专利名称：：激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置的制作方法
技术领域：
：本实用新型与激光雷达有关，是一种在自由空间激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，主要用于激光雷达信号的空间远场来回双程传输性能的检测和测距性能的检测。
背景技术：
：激光雷达因其极高的频域、空域和时域分辨率而在目标探测、跟踪、瞄准和成像识别等方面得到越来越广泛的应用。激光雷达与探测目标之间通常涉及数十米至数千公里甚至更远距离的光波的传输，因此对于远距离探测目标来说不可能在远距离上直接完成激光雷达整个系统或分系统的检测和验证，特别是在航天和航空应用时，更不可能实地进行检测。因此，必须发展在地面或者实验室模拟空间远场传输的光学装置以及相应的测距性能检测设备。对于自由空间激光远场传输的地面模拟通常可以采用半物理半仿真或全物理仿真的方法。全物理模拟仿真的方法是地面实验室检测验证平台首选的方法，它不需要额外假设任何参数即可在实验室内对发射信号的空间远场传输性能进行检测。由傅立叶光学可知，光学透镜的傅立叶变换可以实现光束近场分布到远场分布的转换。在国际上，日本考虑了采用长焦距透镜和有限孔径空间滤波的方法来实现光束的较远足巨离4专输丰莫拟(参见[1]K.Inagaki,M.Nohara,K.Araki,etal,,"Free-spacesimulatorforlasertransmission,"Proc.SP正，Vol.1417，pp.160169,1991.)它们设计和研制了17.5m焦距的平行光管，只是模拟了最大为50公里的传输距离。L.Wan等人(参见[2]L.Wan,L.Liu,M.Zhang,etal.,"Anopticalsimulatorforfree-spacelaserlong-distancepropagation",Proc.SPIE,Vol.5550,pp.399-404,2004.)丰艮据光学透镜的傅立叶变换性质，提出了采用光学傅立叶变换加级联光学成像放大，并结合有限口径比例接收的方法来实现自由空间激光光束远距离传输的实验室模拟，最大等效传输距离达2.4X1()S公里。该模拟装置虽然对卫星之间激光通信中信号远距离传输性能可以进行全物理的实验室模拟，但是对于激光雷达信号的双程传输来讲，该装置只能模拟激光雷达信号空间远距离的单程传播，必须再附加雷达方程估算和实验模拟分析等手段才能半物理半仿真的模拟激光雷达双程远距离传输的性能。美国麻省理工学院林肯实验室的AROSTF激光雷达检测验证平台(参见[3]L.A.Jiang,D.R.Schue,D.C.Harrison,etal.,"ActiverangeoftheOpticalSystemsTestFacilityatMITLincolnLaboratory",Proc.SPIE,Vol.6214,pp.62140Q,2006.)采用的方法是目标的照明是在激光发射的近场，用发射光束直接照明100米距离处直径lm的目标。远场仿真器由口径lm焦距20m的望远镜，变焦镜和空间滤波器构成，接收系统处于远场。其空间远场传输性能检测采用近场联合远场模拟的方式完成，不能真实模拟激光雷达中的光束双程远场传输。总之，在地面实验室内对激光雷达的空间远场传输性能进行远场发射和远场接收的全物理仿真的模拟装置至今还未见报道。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，它基于光学傅立叶变换和光学成像放大的原理实现光束的近场分布向远场分布的转换，在焦面上放置小孔滤波器实现光束传输距离的比例縮小，由此解决在地面实验室内直接实现激光雷达的空间远场双程传输性能和测距性能的检测和验证问题。本实用新型的模拟方案属于全物理仿真，而且结构简单，原理可靠。本实用新型的具体技术解决方案如下一种激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，其构成包括沿光束方向依次的被测激光雷达、第一光束传输模拟器、散射屏、第二光束传输模拟器、衰减器、变焦会聚透镜和光电探测器。