專利名稱：雙軸激光遙感儀器地面檢測定標(biāo)系統(tǒng)及檢測定標(biāo)方法
雙軸激光遙感儀器地面檢測定標(biāo)系統(tǒng)及檢測定標(biāo)方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于激光主動遙感探測領(lǐng)域，涉及雙軸激光遙感儀器地面檢測定標(biāo)系統(tǒng)， 還涉及該系統(tǒng)對主被動激光遙感儀器的系統(tǒng)參數(shù)-探測能力、遠(yuǎn)場光束質(zhì)量分布、系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)因子進(jìn)行檢測與標(biāo)定的方法。
背景技術(shù)：
自激光誕生以來，激光科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展。激光遙感儀器作為一種主動遙感探測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于星球測量、空中目標(biāo)檢測、激光大氣傳輸、全球氣候預(yù)測、氣溶膠輻射效應(yīng)及大氣環(huán)境等研究領(lǐng)域。激光遙感系統(tǒng)的工作原理是由激光器發(fā)出的激光束脈沖進(jìn)入大氣，由望遠(yuǎn)鏡接收激光束與大氣或被照射物體作用后產(chǎn)生的散射回波信號，并經(jīng)光學(xué)分光處理和光電檢測系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，輸入信息處理設(shè)備(多為計算機)進(jìn)行數(shù)據(jù)反演處理，以期獲得距離、光譜、圖像等信息。
隨著激光遙感儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和應(yīng)用需求的提高，人們對系統(tǒng)的探測能力及系統(tǒng)穩(wěn)定性要求也越來越高，這也對遙感系統(tǒng)的地面定標(biāo)及測試性能提出了更高的要求。 激光遙感儀器的探測能力指標(biāo)主要包括系統(tǒng)探測精度、準(zhǔn)確度、探測范圍(最大測程、最小測程)、測距分辨率和探測概率(虛警率、漏警率)。除了探測能力，激光探測系統(tǒng)還有很多性能參數(shù)需要標(biāo)定和測試，這些參數(shù)包括激光能量、激光脈寬、重復(fù)頻率、激光發(fā)散角、激光遠(yuǎn)場分布、系統(tǒng)延遲常數(shù)、系統(tǒng)最小探測靈敏度、接收視場角、光軸配準(zhǔn)度。在這些需要精確標(biāo)定和測試的參數(shù)中，除了與激光特性相關(guān)的參數(shù)已有統(tǒng)一的測試方法之外，其它的系統(tǒng)參數(shù)目前尚無標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)器件或相關(guān)裝置對其精確標(biāo)定，這給儀器探測性能的標(biāo)定帶來了困擾。而且同一臺儀器在經(jīng)歷不同狀態(tài)變化后，其性能參數(shù)會發(fā)生變化，特別是系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)因子，幾何結(jié)構(gòu)因子的變化將直接影響到系統(tǒng)的探測能力。這就要求能有標(biāo)準(zhǔn)的儀器或設(shè)備能對其進(jìn)行測試，并及時標(biāo)定出變化情況。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙軸激光遙感儀器地面檢測與標(biāo)定系統(tǒng)，以便于能對激光遙感儀器的系統(tǒng)性能和儀器參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化、定量化的檢測與標(biāo)定。
本發(fā)明的另一個目的是提供上述系統(tǒng)對主被動激光遙感儀器的探測能力、遠(yuǎn)場光束質(zhì)量分布和系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)因子進(jìn)行高精度的檢測與標(biāo)定的方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為，雙軸激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)，包括模擬回波發(fā)生器、二維移動平臺、大口徑長焦距平行光管和光束質(zhì)量分析儀；大口徑長焦距平行光管的一側(cè)設(shè)置有分束鏡和角錐棱鏡，大口徑長焦距平行光管的另一側(cè)設(shè)置有全反鏡；模擬回波發(fā)生器由光電轉(zhuǎn)換器、延時器、光纖輸出激光器、光纖和電控光纖衰減器組成；光電轉(zhuǎn)換器和延時器位于分束鏡與光纖輸出激光器之間，分束鏡用于將由被測激光遙感儀器發(fā)出的脈沖激光分為兩部分，并將其中一部分脈沖激光反射給光電轉(zhuǎn)換器；光電轉(zhuǎn)換器用于將由分束鏡反射的脈沖激光轉(zhuǎn)換為電信號；延時器用于電信號的延時；光纖輸出激光器用于將被延時后的電信號觸發(fā)后輸出脈沖激光，光纖輸出激光器與光纖的一端連接，光纖的另一端位于大口徑長焦距平行光管的另一側(cè)，光纖另一端的端口位于大口徑長焦距平行光管的焦平面上，并且固定在二維移動平臺上；電控光纖衰減器設(shè)置在光纖上；光束質(zhì)量分析儀的光敏面放置在大口徑長焦距平行光管被全反鏡反射的焦平面上。
