一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法及装置。本方法和装置利用卤钨灯和光栅单色仪，输出波长和强度精确可调的测试光信号，从波长和强度两方面，模拟激光雷达实际接收的回波信号；利用光栅单色仪输出的测试光信号，以及硅和铟镓砷两种标准探测器组合，同时测量激光雷达光电探测系统的光学透过率、输入光强‑输出电压响应曲线，以及线性响应范围等性能指标。相关测试结果可以用来辅助激光雷达光电探测系统的参数设计，提升激光雷达光电探测系统的装校质量，以及保障激光雷达使用过程中测量数据的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法及装置
本专利技术属于大气和环境激光遥感测量
，具体涉及一种激光雷达光电探测系统设计和生产过程中的性能测试方法和装置。
技术介绍
激光雷达是一种重要的主动遥感仪器，主要用于大气环境成分及其参数的测量。随着国内对大气环境监测工作的日益重视，激光雷达的应用呈激增态势，市场对激光雷达产品的研发力度和产能要求也不断提高。光电探测系统是激光雷达的重要组成部分，激光雷达通过光电探测系统，接收并处理大气回波信号。光电探测系统属于复杂精密光电设备，光电探测系统光学透过率、输入-输出响应曲线和线性响应范围，是衡量光电探测系统性能的重要指标。其中，光学透过率是指光电探测系统的光学出射光通量与入射光通量的比值，准确的测量光学透过率，关系到能否准确分析系统的参数设计和光学器件的装校质量；输入-输出响应曲线指的是光电探测系统的输入光强同输出电压之间的响应曲线，准确的测量响应曲线，关系到能否定量化掌握光电探测系统的光电探测性能；线性响应范围指的是光电探测系统对输入信号检测的保真度，准确的测量线性响应范围，可以分析激光雷达探测数据的可信程度。目前，除极少数用于卫星平台的星载激光雷达外，绝大多数激光雷达出厂时，没有实测过光电探测系统光学透过率、输入光强-输出电压响应曲线，以及信号的线性响应范围。由此带来的问题是：在激光雷达的生产过程中，由于不能实时掌握光电探测系统的光学透过率和响应曲线，导致测试人员无法及时掌握光电探测系统的装校和调试质量，影响了激光雷达的生产效率；在激光雷达的使用过程中，由于不知道光电探测系统的线性响应范围，导致用户无法准确分析光电探测系统的有效探测能力，影响了激光雷达观测数据的质量。引发上述问题的主要原因在于，开发通用的激光雷达光电探测系统探测性能测试装置较为困难。具体体现在：首先，激光雷达工作波段跨度广，通常从近紫外跨度到近红外波段；其次，激光雷达回波光强动态范围跨度范围大，通常可达5个数量级；最后，激光雷达光电探测系统通常具备多个接收通道，各通道使用的器件种类复杂。以上客观因素的存在，导致研制通用的激光雷达光电探测系统性能测量装置，存在一定的技术难度。现有的光电探测系统的性能测试方法，通常使用激光光源作为信标光，用于装校过程中光路的准直和光学透过率的测试，在使用过程中，作为信标光的激光波长和强度无法及时调节，无法实现不同波长、不同输入光强、以及不同探测器增益条件下光电探测系统的响应曲线和线性响应范围测试，因此现有测试方法的通用性较差。
技术实现思路
本专利技术提供一种激光雷达光电探测系统性能测试方法和装置，具体要解决的问题包括：解决测试波段的通用性要求；解决测试光强的大范围调节要求；解决宽波段信号探测的响应曲线和线性响应范围的标定要求。本专利技术的目的，通过下述技术方案实现：一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，包括以下步骤：步骤1：利用卤钨灯作为宽光谱复合光源，输出波段覆盖近紫外至近红外波长的测试光信号；通过稳流电源控制卤钨灯电流，实现测试光信号光强的精确调整和稳定输出；利用卤钨灯输出的宽光谱光源，按照激光雷达光电探测系统的工作波长，通过光栅单色仪输出特定波长和强度的测试光信号，作为激光雷达光电探测系统的输入光信号；通过标准探测器，测量出输入光信号的强度大小；步骤2：在激光雷达光电探测系统光学装校前，首先完成激光雷达光电探测系统探测器即被测探测器的响应曲线和线