所述的第一光束传输模拟器由第一傅立叶变换透镜、第一成像放大器、第一透反镜、第二透反镜和第一孔径光阑构成，第一孔径光阑位于第一成像放大器的像面。在所述的第二透反镜的横向设有目标反射噪声发生器及目标反射噪声变换光学系统。所述的第二光束传输模拟器由第二傅立叶变换透镜、第二成像放大器、第三透反镜和第二孔径光阑构成，第二孔径光阑位于第二成像放大器的像面。在所述的第三透反镜的横向还设有背景噪声发生器及背景噪声变换光学系统。所述的散射屏用来模拟被探测目标，对于合作目标可以用角反射镜，对于非合作目标可以采用目标实物表面，也可以采用标准朗伯反射体；所述的第一傅立叶变换透镜和第二傅立叶变换透镜都为长焦距大口径傅立叶变换平行光管；所述的成像放大器由N级成像放大透镜组构成，其中#20，成像放大倍数A二il^xM,2X…M,w，其中Mu，M2，...，M,w分别为第一级，第二级，…，第N级成像放大透镜组的放大倍率，iV二O说明无放大透镜，光束等比例直接通过。本实用新型的技术效果本实用新型通过光学傅立叶变换加级联光学成像放大的方法，结合小孔比例縮小，再采用模拟目标反射的散射屏，设计了等效于空间远场双程传播和目标反射的实验室检测模拟装置，它测量的光信号是在能够真正与激光雷达光传输相比拟的数量级上进行模拟测量的，整个装置的总长度大约为几十米，模拟实验可在实验室内完成。另外本实用新型的激光雷达远场光传输模拟和测距性能检测装置还加入了目标反射噪声源和背景噪声源，目标反射噪声源模拟探测目标对太阳光或其他星体辐射光的反射产生的干扰信号对激光雷达光传输性能的影响，背景噪声源模拟地面的杂波信号、太阳光或来自其他星体的干扰信号对激光雷达光传输性能的影响。由于附加了噪声发生器，因此可以模拟真实情况下激光雷达对目标探测的信噪比，还可以检验其测距性能。图为本实用新型的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置的结构框图。图2为本实用新型实施例中具有三级放大的成像放大器结构示意图。图中1-被测激光雷达，2-第一傅立叶变换透镜，3-第一成像放大器，4-第一透反镜，5-第二透反镜，6-目标反射噪声发生器，7-目标噪声变换光学系统，8-第一孔径光阑，9-散射屏，10-第二傅立叶变换透镜，11-第二成像放大器，12-第三透反镜，13-背景噪声发生器，14-背景噪声变换光学系统，15-第二孔径光阑，16-衰减器，17-变焦会聚透镜，18-光电探测器，19-小孔光阑，20-变焦会聚透镜。具体实施方式下面结合实施例和附图对本实用新型的激光雷达双程光传输模拟和测距性能检测装置作进一歩说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。先请参阅图1，图1为本实用新型的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置的一个实施例的结构框图。由图可见，本实用新型实施例激光雷达双程光传输5模拟与测距性能检测装置，其特征在于沿光束方向它的构成依次包括被测激光雷达l、第一傅立叶变换透镜2、第一成像放大器3、第一透反镜4、第二透反镜5、第一孔径光闺8、散射屏9、第二傅立叶变换透镜IO、第二成像放大器ll、第三透反镜12、第二孔径光阑15、衰减器16、变焦会聚透镜17和光电探测器18，在第二透反镜5的横向设有目标反射噪声发生器6及其目标射噪声变换光学系统7，在第三透反镜12的横向还设有背景噪声发生器13及其背景噪声变换光学系统14。所述的第一傅立叶变换透镜2、第一成像放大器3、第一透反镜4、第二透反镜5和第一孔径光阑8构成第一光束传输模拟器，第一孔径光阑8位于第一成像放大器3的像面。所述的第二傅立叶变换透镜10、第二成像放大器11、第三透反镜12、第二孔径光阑15构成第二光束传输模拟器，第二孔径光阑15位于第二成像放大器11的像面。所述的第一傅立叶变换透镜2和第二傅立叶变换透镜10都为长焦距大口径傅立叶变换平行光管；所述的第一成像放大器3由N级成像放大透镜组构成，#20，成像放大倍数A=MnxA/l2xMlw，其中Mu，M12，…，A/w分别为第一级，第二级，…，第N级成像放大透镜组的放大倍率，所述的第二成像放大器11由N级成像放大透镜组构成，成像放大倍数A=M21xM22x—M2W,其中M21，站2，…，M2W分别为第一级，第二级，…，第N级成像放大透镜组的放大倍率，vV二O说明无放大透镜，光束等比例直接通过。