[发明专利]细分视场光学效率可控制的光学接收装置

说明书

一种细分视场光学效率可控制的光学接收装置，包括接收主透镜、DMD、光吸收体、准直透镜、窄带滤光片、聚焦透镜、探测器、DMD驱动控制模块。本发明可以使中心小视场强接收光被衰减，保证边缘大视场较弱的接收光被高灵敏度探测器接收，有效克服了激光雷达对强散射介质测量时存在的中心视场信号饱和问题，在保证边缘大视场接收光光学效率的基础上，实现对中心小视场接收光的衰减，可以有效提高激光雷达系统在水、雾等强散射介质中的探测动态范围。

技术领域

本发明涉及激光雷达海洋探测领域，特别是一种细分视场光学效率可控制的光学接收装置，该装置利用DMD驱动控制模块控制DMD不同区域微镜单元开关数量的比例，进而实现对不同视场角接收光光学效率的可编程控制。在保证边缘大视场接收光光学效率的基础上，实现对中心小视场接收光的衰减，可以有效提高激光雷达系统在水、雾等强散射介质中的探测动态范围。

背景技术

激光雷达在水、雾等强散射介质中进行目标探测，由于强散射介质导致的强衰减，目标回波信号的距离衰减要比在常规大气中的衰减严重得多，因此，会对激光雷达的探测动态范围提出更高的要求。目前常用的提升激光雷达在强散射介质中探测动态范围的方式主要有固定比例分通道技术、对数放大技术、偏振技术、距离选通、自动增益控制和光学分视场技术。

固定比例分通道技术是在接收光路上安装固定比例的分光片，分光少的通道用于近距离强回波信号测量，实现对近距离强回波信号光的衰减，分光多的通道用于远距离弱回波信号测量，保证对远距离弱回波信号的光透过率。该技术简单、成熟，虽然能够扩展激光雷达的动态范围，但是分光多的通道仍然会收到近距离强回波信号而导致饱和，一定程度上影响该通道探测器对远距离弱回波信号的探测灵敏度和稳定性。

对数放大技术是在探测电路上使用对数放大器来实现电信号的动态范围压缩，该技术能够有效扩展激光雷达系统后端采集电路的动态范围，但是，无法解决近距离强回波信号导致的探测器饱和问题。

偏振技术是采用光学偏振接收方法通过控制系统的透过率，实现对近场强后向散射光的衰减保证大部分弱信号光的透过率进而压缩激光雷达信号的动态范围。但此方法不能提高激光雷达在强散射介质中对硬目标探测的动态范围。

距离选通技术利用不同距离的回波信号到达激光雷达探测器的时间差，通过门控信号控制接收器选通门开启和持续时间将远、近场回波信号区别开。改变选通门开启和持续时间的参数可对不同距离的目标进行探测，实现动态范围的拓展。但此方法对门控时间精度的准确性要求较高且需要进行多次探测以满足回波信号的时间连续性不适合快速探测的应用。

自动增益控制技术根据信号的强度自动控制接收回波信号的增益，使得对于不同距离的回波信号探测器灵敏度不同。该技术已经广泛应用在激光三维成像和大气探测激光雷达中，但是在强散射介质中，增益曲线的上升时间达到百纳秒，这么高速的增益变化会对探测器放大电路引入较高的噪声，影响输出的放大稳定性。

采用光学分视场技术，可以实现对激光雷达系统探测动态范围的扩展，又保证两个通道信号在时间和强度上的完整性和稳定性，但是，光学分视场具有固定的分配比例，难以适用于不同散射强度的多种强散射介质的探测，因此，对于当前在多种强散射介质中使用的激光雷达，探测动态范围仍然是一个需要解决和优化的关键问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决激光雷达对水、雾等多种强散射介质探测时面临的探测动态范围不足问题，提供一种细分视场光学效率可控制的光学接收装置，该装置利用数字微镜器件(DMD)微镜单元的工作特性，通过控制不同区域微镜单元开关数量的比例，可实现对不同视场角接收光光学效率的可编程控制。可以有效提高激光雷达系统在水、雾等多种强散射介质中的探测动态范围。

本发明的工作原理：

激光在强散射介质中传播，其光斑直径会随传播距离而迅速增大，在较短的距离上形成较大的视场变化和散射信号强度变化，其形成的散射光回波信号具有如下特点：