CN107356914B - 一种星载激光雷达探测器校准*** - Google Patents

一种星载激光雷达探测器校准*** Download PDF

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Abstract

一种星载激光雷达探测器校准***，用于实现对探测器灵敏度、线性度和时间响应的校准；利用积分球将LED发出的强度较低、工作稳定且强度容易调节的光转变为与角度无关的光，将积分球内与角度无关的光经过耦合透镜耦合到光纤中，光纤中的光再经过准直镜，形成易于进行光路搭建的准直光，将准直光使用光纤分束器分路后进行衰减并引入各个探测器，实现灵敏度和线性度的校准；探测器时间响应的校准需要响应时间超快的光源，激光器能够产生ns级宽度的窄脉冲，使用产生ns级的激光器可以方便的提取出探测器的时间响应信息，实现时间响应的校准。

Description

一种星载激光雷达探测器校准***
技术领域
本发明涉及一种星载激光雷达探测器校准***，适用于星载激光雷达探测器灵敏度、线性度及时间响应的校准。
背景技术
探测器是把需要测量的光信号转变为电信号的光电器件，其在激光雷达***中具有十分重要的地位，在构建激光雷达***时必须对使用的探测器进行校准。在激光雷达使用时，探测器在空间环境下长期运行，由于受到空间外部环境和探测器自身寿命等因素的影响，探测器的性能会下降，也必须进行定期校准。对于激光雷达上使用的探测器，其灵敏度、线性度和时间响应等参数都需要进行校准。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对星载激光雷达探测器在空间环境下长期运行时，受空间外部环境和探测器自身寿命等因素影响导致的探测器性能下降的情况，提供一种星载激光雷达探测器校准***，实现探测器灵敏度、线性度和时间响应的校准。
本发明的技术方案：一种星载激光雷达探测器校准***，包括光源模块、光传输模块、衰减模块及探测器模块；从光源模块发出的光进入光传输模块，在光传输模块内进行准直和滤波，再经衰减模块衰减后进入探测器模块；在探测器模块中完成校准任务。
所述的衰减模块包括多片不同衰减系数的衰减片，用于保证输入到探测器的光强大小和光强范围满足校准需求。
所述的衰减片为5％楔形玻璃片。
所述的光传输模块包括耦合透镜、多模光纤、分束器、准直镜、滤光片和可变全反射镜；耦合透镜将光耦合进多模光纤，经过多模光纤传输后由分束器分束成多路，每一路的光经过准直镜准直和滤光片滤光后，由可变全反射镜将光反射进入探测器。
所述的探测器模块包括待校准探测器及功率计；校准中使用可变全反射镜和功率计测量入射到探测器的光强度，并使用分束器对光路进行分路实现多个探测器的同时校准。
所述待校准探测器搭建在对外部光屏蔽作用很好的黑箱中，黑箱上开有豁口。
所述的校准任务包括灵敏度、线性度的校准，以及时间响应的校准。
当完成灵敏度、线性度的校准任务时，所述的光源模块包括LED和积分球，LED输出强度较低、工作稳定且强度容易调节的光，积分球将LED输出的光转变为与角度无关的光。
当完成时间响应的校准任务时，所述光源模块为窄脉冲激光器。
本发明的优点在于：
(1)本发明中光源模块中使用的LED发光强度较低、工作稳定且强度容易调节，LED发出的光经积分球后转变为与角度无关的光，非常适合作为探测器灵敏度、线性度校准的光源；探测器时间响应校准使用窄脉冲激光器作为光源模块，激光器产生的窄脉冲上升时间较短，能够方便的提取出探测器的时间响应信息，满足探测器时间响应校准对光源的特殊要求；
(2)本发明中光路传输模块、衰减模块及标准功率计保证了***的校准精度，通过使用光纤分束器实现多个探测器的同时校准，简化了***的结构，提高了校准效率；
(3)本发明提出的基于积分球和窄脉冲激光器的星载激光雷达探测器校准***效果理想，性能稳定，校准精度高，校准***光路简单，结构紧凑，占用空间小，是星载激光雷达探测器校准的最佳选择。
附图说明
图1为本发明中探测器灵敏度和线性度的校准原理图；
图2为本发明中探测器时间响应的校准原理图；
图3为探测器的线性度曲线图；
具体实施方式
利用积分球校准星载激光雷达探测器灵敏度和线性度的装置如图1所示，利用ns级窄线宽的激光器校准星载激光雷达探测器时间响应的装置如图2所示。
下面对上述校准过程分别进行详细介绍：
●利用积分球校准星载激光雷达探测器灵敏度和线性度
灵敏度是衡量探测器对于微弱信号的极限探测能力的一个重要指标，定义为最低可探测的光功率。探测器灵敏度主要是由探测器的响应率和噪声决定的，响应率越高或噪声越低，探测器的灵敏度就越高。由于探测器的噪声与带宽有关，所以灵敏度校准时探测器应工作在激光雷达***的工作带宽上。或者通过测量噪声等效功率NEP来进行衡量，NEP的定义为当信号光在探测器上产生的信号方均根电压等于探测器本身的噪声方均根电压值(即信号噪声比为1)时，入射到探测器上的信号光的辐射功率，单位为W/Hz1/2，计算公式为：
