專利名稱：激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光測距，特別是一種機(jī)載激光測量水深度的激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置。
背景技術(shù)：
回波信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍問題一直是機(jī)載激光測深系統(tǒng)中的主要難題之一，本技術(shù)能夠?qū)C(jī)載激光測深系統(tǒng)中回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行有效擴(kuò)展，同時(shí)也能應(yīng)用于其他激光遙感，激光測距技術(shù)。
機(jī)載激光測深原理示意圖如圖1所示，從機(jī)載平臺(tái)向下發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過空氣和海水的界面，一部分被海水反射，另一部分則進(jìn)入海水。透射光進(jìn)入海水之后，海水對(duì)其進(jìn)行選擇性吸收和散射。部分散射光即海水的后向散射光與海底反射光一起組成回波光信號(hào)返回海面。經(jīng)過海水空氣界面又折射回到空中，經(jīng)過大氣，被飛機(jī)上的探測器件接收。由于海面反射的光信號(hào)比海底反射的光信號(hào)強(qiáng)得多，同時(shí)，后向散射的光能量隨海水深度呈指數(shù)衰減，海底反射回波光信號(hào)也隨海水深度指數(shù)衰減，因而，機(jī)載激光測深系統(tǒng)所探測到的回波信號(hào)不僅光強(qiáng)微弱，而且動(dòng)態(tài)范圍很大。采用菲戈斯的模型(Victor J.FeigelsLidars for Oceanological ResearchCriteria for Comparison，Main Limitations，Perspectives SPIE Vol.1750 Ocean Optics Xl(1992)/473)，得到的激光回波信號(hào)的總功率P＝Pb+PW+PsPl=b,w=PrRηAR(1-ρs)2(nH+h)2exp(-2τa)exp(-2hk)F(mψ,bh)]]>Pb為海底反射信號(hào)，PW為水體后向散射信號(hào)，Ps為天空背景光信號(hào)。F為散射相位函數(shù)，Pr為激光器發(fā)射峰值功率，η為系統(tǒng)有效接受效率，H是飛機(jī)航高，h為水深，k為海水有效衰減系數(shù)。根據(jù)這個(gè)方程，可以算出不同水質(zhì)和水深情況下海表海底信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，折算到光電探測器的輸出，如圖2，從圖中可以看出海表海底信號(hào)的差異很大，達(dá)到6個(gè)數(shù)量級(jí)左右，目前還沒有一個(gè)獨(dú)立有效的方法能夠解決整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍問題，因此目前一般采取多種方法相結(jié)合來擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，例如正交偏振檢測濾波，探測器變增益(Michael P.Bristow，Donald H.Bundy，Signal linearity，gain stability，and gating inphotomultipliersapplication to differential absorption lidars Applied OpticsVol.34，No.21 July 1995)等方法，但是這些方法對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展還是不夠的，一般利用偏振濾波和探測器變增益技術(shù)可以擴(kuò)展2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣的話，對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡的輸入動(dòng)態(tài)范圍要求有3個(gè)數(shù)量級(jí)左右，對(duì)于目前一般采用的8位，1GHz的數(shù)據(jù)采集卡還是不能滿足要求的。根據(jù)上述動(dòng)態(tài)范圍的要求，至少需要10位以上的數(shù)據(jù)采集卡，且由于發(fā)射激光脈沖的上升時(shí)間大約4ns左右，要想采集到較滿意的信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡的采樣率必須達(dá)到500MHz以上，但是目前情況下，這種高采樣率和寬輸入范圍的數(shù)據(jù)采集卡很少見，這成了動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展的難題，提供一種激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置，以解決高采樣率和寬輸入范圍的數(shù)據(jù)采集的問題。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是采用雙通道方式接受回波信號(hào)，來克服目前數(shù)據(jù)采集卡的高采樣率和寬輸入范圍之間的矛盾。
本技術(shù)方案的基礎(chǔ)是由于海水的散射作用，激光束在水中傳輸?shù)倪^程中會(huì)展寬，典型的回波波形如圖3所示。由于海水的散射作用，激光脈沖回波波形2的上升沿隨著海水深度的增加會(huì)變得平坦，下表為實(shí)際海洋試驗(yàn)中得到光脈沖上升沿隨著海水深度增加而增加的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
從表中可以看出，當(dāng)發(fā)射脈沖上升沿時(shí)間為4ns時(shí)，隨著水深增加到15米以后，大部分的回波信號(hào)的回波波形2的上升時(shí)間超過了8ns。由圖2也可以看出，15m以內(nèi)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大約為3個(gè)數(shù)量級(jí)，并且信號(hào)上升時(shí)間大部分集中4-5ns，因此水深15m以內(nèi)，可以使用采樣率1GHz，8位的數(shù)據(jù)采集卡。15m深以后，從圖2可以看出，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍逐漸變大，最大達(dá)到6個(gè)數(shù)量級(jí)左右，但是信號(hào)被展寬，回波波形2上升時(shí)間大部分集中在8ns以上，因此水深15m以后，我們只有使用采樣率400MHz以上，10位以上的數(shù)據(jù)采集卡，才能達(dá)到大動(dòng)態(tài)測量范圍的測量的目的。因此通過這種雙通道數(shù)據(jù)采集的方式能滿足在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的要求。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置，結(jié)構(gòu)包括一三通接頭的輸出端分為三路，其中第二路和第三路分別接到第一數(shù)據(jù)采集卡的輸入端和第二數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，第一路接到比較器的輸入端，域值T接比較器的另一輸入端，該比較器的兩輸出端分別經(jīng)過第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線接第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)端，所述的第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡的輸出端接計(jì)算機(jī)，所述的第一數(shù)據(jù)采集卡的采樣率≥大于400MHz，14位的數(shù)據(jù)采集卡，第二數(shù)據(jù)采集卡的采樣率≥1GHz，8位的數(shù)據(jù)采集卡。
