專利名稱：：激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置的制作方法
技術領域：
：本發明與激光雷達有關，是一種在自由空間激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，主要用于激光雷達信號的空間遠場來回雙程傳輸性能的檢測和測距性能的檢測。
背景技術：
：激光雷達因其極高的頻域、空域和時域分辨率而在目標探測、跟蹤、瞄準和成像識別等方面得到越來越廣泛的應用。激光雷達與探測目標之間通常涉及數十米至數千公里甚至更遠距離的光波的傳輸，因此對于遠距離探測目標來說不可能在遠距離上直接完成激光雷達整個系統或分系統的檢測和驗證，特別是在航天和航空應用時，更不可能實地進行檢測。因此，必須發展在地面或者實驗室模擬空間遠場傳輸的光學裝置以及相應的測距性能檢測設備。對于自由空間激光遠場傳輸的地面模擬通常可以采用半物理半仿真或全物理仿真的方法。全物理模擬仿真的方法是地面實驗室檢測驗證平臺首選的方法，它不需要額外假設任何參數即可在實驗室內對發射信號的空間遠場傳輸性能進行檢測。由傅立葉光學可知，光學透鏡的傅立葉變換可以實現光束近場分布到遠場分布的轉換。在國際上，日本考慮了采用長焦距透鏡和有限孔徑空間濾波的方法來實現光束的較遠距離傳輸模擬(參見[1]K.Inagaki，M.Nohara,K.Araki，etal.，"Free-spacesimulatorforlasertransmission,"Proc.SPIE，Vol,1417，pp.160~169，1991.)它們設計和研制了17.5m焦距的平行光管，只是模擬了最大為50公里的傳輸距離。L.Wan等人(參見[2]L.Wan,L.Liu,M.Zhang,etal.,"Anopticalsimulatorforfree-spacelaserlong-distancepropagation",Proc.SPIE,Vol.5550,pp.399-404，2004.)根據光學透鏡的傅立葉變換性質，提出了采用光學傅立葉變換加級聯光學成像放大，并結合有限口徑比例接收的方法來實現自由空間激光光束遠距離傳輸的實驗室模擬，最大等效傳輸距離達2.4X10S公里。該模擬裝置雖然對衛星之間激光通信中信號遠距離傳輸性能可以進行全物理的實驗室模擬，但是對于激光雷達信號的雙程傳輸來講，該裝置只能模擬激光雷達信號空間遠距離的單程傳播，必須再附加雷達方程估算和實驗模擬分析等手段才能半物理半仿真的模擬激光雷達雙程遠距離傳輸的性能。美國麻省理工學院林肯實驗室的AROSTF激光雷達檢測驗證平臺(參見[3]L.A.Jiang,D.R.Schue,D.C.Harrison,etal.，"ActiverangeoftheOpticalSystemsTestFacilityatMITLincolnLaboratory",Proc.SP正，Vol.6214,pp.62140Q,2006.)采用的方法是目標的照明是在激光發射的近場，用發射光束直接照明100米距離處直徑lm的目標。遠場仿真器由口徑lm焦距20m的望遠鏡，變焦鏡和空間濾波器構成，接收系統處于遠場。其空間遠場傳輸性能檢測采用近場聯合遠場模擬的方式完成，不能真實模擬激光雷達中的光束雙程遠場傳輸。總之，在地面實驗室內對激光雷達的空間遠場傳輸性能進行遠場發射和遠場接收的全物理仿真的模擬裝置至今還未見報道。
發明內容本發明的目的在于提供一種激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，它基于光學傅立葉變換和光學成像放大的原理實現光束的近場分布向遠場分布的轉換，在焦面上放置小孔濾波器實現光束傳輸距離的比例縮小，由此解決在地面實驗室內直接實現激光雷達的空間遠場雙程傳輸性能和測距性能的檢測和驗證問題。本發明的模擬方案屬于全物理仿真，而且結構簡單，原理可靠。本發明的具體技術解決方案如下一種激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，其構成包括沿光束方向依次的被測激光雷達、第一光束傳輸模擬器、散射屏、第二光束傳輸模擬器、衰減器、變焦會聚透鏡和光電探測器。