本發(fā)明所采用的另一個技術(shù)方案為，利用上述雙軸激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)獲得被測激光遙感儀器探測能力的方法，包括以下操作步驟
步驟1 被測激光遙感儀器發(fā)出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過分束鏡被分為兩部分；
步驟2 其中一部分脈沖激光經(jīng)過大口徑長焦距平行光管折射后進(jìn)入全反鏡，由全反鏡反射后進(jìn)入光束質(zhì)量分析儀光敏面上，形成發(fā)射激光光斑，光束質(zhì)量分析儀采集該發(fā)射激光光斑獲取被測激光遙感儀器的遠(yuǎn)場光束質(zhì)量分布；
步驟3 另一部分脈沖激光經(jīng)過分束鏡的反射進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過延時器的延時后觸發(fā)光纖輸出激光器，光纖輸出激光器通過光纖由光纖的另一端輸出經(jīng)過電控光纖衰減器衰減后的脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過大口徑長焦距平行光管變?yōu)槠叫泄?，其中一部分平行光?jīng)過角錐棱鏡的180°反射后再通過大口徑長焦距平行光管的透射和全反鏡的反射后射向光束質(zhì)量分析儀的光敏面上，形成模擬回波光斑；而另一部分平行光作為遠(yuǎn)距離的模擬回波進(jìn)入被測激光遙感儀器并給出輸出信號；
步驟4:通過光束質(zhì)量分析儀比較發(fā)射激光光斑和模擬回波光斑的位置，調(diào)整被測激光遙感儀器和激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的相對位置，使得發(fā)射激光光斑和模擬回波光斑在光束質(zhì)量分析儀上重合，實現(xiàn)被測激光遙感儀器與激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的光路對接；
步驟5 待被測激光遙感儀器與激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的光路對接好后，調(diào)整電控光纖衰減器的衰減倍數(shù)，使被測激光遙感儀器的輸出信號達(dá)到探測極限，利用能量計檢測光纖輸出激光器輸出能量值，并根據(jù)電控光纖衰減器衰減倍數(shù)值獲取激光遙感儀器的最小可探測能量數(shù)值Praiin，根據(jù)公式(1)，得到被測激光遙感儀器的探測能力
式中，Rfflax是激光遙感儀器可探測到的最遠(yuǎn)距離即探測能力，K是由光束質(zhì)量分析儀測得的光束質(zhì)量分布，Pt是光纖輸出激光器輸出功率，τ ^是光學(xué)系統(tǒng)效率，τ為被測激光遙感儀器到目標(biāo)距離上激光大氣透過率，ο為被探測目標(biāo)的雷達(dá)截面，I是接收光學(xué)系統(tǒng)孔徑面積，θ t是發(fā)射光束發(fā)散角，Pnilin是激光測距系統(tǒng)的最小可探測功率，也即系統(tǒng)探測靈敏度。
本發(fā)明還采用的技術(shù)方案為，利用上述的雙軸激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)獲得被測激光遙感儀器幾何結(jié)構(gòu)因子的方法，包括以下操作步驟
步驟1 被測激光遙感儀器發(fā)出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過分束鏡被分為兩部分；
步驟2 其中一部分脈沖激光經(jīng)過大口徑長焦距平行光管折射后進(jìn)入全反鏡，由全反鏡反射后進(jìn)入光束質(zhì)量分析儀光敏面上，形成發(fā)射激光光斑，光束質(zhì)量分析儀采集該發(fā)射激光光斑獲取被測激光遙感儀器的遠(yuǎn)場光束質(zhì)量分布；
步驟3 另一部分脈沖激光經(jīng)過分束鏡的反射進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過延時器的延時后觸發(fā)光纖輸出激光器，光纖輸出激光器通過光纖由光纖的另一端輸出經(jīng)過電控光纖衰減器衰減后的脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過大口徑長焦距平行光管變?yōu)槠叫泄?，其中一部分平行光?jīng)過角錐棱鏡的180°反射后再通過大口徑長焦距平行光管的透射和全反鏡的反射后射向光束質(zhì)量分析儀的光敏面上，形成模擬回波光斑；而另一部分平行光作為遠(yuǎn)距離的模擬回波進(jìn)入被測激光遙感儀器并給出輸出信號；