性响应范围的标定；以标准探测器的响应曲线为基准，采用传递定标法，得到被测探测器的响应曲线和线性响应范围；被测探测器标定完成后，将被测探测器安装于激光雷达光电探测系统相应的探测通道上；步骤3：通过光学耦合器，将光栅单色仪输出的测试光信号，耦合进入激光雷达光电探测系统光路中；通过稳流电源调整测试光信号的强度，利用数据采集器采集被测探测器输出的电信号，得到激光雷达光电探测系统的输入光强-输出电压响应曲线，对输入光强-输出电压响应曲线进行拟合，分析拟合数据的线性分布区间范围，得到激光雷达光电探测系统的线性响应范围；步骤4：利用已定标的被测探测器响应曲线，根据激光雷达光电探测系统输出的电压值，可以推算出到达被测探测器靶面的光强也即光电探测系统接收光路的出射端口，结合已知的激光雷达光电探测系统接收光路入射端口的光强，可以计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；步骤5：根据激光雷达光电探测系统所用光学器件的出厂测试参数，理论计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；将光学透过率的理论值，同步骤4中得到的实测值相比较，可以分析激光雷达光电探测系统参数设计的合理性，以及激光雷达光电探测系统的光学装校质量。其中，所述的激光雷达光电探测系统由接收光路、信号检测和箱体机械结构三个单元组成，各单元集成安装于光电探测系统箱体中，激光雷达光电探测系统箱体通过机械法兰，同激光雷达接收望远镜连接。其中，为保障测试光信号强度的稳定性，所述卤钨灯光源及其稳流电源，输出测试光信号光强的不稳定度小于0.2％/2h；测试光信号经光栅单色仪后的输出光强，最弱要求达到1nW，最强要求达到10000nW，用以模拟激光雷达实际接收到的回波信号强度范围；其中，所述光栅单色仪的波长分辨率和波长准确度，需要匹配激光雷达光电探测系统的设计光学接收带宽。其中，所述的光学耦合器，由两级孔径光阑和长焦距准直透镜组成；在步骤3实施前，需要根据激光雷达光电探测系统接收光路的入射波长、发散角和通光孔径等的要求，匹配设计光阑孔径和长焦距透镜，使光栅单色仪的输出端和激光雷达光电探测系统的输入端之间实现高效的光耦合。其中，所述的标准探测器，使用硅和铟镓砷两种类型的标准探测器，通过两者的组合，覆盖探测波段分布在近紫外至近红外之间的被测探测器的标定，以及光电探测系统的标定。一种激光雷达光电探测系统探测性能测试装置，包括卤钨灯光源及其稳流电源、光栅单色仪、光学耦合器、标准探测器、被测光电探测系统及其箱体、数据采集器、控制计算机，以及测量暗室；利用稳流电源控制下的卤钨灯，产生强度可调的宽光谱测试光信号，利用光栅单色仪选择所需的测试波长；将被测探测器以及标准探测器固定在电动位移台上，使用标准探测器，采用传递定标法，通过数据采集器采集探测器输出的电信号，完成被测探测器的标定；最后，通过光学耦合器，将光栅单色仪输出的光信号耦合进入激光雷达光电探测系统，实现激光雷达光电探测系统接收光路光学透过率、输入光强-输出电压响应曲线和线性响应范围的标定；整个测量过程均在测量暗室中进行，避免杂散光的干扰；测量过程中，光电探测系统探测性能测试装置的输出光强控制、波长选择以及采集信号的处理，均通过控制计算机完成，装置的自动化程度较高。根据光电探测系统的设计工作波长，利用卤钨灯和光栅单色仪的输出测试光信号，模拟光电探测系统接收光信号的波长和强度；以标准探测器响应曲线为基准，采用传递定标法，完成被测探测器响应曲线的标定；通过两级孔径光阑和长焦距耦合透镜，实现光栅单色仪同光电探测系统之间的光耦合；利用已知强度和波长的入射光，以及标定后的被测探测器，得到光电探测系统各通道接收光路的光学透过率，以及输入光强-输出电压之间的响应曲线和线性响应范围。