所述的第一光束傳輸模擬器由第一傅立葉變換透鏡、第一成像放大器、第一透反鏡、第二透反鏡和第一孔徑光闌構成，第一孔徑光闌位于第一成像放大器的像面。在所述的第二透反鏡的橫向設有目標反射噪聲發生器及目標反射噪聲變換光學系統。所述的第二光束傳輸模擬器由第二傅立葉變換透鏡、第二成像放大器、第三透反鏡和第二孔徑光闌構成，第二孔徑光闌位于第二成像放大器的像面。在所述的第三透反鏡的橫向還設有背景噪聲發生器及背景噪聲變換光學系統。所述的散射屏用來模擬被探測目標，對于合作目標可以用角反射鏡，對于非合作目標可以采用目標實物表面，也可以采用標準朗伯反射體；所述的第一傅立葉變換透鏡和第二傅立葉變換透鏡都為長焦距大口徑傅立葉變換平行光管；所述的成像放大器由N級成像放大透鏡組構成，其中iV20，成像放大倍數/,=MxM)2x…似w，其中Mu,M12，...，Mw分別為第一級，第二級，…，第N級成像放大透鏡組的放大倍率，A^0說明無放大透鏡，光束等比例直接通過。本發明的技術效果本發明通過光學傅立葉變換加級聯光學成像放大的方法，結合小孔比例縮小，再采用模擬目標反射的散射屏，設計了等效于空間遠場雙程傳播和目標反射的實驗室檢測模擬裝置，它測量的光信號是在能夠真正與激光雷達光傳輸相比擬的數量級上進行模擬測量的，整個裝置的總長度大約為幾十米，模擬實驗可在實驗室內完成。另外本發明的激光雷達遠場光傳輸模擬和測距性能檢測裝置還加入了目標反射噪聲源和背景噪聲源，目標反射噪聲源模擬探測目標對太陽光或其他星體輻射光的反射產生的干擾信號對激光雷達光傳輸性能的影響，背景噪聲源模擬地面的雜波信號、太陽光或來自其他星體的干擾信號對激光雷達光傳輸性能的影響。由于附加了噪聲發生器，因此可以模擬真實情況下激光雷達對目標探測的信噪比，還可以檢驗其測距性能。圖1為本發明的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置的結構框圖。圖2為本發明實施例中具有三級放大的成像放大器結構示意圖。圖中1-被測激光雷達，2-第一傅立葉變換透鏡，3-第一成像放大器，4-第一透反鏡，5-第二透反鏡，6-目標反射噪聲發生器，7-目標噪聲變換光學系統，8-第一孔徑光闌，9-散射屏，10-第二傅立葉變換透鏡，11-第二成像放大器，12-第三透反鏡，13-背景噪聲發生器，14-背景噪聲變換光學系統，15-第二孔徑光闌，16-衰減器，17-變焦會聚透鏡，18-光電探測器，19-小孔光闌，20-變焦會聚透鏡。具體實施方式下面結合實施例和附圖對本發明的激光雷達雙程光傳輸模擬和測距性能檢測裝置作進一歩說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1為本發明的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置的一個實施例的結構框圖。由圖可見，本發明實施例激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，其特征在于沿光束方向它的構成依次包括被測激光雷達1、第一傅立葉變換透鏡2、第一成像放大器3、第一透反鏡4、第二透反鏡5、第一孔徑光闌8、散射屏9、第二傅立葉變換透鏡IO、第二成像放大器ll、第三透反鏡12、第二孔徑光闌15、衰減器16、變焦會聚透鏡17和光電探測器18，在第二透反鏡5的橫向設有目標反射噪聲發生器6及其目標射噪聲變換光學系統7，在第三透反鏡12的橫向還設有背景噪聲發生器13及其背景噪聲變換光學系統14。所述的第一傅立葉變換透鏡2、第一成像放大器3、第一透反鏡4、第二透反鏡5和第一孔徑光闌8構成第一光束傳輸模擬器，第一孔徑光闌8位于第一成像^[大器3的像面。所述的第二傅立葉變換透鏡10、第二成像放大器11、第三透反鏡12、第二孔徑光闌15構成第二光束傳輸模擬器，第二孔徑光闌15位于第二成像放大器11的像面。所述的第一傅立葉變換透鏡2和第二傅立葉變換透鏡10都為長焦距大口徑傅立葉變換平行光管；所述的第一成像放大器3由N級成像放大透鏡組構成，iV》0，成像放大倍數/,二MuxMpX…Mw，其中Mu，Ml2，...