步驟4:通過光束質(zhì)量分析儀比較發(fā)射激光光斑和模擬回波光斑的位置，調(diào)整被測激光遙感儀器和激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的相對位置，使得發(fā)射激光光斑和模擬回波光斑在光束質(zhì)量分析儀上重合，實現(xiàn)激光遙感儀器與激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的光路對接；
步驟5 利用二維移動平臺記錄被測激光遙感儀器和激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)對接時光纖另一端端面的位置，記錄為(Ltl, 0)；通過二維移動平臺控制光纖另一端端面在長焦距大口徑平行光管焦平面上水平移動，同時監(jiān)測被測激光遙感儀器輸出信號情況，記錄激光遙感儀器輸出信號變?yōu)榕R界點時二維移動平臺的位置，二維移動平臺的移動位置相對于(Lc^O)其二維移動位置記為(k，0)和(LK，0)；通過二維移動平臺控制光纖另一端端面在長焦距大口徑平行光管焦平面上豎直移動，同時監(jiān)測被測激光遙感儀器輸出信號情況，記錄激光遙感儀器輸出信號變?yōu)榕R界點時二維移動平臺的位置，二維移動平臺的移動位置相對于(Ltl, 0)其二維移動位置記為(Lu, 0)和(Ld，0)；根據(jù)公式( 得到激光遙感儀器幾何結(jié)構(gòu)因子，也稱幾何重疊因子
權(quán)利要求
1.雙軸激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在于包括模擬回波發(fā)生器、二維移動平臺(7)、大口徑長焦距平行光管(9)和光束質(zhì)量分析儀(10)；大口徑長焦距平行光管 (9)的一側(cè)設(shè)置有分束鏡(1)和角錐棱鏡(11)，大口徑長焦距平行光管(9)的另一側(cè)設(shè)置有全反鏡(8)；所述模擬回波發(fā)生器由光電轉(zhuǎn)換器( 、延時器C3)、光纖輸出激光器(4)、光纖(5)和電控光纖衰減器(6)組成；光電轉(zhuǎn)換器(2)和延時器(3)位于分束鏡⑴與光纖輸出激光器(4)之間，分束鏡(1)用于將由被測激光遙感儀器發(fā)出的脈沖激光分為兩部分， 并將其中一部分脈沖激光反射給光電轉(zhuǎn)換器O)；光電轉(zhuǎn)換器(2)用于將由分束鏡(1)反射的脈沖激光轉(zhuǎn)換為電信號；延時器(3)用于電信號的延時；光纖輸出激光器(4)用于將被延時后的電信號觸發(fā)后輸出脈沖激光，光纖輸出激光器(4)與光纖( 的一端連接，光纖 (5)的另一端位于大口徑長焦距平行光管(9)的另一側(cè)，光纖(5)另一端的端口位于大口徑長焦距平行光管(9)的焦平面上，并且固定在二維移動平臺(7)上；電控光纖衰減器(6) 設(shè)置在光纖( 上；光束質(zhì)量分析儀(10)的光敏面放置在大口徑長焦距平行光管(9)被全反鏡(8)反射的焦平面上。
2.利用權(quán)利要求1所述的雙軸激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)獲得被測激光遙感儀器探測能力的方法，其特征在于，包括以下操作步驟步驟1 被測激光遙感儀器發(fā)出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過分束鏡(1)被分為兩部分； 步驟2 其中一部分脈沖激光經(jīng)過大口徑長焦距平行光管(9)折射后進(jìn)入全反鏡(8)， 由全反鏡(8)反射后進(jìn)入光束質(zhì)量分析儀(10)光敏面上，形成發(fā)射激光光斑，光束質(zhì)量分析儀(10)采集該發(fā)射激光光斑獲取被測激光遙感儀器的遠(yuǎn)場光束質(zhì)量分布；步驟3 另一部分脈沖激光經(jīng)過分束鏡(1)的反射進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器( 轉(zhuǎn)換為電信號， 再經(jīng)過延時器C3)的延時后觸發(fā)光纖輸出激光器G)，光纖輸出激光器(4)通過光纖(5)由光纖(5)的另一端輸出經(jīng)過電控光纖衰減器(6)衰減后的脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過大口徑長焦距平行光管(9)變?yōu)槠叫泄?，其中一部分平行光?jīng)過角錐棱鏡(11)的180°反射后再通過大口徑長焦距平行光管(9)的透射和全反鏡(8)的反射后射向光束質(zhì)量分析儀(10) 的光敏面上，形成模擬回波光斑；而另一部分平行光作為遠(yuǎn)距離的模擬回波進(jìn)入被測激光遙感儀器并給出輸出信號；步驟4:通過光束質(zhì)量分析儀(10)比較發(fā)射激光光斑和模擬回波光斑的位置，調(diào)整被測激光遙感儀器和激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的相對位置，使得發(fā)射激光光斑和模擬回波光斑在光束質(zhì)量分析儀(10)上重合，實現(xiàn)被測激光遙感儀器與激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的光路對接；步驟5 待被測激光遙感儀器與激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的光路對接好后， 調(diào)整電控光纖衰減器(6)的衰減倍數(shù)，使被測激光遙感儀器的輸出信號達(dá)到探測極限，利用能量計檢測光纖輸出激光器(4)輸出能量值，并根據(jù)電控光纖衰減器(6)衰減倍數(shù)值獲取激光遙感儀器的最小可探測能量數(shù)值P in，根據(jù)公式(1)，得到被測激光遙感儀器的探測能力
