)、再准直透镜5(Newport公司，KPX187)、脉冲发生器6(SRS公司，DG535)、驱动放大器7(Optron Systems Inc公司配套电源，125V，100KHz)。

在激光雷达信号动态范围压缩应用中，需要被压缩的激光雷达回波光束先被准直透镜1处理成平行光后，投射到膈膜镜光快门2上。从膈膜镜光快门2上反射/衍射的信号光束经会聚透镜3会聚后，通过安装在聚透镜3焦平面上的小孔光阑4进行空间滤光。通过小孔光阑4空间滤光后的信号光经再准直透镜5整理成平行光后，进入后续探测器组件。膈膜镜光快门2由驱动放大器7驱动，而驱动放大器7又由脉冲发生器6触发。

当膈膜镜光快门2上没有加电压时，膈膜镜保持平整并将平行入射光束再平行地反射出去。这样，会聚透镜3就将反射出来的光束会聚到零级焦点(此时没有衍射现象发生)，正好通过小孔光阑4的通光孔径，这样入射光束就全部通过了本装置而不发生能量衰减(不考虑光学系统反射/透射效率)，这时膈膜镜光快门在“开启”状态。当有电压加到膈膜镜光快门2上时，电极间的静电引力使膈膜镜弯曲而形成一个衍射光栅，入射光束就会形成零级、±1级、±2级、......的衍射。在某一特殊的电压下(关闭电压)，绝大部分入射光束会形成高于零级的衍射光束，而小孔光阑4的通光孔只允许零级光束通过，这样绝大部分入射光束就会被遮挡，从而可以达到减弱入射信号光束强度的目的，这时膈膜镜光快门在“关闭”状态，此电压称为“关闭电压”。

在激光雷达信号动态范围压缩应用中，激光脉冲发射之前的某一刻膈膜镜光快门2上必须加上关闭电压，使膈膜镜光快门2处于“关闭”状态，以衰减近场回波光信号的强度。这样，激光器必须由一个在时间上滞后于触发膈膜镜光快门信号的脉冲信号来触发。图1中脉冲发生器6必须按下列要求设置：在膈膜镜光快门2处于完全“关闭”状态后再触发激光器，发射探测激光束，然后在某一探测距离处将膈膜镜光快门2“开启”，即控制驱动放大器7的输出电压为0，以获取未经压缩的较为微弱的远场回波光信号。

例如，当使用激光雷达进行海洋探测时，激光脉冲会与海水中的悬浮物和海水本身发生相互作用，激光雷达通过接收后向散射信号、拉曼信号和荧光信号获得相关海洋信息，由于这几种作用机制的截面很小，所以信号非常微弱；但激光束与水气界面(即海面)发生的是强烈的反射作用，反射系数与上述几种作用机制的系数相比，有几个数量级的差别。为了避免强烈反射光对微弱信号光的影响，通常采用的方法是：在激光脉冲到达海面的时刻，减小探测器偏置电压，应用电子学方法压缩强烈信号；当激光脉冲进入海水后，恢复探测器偏置电压，对微弱信号光进行探测。但由于电压上升有时间延迟，激光脉冲速度为3×10⁸m/s，造成近水面层没有信号。一般来说，从海而到海面下约5～10米处是没有信号的。而对于海洋探测研究，特别是与人类活动密切相关的近海岸带区域，探测研究的重点就集中在从海面到海面下数米的范围内，所以电子学动态压缩的方法极大地限制了激光雷达的应用范围。从另一个方面，强烈的海面反射光还是直接照射到了探测器光敏面上。就如同人眼在黑暗中受到强光照射后会出现暂时失明然后逐渐恢复视力一样，探测器光敏面被强烈海面反射光照射后，其量子效率会降低，然后随着时间的推移逐渐恢复正常，所以其响应体现出随时间不断变化的非线性过程，为后续数据反演处理引入了系统误差。

而应用本实用新型技术方案时，强烈的反射光线在投射到探测器光敏面之前就被膈膜镜光快门进行了强度压缩，从而使探测器能保持较好的线性响应，可获得较高的探测精度；另外，不同于电子学方法中使近水面层没有信号，探测系统能够获得经过光学幅度压缩的近水面层信号，通过数据反演处理获得相关信息，扩大了激光雷达的应用范围。

Claims (1)

1、一种对激光雷达信号动态范围压缩的装置，其特征在于：沿光路依次放置准直透镜(1)、膈膜镜光快门(2)、会聚透镜(3)、小孔光阑(4)、再准直透镜(5)，脉冲发生器(6)输出端与驱动放大器(7)输入端相连，驱动放大器(7)输出端与隔膜镜光快门(2)的电子学输入端相连。

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