，Muv分別為第一級，第二級，...，第N級成像放大透鏡組的放大倍率，所述的第二成像放大器11由N級成像放大透鏡組構成，成像放大倍數A=M21xM22x—M27V，其中M21，M22，...，MM分別為第一級，第二級，...，第N級成像放大透鏡組的放大倍率，W二O說明無放大透鏡，光束等比例直接通過。本發明的工作過程大致是-被測激光雷達1發射的激光光束先通過第一傅立葉變換透鏡2，在焦面上形成遠場光斑，其再通過第一成像放大器3進行放大，光束再通過第一透反鏡4和第二透反鏡5，進入第一孔徑光闌8，第一成像放大器3的像面在第一孔徑光闌8處，然后被散射屏9反射，再通過第二透反鏡5，被第一透反鏡4反射后，進入第二傅立葉變換透鏡10，在焦面上產生遠場分布光斑，其后再通過第二成像放大器11和第三透反鏡12，第二成像放大器11的像面在第二孔徑光闌15處，再由衰減器16衰減后，經變焦會聚透鏡17抵達光電探測器18。此外，考慮到激光雷達的探測目標和接收系統有時要受到來自太陽光或其他星體輻射光、大氣效應和地面雜波的干擾，本實施例的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置中加入了目標反射噪聲發生器6和背景噪聲發生器13。目標發射噪聲發生器6發出的噪聲信號通過其目標噪聲變換光學系統7入射到第二透反鏡5上，散射屏9對噪聲信號和雷達信號反射，反射后的光束通過第二透反鏡5，再由第一透反鏡4反射后，進入第二傅立葉變換透鏡10。背景噪聲發生器13發出的噪聲通過其背景噪聲變換光學系統14，經第三透反鏡12反射后和第一成像放大器11輸出的信號合束后，進入第二孔徑光闌15和衰減器16后，經變焦會聚透鏡17聚焦后，由光電探測器18接收。假設被測激光雷達1發射的激光光束的復振幅為e,(x。,j。)，波長為義。發射光束通過第一傅立葉變換透鏡2，光束在透鏡后焦面上的光強分布/|,^，;;)為，.2;r,、乂/i其中力為第一傅立葉變換透鏡2的焦距。將此遠場分布波面通過第一成像放大器3進行放大，假設放大倍率為a，想情況下，放大像面的光強分布/,J;c，力為，(1)在理<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)令尸,=/;a，則F,即為第一級光束產生模擬裝置的等效焦距。因此遠場光斑直徑的尺寸為，a考,，(3)其中e,為被測激光雷達i發射光束的發散角。設目標有效面積的等同直徑為^，則第一孔徑光闌8處光束的直徑^滿足1=4(4)其中為激光雷達與探測目標的真實距離。假設散射屏9反射光束的光場復振幅為e2(x。，少。)，通過第二傅立葉變換透鏡10，光束在透鏡后焦面上的光強分布/2,(x，力為，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中/2為第二傅立葉變換透鏡10的焦距。將此遠場分布波面通過第二成像放大器11進行放大，假設放大倍率為A，在理想情況下，放大像面的光強分布/^(X，力為，Jje2(x0,y0)exp々2A(6)令尸2=/2A，則《即為第二級光束產生模擬裝置的等效焦距。設激光雷達接收孔徑直徑為A，則第二孔徑光闌15直徑^滿足關系式尸，(7)假設發射光學系統總透過率為A，接收光學系統總透過率為A，衰減器透過率為，則整個測試系統的總透過率為，r=.(8)在測試中可以應用r來校正和補償測量結果。設計測量裝置中各器件時，需要注意器件的光學參數應滿足一定的物理和實際條件。在遠距離探測時，激光雷達發射系統輸出光束的發散角一般較小，通常為數微弧度至幾毫弧度。被測激光雷達i發射光束的口徑通常在幾十毫米到幾百毫米。根據實際需要，位于目標散射屏9前面的第一孔徑光闌8的口徑約為幾厘米，第二孔徑光闌15的口徑約為幾毫米。在設計透鏡的口徑時，要考慮到成像光斑對透鏡尺寸的要求。確定透鏡口徑時可由簡單的幾何知識，按照成像比例關系由前一級放大的光斑傳播到后一級透鏡處的有效口徑來確定后一級透鏡的口徑。下面通過實施例對本發明作進一步說明。假設星載激光雷達探測目標高度為500km，發射和接收望遠鏡口徑^250mm，發射視場10prad。