3.利用權(quán)利要求1所述的雙軸激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)獲得被測激光遙感儀器幾何結(jié)構(gòu)因子的方法，其特征在于，包括以下操作步驟步驟1 被測激光遙感儀器發(fā)出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過分束鏡(1)被分為兩部分； 步驟2 其中一部分脈沖激光經(jīng)過大口徑長焦距平行光管(9)折射后進(jìn)入全反鏡(8)， 由全反鏡(8)反射后進(jìn)入光束質(zhì)量分析儀(10)光敏面上，形成發(fā)射激光光斑，光束質(zhì)量分析儀(10)采集該發(fā)射激光光斑獲取被測激光遙感儀器的遠(yuǎn)場光束質(zhì)量分布；步驟3 另一部分脈沖激光經(jīng)過分束鏡(1)的反射進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器( 轉(zhuǎn)換為電信號， 再經(jīng)過延時器C3)的延時后觸發(fā)光纖輸出激光器，光纖輸出激光器(4)通過光纖(5)由光纖(5)的另一端輸出經(jīng)過電控光纖衰減器(6)衰減后的脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過大口徑長焦距平行光管(9)變?yōu)槠叫泄猓渲幸徊糠制叫泄饨?jīng)過角錐棱鏡(11)的180°反射后再通過大口徑長焦距平行光管(9)的透射和全反鏡(8)的反射后射向光束質(zhì)量分析儀(10) 的光敏面上，形成模擬回波光斑；而另一部分平行光作為遠(yuǎn)距離的模擬回波進(jìn)入被測激光遙感儀器并給出輸出信號；步驟4:通過光束質(zhì)量分析儀(10)比較發(fā)射激光光斑和模擬回波光斑的位置，調(diào)整被測激光遙感儀器和激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的相對位置，使得發(fā)射激光光斑和模擬回波光斑在光束質(zhì)量分析儀(10)上重合，實現(xiàn)激光遙感儀器與激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)的光路對接；步驟5:利用二維移動平臺(7)記錄被測激光遙感儀器和激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)對接時光纖( 另一端端面的位置，記錄為(Lc^O)；通過二維移動平臺(7)控制光纖( 另一端端面在長焦距大口徑平行光管(9)焦平面上水平移動，同時監(jiān)測被測激光遙感儀器輸出信號情況，記錄激光遙感儀器輸出信號變?yōu)榕R界點時二維移動平臺(7)的位置，二維移動平臺(7)的移動位置相對于(Lc^O)其二維移動位置記為(LyO)和(LK，0)；通過二維移動平臺(7)控制光纖( 另一端端面在長焦距大口徑平行光管(9)焦平面上豎直移動，同時監(jiān)測被測激光遙感儀器輸出信號情況，記錄激光遙感儀器輸出信號變?yōu)榕R界點時二維移動平臺(7)的位置，二維移動平臺(7)的移動位置相對于(Lc^O)其二維移動位置記為(Lu,0)和(Ld，0)；根據(jù)公式(2)得到激光遙感儀器幾何結(jié)構(gòu)因子，也稱幾何重疊因子(2)式中，f為大口徑長焦距平行光管(9)的焦距，S1為被測試激光遙感儀器在水平方向上的幾何結(jié)構(gòu)因子，S 2為被測試激光遙感儀器在豎直方向上的幾何結(jié)構(gòu)因子。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙軸激光遙感儀器地面檢測與定標(biāo)系統(tǒng)，包括模擬回波發(fā)生器、二維移動平臺、大口徑長焦距平行光管和光束質(zhì)量分析儀；大口徑長焦距平行光管的一側(cè)設(shè)置有分束鏡和角錐棱鏡，另一側(cè)設(shè)置有全反鏡；模擬回波發(fā)生器由光電轉(zhuǎn)換器、延時器、光纖輸出激光器、光纖和電控光纖衰減器組成；光纖輸出激光器與光纖的一端連接，光纖的另一端位于大口徑長焦距平行光管的另一側(cè)，光纖另一端的端口位于大口徑長焦距平行光管的焦平面上，并固定在二維移動平臺上。本發(fā)明檢測與定標(biāo)系統(tǒng)能夠獲取被測主被動激光遙感儀器的遠(yuǎn)場光束質(zhì)量分布和探測能力，并且能夠獲取被測主被動激光遙感儀器的幾何結(jié)構(gòu)因子。
文檔編號G01S7/497GK102508225SQ201110334699
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者華燈鑫, 狄慧鴿 申請人:西安理工大學(xué)