本实用新型的工作过程大致是被测激光雷达1发射的激光光束先通过第一傅立叶变换透镜2，在焦面上形成远场光斑，其再通过第一成像放大器3进行放大，光束再通过第一透反镜4和第二透反镜5，进入第一孔径光阑8，第一成像放大器3的像面在第一孔径光阑8处，然后被散射屏9反射，再通过第二透反镜5，被第一透反镜4反射后，进入第二傅立叶变换透镜10，在焦面上产生远场分布光斑，其后再通过第二成像放大器11和第三透反镜12，第二成像放大器11的像面在第二孔径光阑15处，再由衰减器16衰减后，经变焦会聚透镜17抵达光电探测器18。此外，考虑到激光雷达的探测目标和接收系统有时要受到来自太阳光或其他星体辐射光、大气效应和地面杂波的干扰，本实施例的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置中加入了目标反射噪声发生器6和背景噪声发生器13。目标发射噪声发生器6发出的噪声信号通过其目标噪声变换光学系统7入射到第二透反镜5上，散射屏9对噪声信号和雷达信号反射，反射后的光束通过第二透反镜5，再由第一透反镜4反射后，进入第二傅立叶变换透镜10。背景噪声发生器13发出的噪声通过其背景噪声变换光学系统14,经第三透反镜12反射后和第一成像放大器11输出的信号合束后，进入第二孔径光阑15和衰减器16后，经变焦会聚透镜17聚焦后，由光电探测器18接收。假设被测激光雷达1发射的激光光束的复振幅为e"x。,h)，波长为义。发射光束通过第一傅立叶变换透镜2，光束在透镜后焦面上的光强分布/,f(x,》')为，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)其中/i为第一傅立叶变换透镜2的焦距。将此远场分布波面通过第一成像放大器3进行放大，假设放大倍率为A，在理想情况下，放大像面的光强分布乙,(x,力为，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)令巧=./^,，则巧即为第一级光束产生模拟装置的等效焦距。因此远场光斑直径的尺寸为，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)其中《为被测激光雷达1发射光束的发散角。设目标有效面积的等同直径为A，则第一孔径光阑8处光束的直径^满足<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)其中J为激光雷达与探测目标的真实距离。假设散射屏9反射光束的光场复振幅为e2(x。,y。)，通过第二傅立叶变换透镜10，光束在透镜后焦面上的光强分布/2/(x,y)为，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中/2为第二傅立叶变换透镜10的焦距。将此远场分布波面通过第二成像放大器11进行放大，假设放大倍率为A，在理想情况下，放大像面的光强分布/^(x,力为，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(6)令尸2=/2/2，则&即为第二级光束产生模拟装置的等效焦距。设激光雷达接收孔径直径为么，则第二孔径光阑15直径^满足关系式:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(7)假设发射光学系统总透过率为丄,，接收光学系统总透过率为^，衰减器透过率为丄。，则整个测试系统的总透过率为，r=丄。.(8)在测试中可以应用:r来校正和补偿测量结果。设计测量装置中各器件时，需要注意器件的光学参数应满足一定的物理和实际条件。在远距离探测时，激光雷达发射系统输出光束的发散角一般较小，通常为数微弧度至几毫弧度。被测激光雷达i发射光束的口径通常在几十毫米到几百毫米。根据实际需要，位于目标散射屏9前面的第一孔径光阑8的口径约为几厘米，第二孔径光阑15的口径约为几毫米。在设计透镜的口径时，要考虑到成像光斑对透镜尺寸的要求。确定透镜口径时可由简单的几何知识，按照成像比例关系由前一级放大的光斑传播到后一级透镜处的有效口径来确定后一级透镜的口径。下面通过实施例对本实用新型作进一步说明。