星载激光测高仪有源光斑能量探测器及阵列制造技术

本发明专利技术提供星载激光测高仪有源光斑能量探测器及阵列，用于采用阵列的方式，实现对激光脚点光斑的捕获，能量探测器包括电检测模块、通信模块、几何定位模块、时间同步模块和主控制器，所述光电检测模块用于通过高速稳定放大倍数可调的光电转换，再通过以高速阈值比较为基础的模数转换，实现星载激光测高仪地面脚点光斑的能量捕获；所述通信模块用于实现能量探测器的数据和指令传输，以实现探测器阵列的智能化数据组网；所述时间同步模块用于以GPS提供的秒脉冲为输入，结合高精度定时器和后续时间补偿，实现对脚点光斑捕获时刻的精确测量；所述几何定位模块用于将GPS单点定位与外部差分站共同协作，以差分后处理的方式实现静态单点定位达到亚米级别。

Active Spot Energy Detector and Array of Spaceborne Laser Altimeter

【技术实现步骤摘要】
星载激光测高仪有源光斑能量探测器及阵列
本专利技术属于星载激光探测
，涉及一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器及阵列。
技术介绍
由于星载激光测高仪所发出的脉冲激光到达地面的光斑尺寸较大，直径一般是30m至100m之间。单个探测器无法捕获整个光斑的能量分布。目前针对星载激光测高仪地面光斑探测，国内其他单位并无实质性产品出现，国际上仅有美国NASA设计过针对GLAS系统的地面光斑探测器，其只有两个能级，并无几何定位、时间同步和无线通信等智能化管理功能。在外业操作中，为了捕获一个光斑常常需要成百上千个探测器，类似于NASA设计制造的无智能化管理的探测器效率低，需要人工进行定位、数据收集等工作，容易造成数据误计，工作效率很低，从而导致光斑捕获失真。NASA设计的简单的地面光斑探测器，能级数量低，对光斑中心定位的精度较差，很难满足现在的精度要求。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种以高灵敏度、价格低廉、生产工艺简单，具有智能化设计的激光能量探测器，通过阵列铺设的方式从而实现激光脚点光斑的捕获，从而确定脚点光斑位置。本专利技术的技术方案提供一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器，用于采用阵列的方式，实现对激光脚点光斑的捕获，单个能量探测器包括电检测模块、通信模块、几何定位模块、时间同步模块和主控制器，电检测模块、通信模块、几何定位模块和时间同步模块分别连接主控制器；所述光电检测模块，用于通过高速稳定放大倍数可调的光电转换实现激光光信号到电信号的转变，再通过以高速阈值比较为基础的模数转换实现由模拟信号到数字信号的转变，从而实现星载激光测高仪地面脚点光斑的能量捕获；所述通信模块，用于实现能量探测器的数据和指令传输，以实现探测器阵列的智能化数据组网；所述时间同步模块，用于以GPS提供的秒脉冲为输入，结合高精度定时器和后续时间补偿，实现对脚点光斑捕获时刻的精确测量；所述几何定位模块，用于将GPS单点定位与外部差分站共同协作，以差分后处理的方式实现静态单点定位达到亚米级别。而且，光电检测模块包括光电转换电路、高频放大电路、高精度稳压电路、多级分压电路和模数转换电路，模数转换电路包括依次连接的高速阈值比较器、锁存器和电平转换电路，所述光电转换电路连接高频放大电路，高频放大电路的输出作为比较器正端输入连接到高速阈值比较器，高精度稳压电路连接多级分压电路，多级分压电路的输出作为比较器负端输入连接到高速阈值比较器，模数转换电路的输出连接主控制器。而且，光电转换电路采用PIN光电二极管实现，对PIN光电二极管产生的光生弱电流信号，高频放大电路采用高频运算放大的方式进行放大。而且，采用抗干扰涉及，包括将窄带滤波片放置在PIN光电二极管的光学窗口前，滤除其他波段的杂散光，保证入射到PIN光敏面的是星载激光测高仪发射出的波长为1064nm的脉冲激光。而且，多级分压电路采用10级分压电路。而且，所述通信模块采用LoRa模块实现。而且，所述几何定位模块包括GPS芯片，GPS芯片输出的经纬度信息连接到主控制器，结合外业标定场中差分站所采集的差分站数据，通过后端差分处理获取高精度的经纬度，为每个激光探测器提供几何定位信息。