目標散射屏9為鍍氧化鎂的標準朗伯反射體，面積尺寸為02m，反射率為96%，第一傅立葉變換透鏡2的口徑c))300mm，焦距為10m，第二傅立葉變換透鏡10的口徑小150mm，焦距為10m，第一成像放大器3和第二成像放大器9均為三級成像放大器，其結構完全相同，單級放大倍率為IO，圖2即為三級成像放大器的示意圖，所有的單級成像放大器均滿足口徑關系。則第一光束傳輸模擬器和第二光束傳輸模擬器的等效焦距都為10km。根據方程(4)和(7)式計算得到第一孔徑光闌7的口徑(()40mm，第二孔徑光闌14的口徑(()5mm。表1列出本發明激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置實施例的有關參數的具體數據<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>當然本發明中各個光學器件的尺寸、傅立葉變換透鏡的焦距以及成像放大器的放大級次等都是可以根據需要調節或更換的。權利要求1、一種激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，特征在于其構成包括沿光束方向依次的被測激光雷達、第一光束傳輸模擬器、散射屏、第二光束傳輸模擬器、衰減器、變焦會聚透鏡和光電探測器。2、根據權利要求l所述的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，其特征在于所述的光束傳輸模擬器由第一傅立葉變換透鏡、第一成像放大器、第一透反鏡、第二透反鏡和第一孔徑光闌構成，第一孔徑光闌位于第一成像放大器的像面。3、根據權利要求2所述的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，其特征是在所述的第二透反鏡的橫向設有目標反射噪聲發生器及目標反射噪聲變換光學系統。4、根據權利要求l所述的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，其特征在于所述的第二光束傳輸模擬器由第二傅立葉變換透鏡、第二成像放大器、第三透反鏡和第二孔徑光闌構成，第二孔徑光闌位于第二成像放大器的像面。5、根據權利要求4所述的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，其特征是在第三透反鏡的橫向還設有背景噪聲發生器及背景噪聲變換光學系統。6、根據權利要求1所述的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，其特征在于所述的散射屏用來模擬被探測目標，為角反射鏡，或目標實物表面，或標準朗伯反射體。7、根據權利要求l所述的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，其特征在于所述的第一傅立葉變換透鏡和第二傅立葉變換透鏡都為長焦距大口徑傅立葉變換平行光管。8、根據權利要求1所述的激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，其特征在于所述的成像放大器由N級成像放大透鏡組構成，其中iV》0,成像放大倍數A二il^xA^x…A^w，其中Mu,M12，...，Mw分別為第一級，第二級，...，第N級成像放大透鏡組的放大倍率，iV二O說明無放大透鏡，光束等比例直接通過。全文摘要一種激光雷達雙程光傳輸模擬與測距性能檢測裝置，主要用于激光雷達信號的空間遠場來回雙程傳輸性能和測距性能的檢測。該裝置包括沿光束方向依次的被測激光雷達、第一光束傳輸模擬器、散射屏、第二光束傳輸模擬器、衰減器、變焦會聚透鏡和光電探測器。本發明裝置總長度約為幾十米，模擬實驗可在實驗室內完成。本發明結構簡單，原理可靠。文檔編號G01S17/08GK101131430SQ200710046880公開日2008年2月27日申請日期2007年10月10日優先權日2007年10月10日發明者劉德安,劉立人,煜周,孫建鋒,竹欒,王利娟,閆愛民申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所