NEP＝N/(RΔf1/2)
N为噪声，其单位为V，R为响应率其单位为V/W，Δf为噪声的测量带宽其单位为Hz。
线性度指的是探测器响应与输入功率之间的线性程度、响应度(响应曲线斜率)和线性响应范围。探测器在使用一段时间后，响应率会下降，如图3所示，其中，横轴代表入射到探测器的光功率强度值，纵轴代表探测器响应电压值，实线代表探测器最初的响应曲线，虚线代表探测器使用一段时间后的响应曲线。考虑上述因素需要在探测器开始使用及使用一段时间后进行响应度校准，以便探测器能准确测量入射的信号光强度。探测时一般都使用探测器的线性响应区，因此需要对探测器的响应线性程度和线性响应范围进行校准。
利用积分球校准星载激光雷达探测器灵敏度和线性度的装置由光源模块、光传输模块、衰减模块及探测器模块组成(如图1)；光源模块由LED和积分球组成，LED能够输出强度较低、工作稳定且强度容易调节的光，LED安装在积分球入口处，积分球将LED输出的光转变为与角度无关的光；光传输模块分别由耦合透镜、多模光纤、分束器、准直镜、滤光片、可变全反射镜组成，积分球输出的光由耦合透镜耦合进光纤并进行传输，光从多模光纤输出后由准直镜进行准直，并依次通过分束器、滤光片、可变全反射镜、衰减片后进入待校准探测器。图中的虚线箭头处使用分束器完成多个探测器的同时校准，***中使用可变全反射镜和标准功率计准确的测量并预估入射到探测器的光强度；衰减模块由多片不同衰减系数的衰减片组成，衰减模块保证输入到探测器的光强大小和光强范围满足校准需求；探测器模块包括待校准探测器及标准功率计，标准功率计用于准确测量校准光的强度；探测器校准装置搭建在一个对外部光屏蔽作用很好的黑箱中，避免环境杂散光的干扰，黑箱有一个开口方便测试过程中的一些简单操作。
由于校准中对输入到探测器光强大小的精度要求极高，因此对***中各个元件的传输效率需提前进行校准，积分球的传输效率公式为：
Figure BDA0001365159360000041
其中Afiber为光纤的耦合透镜面积，Asp为积分球内表面面积，ρ为积分球的内表面反射率，f为积分球的开口比，n为耦合透镜的耦合效率。
●利用激光器校准星载激光雷达探测器的时间响应
对于探测器件，响应时间定义为当探测器受辐照照射时，输出信号上升到稳定值的63％时所需要的时间；而对于雪崩二极管(APD)、光电二极管这类响应速度快的探测器件，响应时间为从稳定值的10％上升到稳定值的90％所需要的时间。探测器的上升时间为ns量级，要准确测量探测器的时间响应需要响应时间超快的光源，LED的上升时间较长无法满足测量需求，激光器能够产生ns级宽度的窄脉冲，可以方便的提取出探测器的时间响应信息，实现探测器时间响应的校准。
探测器时间响应的校准***如图2所示，光源模块使用窄脉冲激光器，5％楔形玻璃片对激光器产生的强光进行初步衰减，使用扩束镜对光束进行扩束，***衰减模块和测量模块同探测器灵敏度和线性度的校准***相似，此处不进行赘述。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种星载激光雷达探测器校准***，其特征在于：包括光源模块、光传输模块、衰减模块及探测器模块；从光源模块发出的光进入光传输模块，在光传输模块内进行准直和滤波，再经衰减模块衰减后进入探测器模块；在探测器模块中完成校准任务；
所述的校准任务包括灵敏度、线性度的校准，以及时间响应的校准；
当完成时间响应的校准任务时，所述光源模块为窄脉冲激光器；当完成灵敏度、线性度的校准任务时，所述的光源模块包括LED和积分球，LED安装在积分球入口处，积分球将LED输出的光转变为与角度无关的光；
所述的衰减模块包括多片不同衰减系数的衰减片，用于保证输入到探测器的光强大小和光强范围满足校准需求；
所述的衰减片为5％楔形玻璃片；
所述的光传输模块包括耦合透镜、多模光纤、分束器、准直镜、滤光片和可变全反射镜；耦合透镜将光耦合进多模光纤，经过多模光纤传输后由分束器分束成多路，每一路的光经过准直镜准直和滤光片滤光后，由可变全反射镜将光反射进入探测器。
2.根据权利要求1所述的一种星载激光雷达探测器校准***，其特征在于：所述的探测器模块包括待校准探测器及功率计；校准中使用可变全反射镜和功率计测量入射到探测器的光强度，并使用分束器对光路进行分路实现多个探测器的同时校准。
3.根据权利要求2所述的一种星载激光雷达探测器校准***，其特征在于：所述待校准探测器搭建在黑箱中，黑箱上开有豁口。
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