专利名称：转盘式机械快门的大动态范围无盲区变频控制方法
技术领域：
本发明属于光学工程技术领域，涉及一种控制光束通断的转盘式机械快门的应用方法，尤其涉及一种转盘式机械快门的大动态范围无盲区变频控制方法，可以在激光雷达等应用场景下获得足够大的距离探测动态范围。
背景技术：
在激光雷达、激光测距、空间激光通讯等应用领域中，需要对一定距离处的目标进行探测。其工作体制都是先发射一个激光脉冲，延迟一定时间后用光电探测器接收从目标处返回的光信号，从回光信号中获取有效信息。通常待测量的目标距离探测器几公里到几千公里，需要的脉冲重复频率在几十到几百赫兹。在这些应用场合，激光发射接收装置中通常采用的的一个重要部件是高速高精度转盘式机械快门，用于控制光束的通断。转盘式机械快门的主要结构是一个有开孔或开槽的不透光圆盘。光束入射到圆盘上，遇到孔或槽就通过，否则就被关断。将圆盘旋转起来就可以实现一定重复频率的开通和关断。转盘式机械式快门的优点在于可以达到完全的开通和关断，不影响透过光束的像质，可以适应所有的激光波长。
李新阳等申请的发明专利“高重复频率高精度转盘式机械快门装置(专利申请号03149542.7，申请日2003.07.16，公示号CN1570569，公示日2005.01.26)”，公开了一种对光信号进行高重复频率高精度开关控制的转盘式机械快门装置。将一个轻薄的、有若干开孔的不透光转盘通过紧定螺母和轴套固定在电机的轴头上。通过适当选择结构参数，这种转盘式机械快门装置可以同时达到上千赫兹的开关重复频率和微秒级的开关时间设置精度。图1是该发明的典型应用一个四叶片转盘式机械快门的结构示意图。本发明的变频控制方法即针对该种转盘式机械快门工作。
李新阳等申请的发明专利“一种转盘式机械快门同步时序控制方法及其应用(专利申请号03149543.5，申请日2003.07.16，公示号CN1570570，公示日2005.01.26)”，公开了一种转盘式机械快门同步时序控制方法，在脉冲激光发射同步接收光电系统中控制脉冲激光器的发射时序和光电探测器的曝光时序。在这种转盘式机械快门控制方式下，机械快门的工作频率是事先设定好的，在工作过程中工作频率是固定不变的。
固定工作频率的机械快门可以在一定的探测距离动态范围内正常工作。但在有些场景下，探测的距离变化非常大。例如在对空间轨道目标进行探测的过程中，探测距离从几千公里到几百公里间变化，探测距离的动态范围很大。这时，一般的固定频率机械快门必然存在若干测量盲区，不能实现大动态范围的连续工作。
如图1所示，为了保证对一定直径的光束实现通断控制，机械快门的挡光叶片必须有一定的宽度。这样，在一个快门周期内，通光时间和挡光时间各占一定的比例。这种时间周期上的比例可以用挡光区与通光区的扇形夹角的比值表示。假如挡光区的扇形夹角为φ1，通光区的扇形夹角为φ2，一个快门通断周期的扇形夹角为(φ1+φ2)。如图1所示，快门通光区与快门周期的比值，即通光占空比为η＝φ2/(φ1+φ2)(1)受机械快门的结构尺寸限制，一般可以实现的通光占空比最高到90％左右。
设激光雷达的目标距离探测器的距离为L，光速为c，那么脉冲激光从激光雷达发射到目标上再返回到探测器的时间为t＝2L/c(2)设机械快门的工作重复频率为f，时间周期T＝1/f。通光占空比为η，那么在一个周期内挡光的时间为(1-η)T。如果脉冲激光返回探测器的时间正好落在机械快门的挡光区域，这个信号就被遮挡调，不能被接收到。发生这种快门盲区情况的条件为0＜(t-nT)＜(1-η)T，其中n＝0，1，2，…的整数(3)从上式可以得到有效探测距离L与有效快门频率f和通光占空比η的关系为1/2(n+1)c/f＞L＞1/2(n+1-η)c/f，其中n＝0，1，2，…的整数(4)图2是用激光雷达对一个典型的空间目标进行观测时，目标距离随时间的变化曲线。如果设定机械快门的工作频率为500Hz，通光占空比为90％，那么对大多数距离都可以实现正常工作，但在某些距离处，回光信号被快门叶片遮挡，形成快门盲区，如图2中的加粗部分所示。根据上式计算得到，盲区的范围为900km-930km，1200km-1230km，每个快门盲区的持续时间大约10秒。这种快门盲区将给目标的持续观测带来很大的困难，如果机械快门的通光占空比更小，或者工作频率不合理，在对探测距离有大动态范围变化的目标进行工作时，快门盲区的影响会更严重。