假设星载激光雷达探测目标高度为500km，发射和接收望远镜口径^250mm，发射视场1(^rad。目标散射屏9为镀氧化镁的标准朗伯反射体，面积尺寸为02m，反射率为96%，第一傅立叶变换透镜2的口径())300mm，焦距为10m，第二傅立叶变换透镜10的口径小150mm，焦距为10m，第一成像放大器3和第二成像放大器9均为三级成像放大器，其结构完全相同，单级放大倍率为IO，图2即为三级成像放大器的所有的单级成像放大器均满足口径关系。则第一光束传输模拟器和第二光束传输模拟器的等效焦距都为10km。根据方程(4)和(7)式计算得到第一孔径光阑7的口径(H0mm，第二孔径光阑14的口径+5mm。表1列出本实用新型激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置实施例的有关参数的具体数据<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>当然本实用新型中各个光学器件的尺寸、傅立叶变换透镜的焦距以及成像放大器的放大级次等都是可以根据需要调节或更换的。权利要求1、一种激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，特征在于其构成包括沿光束方向依次的被测激光雷达、第一光束传输模拟器、散射屏、第二光束传输模拟器、衰减器、变焦会聚透镜和光电探测器。2、根据权利要求1所述的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，其特征在于所述的光束传输模拟器由第一傅立叶变换透镜、第一成像放大器、第一透反镜、第二透反镜和第一孔径光阑构成，第一孔径光阑位于第一成像放大器的像面。3、根据权利要求2所述的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，其特征是在所述的第二透反镜的横向设有目标反射噪声发生器及目标反射噪声变换光学系统。4、根据权利要求1所述的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，其特征在于所述的第二光束传输模拟器由第二傅立叶变换透镜、第二成像放大器、第三透反镜和第二孔径光阑构成，第二孔径光阑位于第二成像放大器的像面。5、根据权利要求4所述的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，其特征是在第三透反镜的横向还设有背景噪声发生器及背景噪声变换光学系统。6、根据权利要求1所述的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，其特征在于所述的散射屏用来模拟被探测目标，为角反射镜，或目标实物表面，或标准朗伯反射体。7、根据权利要求2或4所述的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，其特征在于所述的傅立叶变换透镜长焦距大口径傅立叶变换平行光管；8、根据权利要求2或4所述的激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，其特征在于所述的成像放大器由N级成像放大透镜组构成，其中W》0，成像放大倍数A-M^M,2X…Mw，其中M，M12，...，Mw分别为第一级，第二级，…，第N级成像放大透镜组的放大倍率，W二O说明无放大透镜，光束等比例直接通过。专利摘要一种激光雷达双程光传输模拟与测距性能检测装置，主要用于激光雷达信号的空间远场来回双程传输性能和测距性能的检测。该装置包括沿光束方向依次的被测激光雷达、第一光束传输模拟器、散射屏、第二光束传输模拟器、衰减器、变焦会聚透镜和光电探测器。本实用新型装置总长度约为几十米，模拟实验可在实验室内完成。本实用新型结构简单，原理可靠。文档编号G01S7/48GK201110894SQ20072007536公开日2008年9月3日申请日期2007年10月10日优先权日2007年10月10日发明者刘德安,刘立人,煜周,孙建锋,竹栾,王利娟,闫爱民申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所