[發(fā)明專利]細(xì)分視場(chǎng)光學(xué)效率可控制的光學(xué)接收裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910660704.4
• 申請(qǐng)日: 2019-07-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110441754B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳勇強(qiáng);賀巖;胡善江;侯春鶴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G01S7/481
• 分類號(hào): G01S7/481
• 代理公司: 上海恒慧知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種細(xì)分視場(chǎng)光學(xué)效率可控制的光學(xué)接收裝置，包括接收主透鏡、DMD、光吸收體、準(zhǔn)直透鏡、窄帶濾光片、聚焦透鏡、探測(cè)器、DMD驅(qū)動(dòng)控制模塊。本發(fā)明可以使中心小視場(chǎng)強(qiáng)接收光被衰減，保證邊緣大視場(chǎng)較弱的接收光被高靈敏度探測(cè)器接收，有效克服了激光雷達(dá)對(duì)強(qiáng)散射介質(zhì)測(cè)量時(shí)存在的中心視場(chǎng)信號(hào)飽和問(wèn)題，在保證邊緣大視場(chǎng)接收光光學(xué)效率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心小視場(chǎng)接收光的衰減，可以有效提高激光雷達(dá)系統(tǒng)在水、霧等強(qiáng)散射介質(zhì)中的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光雷達(dá)海洋探測(cè)領(lǐng)域，特別是一種細(xì)分視場(chǎng)光學(xué)效率可控制的光學(xué)接收裝置，該裝置利用DMD驅(qū)動(dòng)控制模塊控制DMD不同區(qū)域微鏡單元開(kāi)關(guān)數(shù)量的比例，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同視場(chǎng)角接收光光學(xué)效率的可編程控制。在保證邊緣大視場(chǎng)接收光光學(xué)效率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心小視場(chǎng)接收光的衰減，可以有效提高激光雷達(dá)系統(tǒng)在水、霧等強(qiáng)散射介質(zhì)中的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。

背景技術(shù)

激光雷達(dá)在水、霧等強(qiáng)散射介質(zhì)中進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，由于強(qiáng)散射介質(zhì)導(dǎo)致的強(qiáng)衰減，目標(biāo)回波信號(hào)的距離衰減要比在常規(guī)大氣中的衰減嚴(yán)重得多，因此，會(huì)對(duì)激光雷達(dá)的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍提出更高的要求。目前常用的提升激光雷達(dá)在強(qiáng)散射介質(zhì)中探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的方式主要有固定比例分通道技術(shù)、對(duì)數(shù)放大技術(shù)、偏振技術(shù)、距離選通、自動(dòng)增益控制和光學(xué)分視場(chǎng)技術(shù)。

固定比例分通道技術(shù)是在接收光路上安裝固定比例的分光片，分光少的通道用于近距離強(qiáng)回波信號(hào)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)近距離強(qiáng)回波信號(hào)光的衰減，分光多的通道用于遠(yuǎn)距離弱回波信號(hào)測(cè)量，保證對(duì)遠(yuǎn)距離弱回波信號(hào)的光透過(guò)率。該技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟，雖然能夠擴(kuò)展激光雷達(dá)的動(dòng)態(tài)范圍，但是分光多的通道仍然會(huì)收到近距離強(qiáng)回波信號(hào)而導(dǎo)致飽和，一定程度上影響該通道探測(cè)器對(duì)遠(yuǎn)距離弱回波信號(hào)的探測(cè)靈敏度和穩(wěn)定性。

對(duì)數(shù)放大技術(shù)是在探測(cè)電路上使用對(duì)數(shù)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮，該技術(shù)能夠有效擴(kuò)展激光雷達(dá)系統(tǒng)后端采集電路的動(dòng)態(tài)范圍，但是，無(wú)法解決近距離強(qiáng)回波信號(hào)導(dǎo)致的探測(cè)器飽和問(wèn)題。

偏振技術(shù)是采用光學(xué)偏振接收方法通過(guò)控制系統(tǒng)的透過(guò)率，實(shí)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)強(qiáng)后向散射光的衰減保證大部分弱信號(hào)光的透過(guò)率進(jìn)而壓縮激光雷達(dá)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。但此方法不能提高激光雷達(dá)在強(qiáng)散射介質(zhì)中對(duì)硬目標(biāo)探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。

距離選通技術(shù)利用不同距離的回波信號(hào)到達(dá)激光雷達(dá)探測(cè)器的時(shí)間差，通過(guò)門控信號(hào)控制接收器選通門開(kāi)啟和持續(xù)時(shí)間將遠(yuǎn)、近場(chǎng)回波信號(hào)區(qū)別開(kāi)。改變選通門開(kāi)啟和持續(xù)時(shí)間的參數(shù)可對(duì)不同距離的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的拓展。但此方法對(duì)門控時(shí)間精度的準(zhǔn)確性要求較高且需要進(jìn)行多次探測(cè)以滿足回波信號(hào)的時(shí)間連續(xù)性不適合快速探測(cè)的應(yīng)用。

自動(dòng)增益控制技術(shù)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)控制接收回波信號(hào)的增益，使得對(duì)于不同距離的回波信號(hào)探測(cè)器靈敏度不同。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在激光三維成像和大氣探測(cè)激光雷達(dá)中，但是在強(qiáng)散射介質(zhì)中，增益曲線的上升時(shí)間達(dá)到百納秒，這么高速的增益變化會(huì)對(duì)探測(cè)器放大電路引入較高的噪聲，影響輸出的放大穩(wěn)定性。

采用光學(xué)分視場(chǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展，又保證兩個(gè)通道信號(hào)在時(shí)間和強(qiáng)度上的完整性和穩(wěn)定性，但是，光學(xué)分視場(chǎng)具有固定的分配比例，難以適用于不同散射強(qiáng)度的多種強(qiáng)散射介質(zhì)的探測(cè)，因此，對(duì)于當(dāng)前在多種強(qiáng)散射介質(zhì)中使用的激光雷達(dá)，探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍仍然是一個(gè)需要解決和優(yōu)化的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決激光雷達(dá)對(duì)水、霧等多種強(qiáng)散射介質(zhì)探測(cè)時(shí)面臨的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍不足問(wèn)題，提供一種細(xì)分視場(chǎng)光學(xué)效率可控制的光學(xué)接收裝置，該裝置利用數(shù)字微鏡器件(DMD)微鏡單元的工作特性，通過(guò)控制不同區(qū)域微鏡單元開(kāi)關(guān)數(shù)量的比例，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同視場(chǎng)角接收光光學(xué)效率的可編程控制。可以有效提高激光雷達(dá)系統(tǒng)在水、霧等多種強(qiáng)散射介質(zhì)中的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。

本發(fā)明的工作原理：

激光在強(qiáng)散射介質(zhì)中傳播，其光斑直徑會(huì)隨傳播距離而迅速增大，在較短的距離上形成較大的視場(chǎng)變化和散射信號(hào)強(qiáng)度變化，其形成的散射光回波信號(hào)具有如下特點(diǎn)：