图3是在90％通光占空比条件下，机械快门的有效作用距离与快门频率的关系图。从图中可见，对每一个固定频率，必然在某些距离上存在快门盲区(图中横线条的断点区域即为快门盲区)。不同频率的快门盲区的位置不同。随着快门频率的连续变化快门盲区也在连续变化。如果快门频率能够随着探测距离连续变化，那么有可能在一个相当大的探测距离动态范围内没有快门盲区限制。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有固定频率机械快门在对工作距离大动态范围变化场景下存在盲区的不足，提供一种转盘式机械快门的变频控制方法，可以在目标距离大动态变化的场景下实现无盲区工作。
本发明的技术解决方案转盘式机械快门的大动态范围无盲区变频控制方法，采用变频方式工作，机械快门的工作频率随着探测距离的变化而变化，避免机械快门盲区对探测的影响，实现步骤为(1)根据转盘式机械快门固有的通光占空比η，即通光区域与快门周期的比值，以及给定的探测距离L，确定机械快门可以正常工作频率f的范围，计算公式为1/2(n+1)c/L＞f＞1/2(n+1-η)c/L，其中n＝0，1，2，…的整数，c为光速；(5)可见机械快门可以正常工作的频率范围很宽，对机械快门频率的控制精度要求很宽松，在实际应用条件下容易实现；(2)确定一定探测距离下的机械快门的最优工作频率f最优，保证在机械快门的工作频率发生一定扰动变化条件下依然正常工作，最优频率设定为公式5中可正常工作频率上限值和下限值所确定范围的中间频率值，计算公式为f最优＝{[1/2(n+1)c/L]+[1/2(n+1-η)c/L]}/2＝1/4(2n+2-η)c/L，其中n＝0，1，2，…的整数，c为光速(6)根据公式(6)可知，随着探测距离L连续变大，最优快门频率f相应连续降低；反之，随着探测距离L连续变小，最优快门频率f相应连续升高。如此根据探测距离实时改变快门工作频率，可以保证转盘式机械快门对大距离范围都能无盲区工作。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果(1)转盘式机械快门的工作频率随着探测距离的变化而变化，有效避免固定频率机械快门带来的探测距离盲区和动态范围限制，对于激光雷达等应用场合，采用变频控制方式工作后可以在很大范围内避免机械快门盲区的影响，获得足够大的距离探测动态范围。
(2)本发明的机械快门变频方法对机械快门的频率设定精度要求很宽松，在实际应用条件下容易实现。
图1为一个四叶片转盘式机械快门结构示意图，挡光区的扇形夹角为φ1，通光区的扇形夹角为φ2，快门通光区与快门周期的比值，即通光占空比为η＝φ2/(φ1+φ2)；图2为从地面观察时，一个典型空间轨道目标的距离随时间变化曲线。曲线中的标注区域即为90％通光占空比条件下，500hz固定频率快门产生的探测盲区；图3为在快门通光占空比90％条件下，机械快门的有效作用距离与快门频率的关系图，其中横线条的断点区域即为快门盲区。不同的快门频率有不同的快门盲区。图中的①②③④四条曲线即为按照图2的空间目标轨道可以采用的四种机械快门的变频控制方案；图4为按照图2的空间目标轨道，在快门通光占空比90％条件下，可以采用的四种机械快门的最优频率随轨道时间的变化曲线。图中的①②③④与图3的四条曲线对应，分别对应公式6中的整数n＝1，2，3，4；图5为按照图2的空间目标轨道，在快门通光占空比90％条件下，可以采用的机械快门的最优频率以及有效频率的上限和下限随轨道时间的变化曲线。
具体实施例方式
