專利名稱：激光測量動態(tài)范圍擴展裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及激光測距，特別是一種機載激光測量水深度的激光測量動態(tài)范圍擴展裝置。
技術(shù)背景回波信號大動態(tài)范圍問題一直是機載激光測深系統(tǒng)中的主要難題之一，本技術(shù)能夠?qū)C載激光測深系統(tǒng)中回波信號的動態(tài)范圍進行有效擴展，同時也能應(yīng)用于其他激光遙感，激光測距技術(shù)。
機載激光測深原理示意圖如圖1所示，從機載平臺向下發(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，另一部分則進入海水。透射光進入海水之后，海水對其進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，被飛機上的探測器件接收。由于海面反射的光信號比海底反射的光信號強得多，同時，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也隨海水深度指數(shù)衰減，因而，機載激光測深系統(tǒng)所探測到的回波信號不僅光強微弱，而且動態(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的總功率P＝Pb+Pw+PsPi=b,w=PrRηAR(1-ρs)2(nH+H)2exp(-2τα)exp(-2hk)F(mψ,bh)]]>Pb為海底反射信號，Pw為水體后向散射信號，Ps為天空背景光信號。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是飛機航高，h為水深，k為海水有效衰減系數(shù)。根據(jù)這個方程，可以算出不同水質(zhì)和水深情況下海表海底信號的動態(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的差異很大，達到6個數(shù)量級左右，目前還沒有一個獨立有效的方法能夠解決整個動態(tài)范圍問題，因此目前一般采取多種方法相結(jié)合來擴展動態(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.21July 1995)等方法，但是這些方法對動態(tài)范圍的擴展還是不夠的，一般利用偏振濾波和探測器變增益技術(shù)可以擴展2-3個數(shù)量級，這樣的話，對于數(shù)據(jù)采集卡的輸入動態(tài)范圍要求有3個數(shù)量級左右，對于目前一般采用的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間大約4ns左右，要想采集到較滿意的信號，數(shù)據(jù)采集卡的采樣率必須達到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，這成了動態(tài)范圍擴展技術(shù)的一個難點。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是為了解決上述動態(tài)范圍擴展的難題，提供一種激光測量動態(tài)范圍擴展裝置，以解決高采樣率和寬輸入范圍的數(shù)據(jù)采集的問題。
本實用新型的實質(zhì)是采用雙通道方式接受回波信號，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變得平坦，下表為實際海洋試驗中得到光脈沖上升沿隨著海水深度增加而增加的統(tǒng)計結(jié)果。
從表中可以看出，當發(fā)射脈沖上升沿時間為4ns時，隨著水深增加到15米以后，大部分的回波信號的回波波形2的上升時間超過了8ns。由圖2也可以看出，15m以內(nèi)信號的動態(tài)范圍大約為3個數(shù)量級，并且信號上升時間大部分集中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，信號的動態(tài)范圍逐漸變大，最大達到6個數(shù)量級左右，但是信號被展寬，回波波形2上升時間大部分集中在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，才能達到大動態(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動態(tài)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的要求。
本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種激光測量動態(tài)范圍擴展裝置，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算機，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。
本實用新型的有益效果是利用兩個通道數(shù)據(jù)采集來接收深水回波信號，可有效地解決激光測量的動態(tài)范圍問題。


圖1為機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，對應(yīng)的回波信號的動態(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為實際試驗采集到的典型的回波信號波形圖，脈沖1為海水表面回波信號，脈沖2為海底回波信號；圖4為本實用新型激光測量動態(tài)范圍擴展裝置的結(jié)構(gòu)示意圖圖中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-計算機。
具體實施方式
先請參閱圖4，圖4為本實用新型激光測量動態(tài)范圍擴展裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4也是本實用新型激光測量動態(tài)范圍擴展裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本實用新型激光測量動態(tài)范圍擴展裝置的結(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的輸出端接計算機6，在本實施例中，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處的回波信號值作為比較器1閾值T，加到比較器1的一個輸入端，同時將系統(tǒng)上的光電探測器接收到的回波輸出信號通過所述的三通接頭0分為三路輸出信號I1、I2和I3，其中信號I1接到比較器1的另一個輸入端上，同時將信號I2和信號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與所述的域值T比較，回波信號小于T值，由比較器1的輸出信號經(jīng)由導(dǎo)線2觸發(fā)第一數(shù)據(jù)采集卡4，回波信號大于T值時，由比較器1的輸出信號經(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深以外的信號輸入計算機6，進行數(shù)據(jù)存儲和處理。
通過本實用新型可以實現(xiàn)雙數(shù)據(jù)采集卡自動切換地進行數(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1.一種激光測量動態(tài)范圍擴展裝置，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)的輸出接計算機(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光測量動態(tài)范圍擴展裝置，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。
專利摘要一種激光測量動態(tài)范圍擴展裝置，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算機，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。本實用新型可以實現(xiàn)雙數(shù)據(jù)采集卡自動切換地進行數(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G01S17/00GK2867358SQ20062003931
公開日2007年2月7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, 陳衛(wèi)標, 臧華國, 賀巖 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所