本發(fā)明的有益效果是利用兩個(gè)通道數(shù)據(jù)采集來接收深水回波信號(hào)，可有效地解決激光測量的動(dòng)態(tài)范圍問題。


圖1為機(jī)載激光測量水深的示意圖；圖2為不同水深和水質(zhì)情況下，對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，k為海水的漫反射衰減系數(shù)，代表了水質(zhì)情況，k越大，水質(zhì)越差；圖3為實(shí)際試驗(yàn)采集到的典型的回波信號(hào)波形圖，脈沖1為海水表面回波信號(hào)，脈沖2為海底回波信號(hào)；圖4為本發(fā)明激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置的結(jié)構(gòu)示意中0-三通接頭，T為比較器的域值，1-比較器，4-第一數(shù)據(jù)采集卡，5-第二數(shù)據(jù)采集卡，6-計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式
先請參閱圖4，圖4為本發(fā)明激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4也是本發(fā)明激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置的結(jié)構(gòu)為一三通接頭0的輸入端接光電探測器的輸出端，該三通接頭0將所述的光電探測器接收的回波信號(hào)分為三路I1、I2、I3輸出，其中第二路I2和第三路I3分別接到第一數(shù)據(jù)采集卡4的輸入端和第二數(shù)據(jù)采集卡5的輸入端，第一路I1接到比較器1的輸入端，域值T接比較器1的另一輸入端，該比較器1的兩輸出分別經(jīng)過第一導(dǎo)線2和第二導(dǎo)線3接第一數(shù)據(jù)采集卡4和第二數(shù)據(jù)采集卡5的觸發(fā)端，所述的第一數(shù)據(jù)采集卡4和第二數(shù)據(jù)采集卡5的輸出端接計(jì)算機(jī)6，在本實(shí)施例中，所述的第一數(shù)據(jù)采集卡4的采樣率為400MHz，14位的數(shù)據(jù)采集卡，第二數(shù)據(jù)采集卡5的采樣率為1GHz，8位的數(shù)據(jù)采集卡。
在具體測量過程中，先將正常水深情況下15m處的回波信號(hào)值作為比較器1閾值T，加到比較器1的一個(gè)輸入端，同時(shí)將系統(tǒng)上的光電探測器接收到的回波輸出信號(hào)通過所述的三通接頭0分為三路輸出信號(hào)I1、I2和I3，其中信號(hào)I1接到比較器1的另一個(gè)輸入端上，同時(shí)將信號(hào)I2和信號(hào)I3分別接到第一數(shù)據(jù)采集卡4和第二數(shù)據(jù)采集卡5的輸入端上，不同水深處的回波信號(hào)與所述的域值T比較，回波信號(hào)小于T值，由比較器1的輸出信號(hào)經(jīng)由導(dǎo)線2觸發(fā)第一數(shù)據(jù)采集卡4，回波信號(hào)大于T值時(shí)，由比較器1的輸出信號(hào)經(jīng)由導(dǎo)線3觸發(fā)第二數(shù)據(jù)采集卡5，第一數(shù)據(jù)采集卡4和第二數(shù)據(jù)采集卡5采集分別采集15m深以內(nèi)和15m深以外的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)6，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。
通過本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)雙數(shù)據(jù)采集卡自動(dòng)切換地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而解決了在先技術(shù)尚未解決的高采樣率和寬輸入范圍的數(shù)據(jù)采集的問題。
權(quán)利要求
1.一種激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置，特征在于結(jié)構(gòu)為三通接頭(0)的輸出端分為三路(I1、I2、I3)，其中第二路(I2)和第三路(I3)分別接第一數(shù)據(jù)采集卡(4)的輸入端和第二數(shù)據(jù)采集卡(5)的輸入端，第一路(I1)接到比較器(1)的輸入端，域值T接比較器(1)的另一輸入端，該比較器(1)的兩輸出端分別經(jīng)過第一導(dǎo)線(2)和第二導(dǎo)線(3)接第一數(shù)據(jù)采集卡(4)和第二數(shù)據(jù)采集卡(5)的觸發(fā)端，所述的第一數(shù)據(jù)采集卡(4)和第二數(shù)據(jù)采集卡(5)的輸出接計(jì)算機(jī)(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置，其特征在于所述的第一數(shù)據(jù)采集卡(4)為采樣率≥大于400MHz，14位的數(shù)據(jù)采集卡，第二數(shù)據(jù)采集卡(5)為采樣率≥1GHz，8位的數(shù)據(jù)采集卡。
全文摘要
一種激光測量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展裝置，結(jié)構(gòu)為一三通接頭的輸出端分為三路，其中第二路和第三路分別接到第一數(shù)據(jù)采集卡的輸入端和第二數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，第一路接到比較器的輸入端，域值T接比較器的另一輸入端，該比較器的兩輸出分別經(jīng)過第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線接第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)端，所述的第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡的輸出端接計(jì)算機(jī)，所述的第一數(shù)據(jù)采集卡的采樣率≥大于400MHz，14位的數(shù)據(jù)采集卡，第二數(shù)據(jù)采集卡的采樣率≥1GHz，8位的數(shù)據(jù)采集卡。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)雙數(shù)據(jù)采集卡自動(dòng)切換地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而解決了在先技術(shù)尚未解決的高采樣率和寬輸入范圍的數(shù)據(jù)采集的問題。
文檔編號(hào)G01S17/08GK1808180SQ20061002370
公開日2006年7月26日 申請日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月27日
發(fā)明者朱堅(jiān), 陳衛(wèi)標(biāo), 臧華國, 賀巖 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所