本方法利用同一套装置，同时实现了光电探测系统光学透过率、输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用卤钨灯作为宽光谱复合光源，输出波段覆盖近紫外至近红外波长的测试光信号；通过稳流电源控制卤钨灯电流，实现测试光信号光强的精确调整和稳定输出；利用卤钨灯输出的宽光谱光源，按照激光雷达光电探测系统的工作波长，通过光栅单色仪输出特定波长和强度的测试光信号，作为激光雷达光电探测系统的输入光信号；通过标准探测器，测量出输入光信号的强度大小；步骤2：在激光雷达光电探测系统光学装校前，首先完成激光雷达光电探测系统探测器即被测探测器的响应曲线和线性响应范围的标定；以标准探测器的响应曲线为基准，采用传递定标法，得到被测探测器的响应曲线和线性响应范围；被测探测器标定完成后，将被测探测器安装于激光雷达光电探测系统相应的探测通道上；步骤3：通过光学耦合器，将光栅单色仪输出的测试光信号，耦合进入激光雷达光电探测系统光路中；通过稳流电源调整测试光信号的强度，利用数据采集器采集被测探测器输出的电信号，得到激光雷达光电探测系统的输入光强‑输出电压响应曲线，对输入光强‑输出电压响应曲线进行拟合，分析拟合数据的线性分布区间范围，得到激光雷达光电探测系统的线性响应范围；步骤4：利用已定标的被测探测器响应曲线，根据激光雷达光电探测系统输出的电压值，可以推算出到达被测探测器靶面的光强也即光电探测系统接收光路的出射端口，结合已知的激光雷达光电探测系统接收光路入射端口的光强，可以计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；步骤5：根据激光雷达光电探测系统所用光学器件的出厂测试参数，理论计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；将光学透过率的理论值，同步骤4中得到的实测值相比较，可以分析激光雷达光电探测系统参数设计的合理性，以及激光雷达光电探测系统的光学装校质量。...

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用卤钨灯作为宽光谱复合光源，输出波段覆盖近紫外至近红外波长的测试光信号；通过稳流电源控制卤钨灯电流，实现测试光信号光强的精确调整和稳定输出；利用卤钨灯输出的宽光谱光源，按照激光雷达光电探测系统的工作波长，通过光栅单色仪输出特定波长和强度的测试光信号，作为激光雷达光电探测系统的输入光信号；通过标准探测器，测量出输入光信号的强度大小；步骤2：在激光雷达光电探测系统光学装校前，首先完成激光雷达光电探测系统探测器即被测探测器的响应曲线和线性响应范围的标定；以标准探测器的响应曲线为基准，采用传递定标法，得到被测探测器的响应曲线和线性响应范围；被测探测器标定完成后，将被测探测器安装于激光雷达光电探测系统相应的探测通道上；步骤3：通过光学耦合器，将光栅单色仪输出的测试光信号，耦合进入激光雷达光电探测系统光路中；通过稳流电源调整测试光信号的强度，利用数据采集器采集被测探测器输出的电信号，得到激光雷达光电探测系统的输入光强-输出电压响应曲线，对输入光强-输出电压响应曲线进行拟合，分析拟合数据的线性分布区间范围，得到激光雷达光电探测系统的线性响应范围；步骤4：利用已定标的被测探测器响应曲线，根据激光雷达光电探测系统输出的电压值，可以推算出到达被测探测器靶面的光强也即光电探测系统接收光路的出射端口，结合已知的激光雷达光电探测系统接收光路入射端口的光强，可以计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；步骤5：根据激光雷达光电探测系统所用光学器件的出厂测试参数，理论计算得到激光雷达光电探测系统接收光路的光学透过率；将光学透过率的理论值，同步骤4中得到的实测值相比较，可以分析激光雷达光电探测系统参数设计的合理性，以及激光雷达光电探测系统的光学装校质量。2.根据权利要求1所述的一种激光雷达光电探测系统探测性能测试方法，其特征在于，所述的激光雷达光电探测系统由接收光路、信号探测和箱体机械结构三个单元组成，各单元集成安装于光电探测系统箱体中，激光雷达光电探测系统箱体通过机械法兰，同激光雷达接收望远镜连接。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：伯广宇，
申请(专利权)人：中科院合肥技术创新工程院，
类型：发明
国别省市：安徽,34