而且，所述时间同步计时模块包括高精度定时器和高稳定有源晶振，几何定位模块中GPS芯片的PPS秒脉冲输出和高稳定有源晶振连接到高精度定时器，高精度定时器连接到主控制器，同时GPS芯片输出时间信息到主控制器以支持实现同步计时工作，同步计时实现如下，利用GPS芯片产生的高精度高稳定性的PPS秒脉冲，作为基准时间；主控制器获取初始GPS时间信息，结合每秒的PPS脉冲，从而得到当前激光探测器的实时工作时间；由晶振频率和高精度定时器的计数值综合决定PPS秒脉冲与探测器触发中断之间时间间隔；采用累计误差补偿和真值校正的方式，对测量的时间间隔值进行补偿，将修正后的时间间隔与当前激光探测器的工作时间信息相结合，获得激光脉冲触发激光探测器的精准时刻。本专利技术还提供一种星载激光测高仪有源光斑能量探测阵列，采用如上所述星载激光测高仪有源光斑能量探测器，按照格网状等间隔布设的方式设置。而且，布设间隔根据能量探测器的能量等级、地面光斑尺寸大小以及要求中心定位精度确定。本专利技术解决了星载激光测高仪地面脚点光斑捕获的问题，采用多个探测器组成的探测器阵列的方式，可以实现对激光脚点光斑的捕获，从而确定了每一个激光脉冲光斑在地面的真实位置，为后续的数据处理提供了基础光斑位置资料。并且，本专利技术提供了高精度高稳定的探测器实现方案，支持提供探测器组网阵列中每个激光探测器的几何定位信息，为高效实现星载激光测高仪地面脚点光斑能量捕获提供了保证。附图说明图1为本专利技术实施例的结构图。图2为本专利技术实施例的光电检测模块参数分析过程示意图。图3为本专利技术实施例的GF-7号不同布设间距对应脚点质心定位精度示意图。图4为本专利技术实施例的光电检测模块结构框图。图5为本专利技术实施例的时间同步计时模块原理框图。图6为本专利技术实施例的几何定位模块原理框图。图7为本专利技术实施例的通信模块原理框图。图8为本专利技术实施例的质量控制实现示意图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。参见图1，本专利技术实施例提供的星载激光测高仪有源光斑能量探测器，是针对星载激光测高仪地面光斑捕获而设计的激光有源探测器，包括用于激光脚点光斑能量检测的光电检测模块、通信模块、时间同步模块和几何定位模块，以及主控制器。单个探测器整体结构为星型结构，电检测模块、通信模块、几何定位模块和时间同步模块分别连接主控制器，光电检测模块、通信模块、几何定位模块和时间同步模块在主控制器的调节下协同工作。星载激光测高仪激光探测器的技术指标要求，研制一种成本约束、低功耗、稳定性高、可调节增益、不受背景光干扰的激光探测器。其中，光电探测模块是激光探测器的核心，它主要负责在不同的太阳背景光和大气环境条件下，有效探测卫星激光测高仪传输至地面的激光能量；无线组网功能模块通过指令控制，将由若干探测器组网形成的阵列范围内的激光能量数据进行传输与存储；几何定位模块负责提供探测器组网阵列中每个激光探测器的几何定位信息，包括经纬度数据；时间同步计时模块负责提供卫星激光测高仪所发射的激光脉冲到达每个激光探测器的时刻。所述光电检测模块包括光电转换电路、高频放大电路、模数转换电路，可以实现将脉冲激光信号转换为可被主控制器读取的数字电平信号；实施例中的光电检测模块通过设计一种高速稳定可调放大倍数的光电转换电路实现激光光信号到电信号的转变，再通过以高速阈值比较电路为基础的模数转换电路实现由模拟信号到数字信号的转变，从而实现星载激光测高仪地面脚点光斑的能量捕获。实施例中，光电检测模块主要包括光电转换电路、高频放大电路、模数转换电路等关键部分，如图4所示：光电检测模块包括光电转换电路、高频放大电路、高精度稳压电路、多级分压电路和模数转换电路，模数转换电路包括依次连接的高速阈值比较器、锁存器和电平转换电路，所述光电转换电路连接高频放大电路，高频放大电路的输出作为比较器正端输入连接到高速阈值比较器，高精度稳压电路连接多级分压电路，多级分压电路的输出作为比较器负端输入连接到高速阈值比较器。模数转换电路的输出连接主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器，其特征在于：用于采用阵列的方式，实现对激光脚点光斑的捕获，单个能量探测器包括电检测模块、通信模块、几何定位模块、时间同步模块和主控制器，电检测模块、通信模块、几何定位模块和时间同步模块分别连接主控制器；所述光电检测模块，用于通过高速稳定放大倍数可调的光电转换实现激光光信号到电信号的转变，再通过以高速阈值比较为基础的模数转换实现由模拟信号到数字信号的转变，从而实现星载激光测高仪地面脚点光斑的能量捕获；所述通信模块，用于实现能量探测器的数据和指令传输，以实现探测器阵列的智能化数据组网；所述时间同步模块，用于以GPS提供的秒脉冲为输入，结合高精度定时器和后续时间补偿，实现对脚点光斑捕获时刻的精确测量；所述几何定位模块，用于将GPS单点定位与外部差分站共同协作，以差分后处理的方式实现静态单点定位达到亚米级别。