在一个激光雷达系统中，需要同时发送脉冲激光并测量从目标上返回的激光信号，获取目标的距离、回光强度等信息。为了保证发送激光的近程散射不影响对从目标反射回来的微弱光的探测，采用转盘式机械快门对发射激光和探测信号的时序进行精确控制。转盘式机械快门的结构如图1所示，在圆周上均匀分布四个挡光叶片，通光占空比为90％。
如图2所示为一个典型空间目标的距离随时间的变化曲线的预报结果。根据机械快门的电机速度等限制条件分析，机械快门的最高工作频率为600Hz。假定机械快门的工作频率固定为500Hz，那么对大多数距离都可以实现正常工作，但在某些距离处，回光信号将被快门叶片遮挡，形成快门盲区，如图2中的加粗部分所示。因为探测任务不允许中断，所以不能采用固定频率控制方式，需要采用本发明提供的转盘式机械快门的大动态范围无盲区变频控制方法，使转盘式机械快门的工作频率随着探测距离的变化而变化，有效避免固定频率机械快门带来的探测距离盲区和动态范围限制。
具体实现步骤为(1)根据转盘式机械快门的通光占空比η，以及给定的探测距离L条件下，确定机械快门可以正常工作的频率f的范围。计算公式为1/2(n+1)c/L＞f＞1/2(n+1-η)c/L， 其中n＝0，1，2，…的整数(2)确定不同探测距离下的机械快门的最优工作频率f最优。最优频率设定为可正常工作频率范围的中间频率值，保证在机械快门的工作频率发生一定扰动变化条件下依然正常工作，计算公式为f最优＝1/4(2n+2-η)c/L，其中n＝0，1，2，…的整数图4是分别当n＝1、2、3、4时机械快门的最优工作频率。随着探测距离由远变近，最优快门频率由低变高；随着探测距离由近变远，最优快门频率由高变低；(3)根据实际需要选定一种机械快门变频工作方案。假如根据机械快门的电机速度等限制条件分析，机械快门的最高工作频率为600Hz，那么从图4中可知第1、2两种方案满足要求，而第3、4两种方案的频率太高超出要求。根据任务需要，探测的频率越快、测量数据量越大越好，那么最终确定图4中的第2种机械快门变频控制方案满足要求。
图5是机械快门可以正常工作的最优频率以及有效频率的上限和下限随轨道时间的变化曲线。可见采用本发明的机械快门变频方法，对机械快门的频率设定不要求特别准确，可以在几十赫兹的较大的范围内上下浮动，这在实际应用条件下用锁相频率控制等技术手段很容易实现。
权利要求
1.转盘式机械快门的大动态范围无盲区变频控制方法，其特征在于根据探测距离的变化实时改变快门工作频率，步骤如下(1)根据转盘式机械快门固有的通光占空比η，即通光区域与快门周期的比值，以及给定的探测距离L，确定机械快门可以正常工作频率f的范围，计算公式为1/2(n+1)c/L＞f＞1/2(n+1-η)c/L，其中n＝0，1，2，…的整数，c为光速；(2)确定当探测距离L变化时，机械快门最优工作频率f最优的变化规律，即当目标的探测距离L变化时，使机械快门最优工作频率f最优的变化与探测距离L的变化成反比，如此根据探测距离实时改变快门工作频率，可以保证转盘式机械快门对大距离范围都能无盲区工作。
2.根据要求1所述的转盘式机械快门的大动态范围无盲区变频控制方法，其特征在于所述的机械快门最优工作频率设定为正常工作频率上限值和下限值所确定范围的中间频率值，计算公式为f最优＝1/4(2n+2-η)c/L，其中n＝0，1，2，…的整数，c为光速。
全文摘要
转盘式机械快门的大动态范围无盲区变频控制方法，根据探测距离实时改变快门工作频率，使转盘式机械快门在大动态范围都能无盲区工作，实现过程为首先根据转盘式机械快门的通光占空比以及不同工作距离，计算机械快门可以正常工作的频率范围；其次计算出可正常工作频率范围的中间值为一定探测距离下机械快门的最优工作频率；最后根据实际条件限制和需要在几种机械快门变频控制方案中选定一种可以实现的方案。本发明对于激光雷达等应用场合，采用变频控制方式工作后可以在很大范围内避免机械快门盲区的影响，获得足够大的距离探测动态范围。
文档编号G01S7/48GK1963655SQ20061016508
公开日2007年5月16日 申请日期2006年12月13日 优先权日2006年12月13日
发明者李新阳 申请人:中国科学院光电技术研究所