[发明专利]星载激光雷达回波信号模拟器

权利要求书

1.星载激光雷达回波信号模拟器，其特征在于：由控制计算机、波形模拟装置、偏振态模拟装置、噪声模拟装置、光学合束装置、光束偏转装置、中继像面、平行光管和激光方向跟踪装置组成；

控制计算机根据星载激光雷达遥感探测数学模型生成激光回波信号的波形数据和偏振态数据，分别下发到波形模拟装置和偏振态模拟装置；波形模拟装置根据控制计算机下发的激光回波信号波形数据，在被测星载激光雷达系统发送的触发信号的触发下，生成和激光回波信号波形相同的激光信号；偏振态模拟装置根据控制计算机下发的偏振态数据改变波形模拟装置输出的激光信号的偏振态；噪声模拟装置用于生成被测星载激光雷达系统接收到的噪声光；光学合束装置把激光信号光束和噪声光束在空间上合成一束；光束偏转装置用于控制光束在中继像面上形成的光斑的位置；中继像面被放置在平行光管的焦平面上，中继像面上的光斑经过平行光管后被准直为平行光，平行光作为所述的星载激光雷达回波信号模拟器最终输出的激光回波信号；

激光方向跟踪装置用于实时监测被测星载激光雷达系统的发射激光信号方向和星载激光雷达回波信号模拟器输出的激光回波信号方向，并把两个激光信号方向之间的差异角反馈给控制计算机；控制计算机根据方向差异角控制光束偏转装置改变中继像面上的光斑位置；由于中继像面位于平行光管的焦平面上，因此中继像面上的光斑位置决定了从平行光管出射的激光回波信号的方向；控制计算机通过控制中继像面上的光斑位置进而控制激光回波信号的方向，使其与被测星载激光雷达系统的发射激光信号平行反向，实现方向跟踪功能；

其中，星载激光雷达回波信号模拟器的偏振态模拟装置包括532nm偏振分束器PBS、532nm半波片λ/2和532nm四分之一波片λ/4，作用是控制由波形模拟装置输出的532nm平行激光信号的偏振态，以模拟532nm激光回波信号的退偏效应。

2.如权利要求1所述的星载激光雷达回波信号模拟器，其特征在于：所述激光方向跟踪装置包括第一测量相机、第二测量相机、监控相机、激光衰减器和反射镜；所述第一测量相机用于采集星载激光雷达信号模拟器输出的激光回波信号的光斑，并传输给控制计算机；所述第二测量相机用于采集被测星载激光雷达系统的发射激光信号的光斑，并传输给控制计算机；所述监控相机用于采集中继像面上的光斑位置，并传输给控制计算机；所述激光衰减器作用是衰减被测星载激光雷达系统的发射激光信号的强度，避免损坏测量相机。

3.如权利要求1或2所述的星载激光雷达回波信号模拟器，其特征在于：通过所述激光方向跟踪装置实时监测被测星载激光雷达系统的发射激光信号方向和星载激光雷达回波信号模拟器输出的激光回波信号方向的方法：

测量相机由镜头和图像传感器组成；以图像传感器的中心O为原点建立直角坐标系O_xyz，图像传感器平面垂直于z轴，O点位于镜头焦点上，镜头主点F的坐标为(0,0,-f)，其中f为镜头焦距；激光信号经过镜头后汇聚到图像传感器上形成光斑，光斑的质心坐标为A(x,y)，激光信号的方向用(ω_x,ω_y)表示，则有：

ω_x＝x/tan(f),ω_y＝y/tan(f)；

控制计算机利用所述激光方向跟踪装置和所述光束偏转装置实现激光回波信号方向跟踪的方法为：

分别在第一测量相机和第二测量相机中建立两个直角坐标系O_1-xyz和O_2-xyz，第一测量相机的光轴O₁z的方向和第二测量相机的光轴O₂z的方向严格平行反向，O_1-xyz和O_2-xyz的三个坐标轴的朝向都相反；第一测量相机中得到的激光回波信号光斑质心位置为A₁(x₁,y₁)，第二测量相机中得到的发射激光信号光斑质心位置为A₂(x₂,y₂)；第一测量相机和第二测量相机的镜头焦距都为f，则激光回波信号方向和发射激光信号方向之间的差异角为：

Δω_x＝arctan(x₂/f)-arctan(x₁/f)

Δω_y＝arctan(y₂/f)-arctan(y₁/f)

激光方向跟踪装置中的反射镜和监控相机的作用是采集中继像面上的光斑位置坐标；控制计算机根据x方向差异角Δω_x和y方向差异角Δω_y控制光束偏转装置使中继像面上光斑在x方向和y方向分别移动一段距离Δx和Δy：

Δx＝f_ctan(Δω_x)，Δy＝f_ctan(Δω_y)

式中f_c为平行光管的焦距；

控制计算机通过监控相机实时采集中继像面上的光斑位置坐标，判断是否移动到目标位置，如果没有移动到目标位置，则继续控制光束偏转装置调整光束方向，直到中继像面上的光斑移动到目标位置，形成闭环控制，即实现了激光回波信号方向跟踪。