【技术特征摘要】
1.一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器，其特征在于：用于采用阵列的方式，实现对激光脚点光斑的捕获，单个能量探测器包括电检测模块、通信模块、几何定位模块、时间同步模块和主控制器，电检测模块、通信模块、几何定位模块和时间同步模块分别连接主控制器；所述光电检测模块，用于通过高速稳定放大倍数可调的光电转换实现激光光信号到电信号的转变，再通过以高速阈值比较为基础的模数转换实现由模拟信号到数字信号的转变，从而实现星载激光测高仪地面脚点光斑的能量捕获；所述通信模块，用于实现能量探测器的数据和指令传输，以实现探测器阵列的智能化数据组网；所述时间同步模块，用于以GPS提供的秒脉冲为输入，结合高精度定时器和后续时间补偿，实现对脚点光斑捕获时刻的精确测量；所述几何定位模块，用于将GPS单点定位与外部差分站共同协作，以差分后处理的方式实现静态单点定位达到亚米级别。2.根据权利要求1所述的一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器，其特征在于：光电检测模块包括光电转换电路、高频放大电路、高精度稳压电路、多级分压电路和模数转换电路，模数转换电路包括依次连接的高速阈值比较器、锁存器和电平转换电路，所述光电转换电路连接高频放大电路，高频放大电路的输出作为比较器正端输入连接到高速阈值比较器，高精度稳压电路连接多级分压电路，多级分压电路的输出作为比较器负端输入连接到高速阈值比较器，模数转换电路的输出连接主控制器。3.根据权利要求2所述的一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器，其特征在于：光电转换电路采用PIN光电二极管实现，对PIN光电二极管产生的光生弱电流信号，高频放大电路采用高频运算放大的方式进行放大。4.根据权利要求3所述的一种星载激光测高仪有源光斑能量探测器，其特征在于：采用抗干扰涉及，包括将窄带滤波片放置在PIN光电二极管的光学窗口前，滤除其他波段的杂散光，保证入射到PIN光...

【专利技术属性】
技术研发人员：李松，伍煜，向雨琰，王志文，周辉，曾昊旻，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42