专利名称：激光测量动态范围扩展装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光测距，特别是一种机载激光测量水深度的激光测量动态范围扩展装置。
技术背景回波信号大动态范围问题一直是机载激光测深系统中的主要难题之一，本技术能够对机载激光测深系统中回波信号的动态范围进行有效扩展，同时也能应用于其他激光遥感，激光测距技术。
机载激光测深原理示意图如图1所示，从机载平台向下发射的激光脉冲经过空气和海水的界面，一部分被海水反射，另一部分则进入海水。透射光进入海水之后，海水对其进行选择性吸收和散射。部分散射光即海水的后向散射光与海底反射光一起组成回波光信号返回海面。经过海水空气界面又折射回到空中，经过大气，被飞机上的探测器件接收。由于海面反射的光信号比海底反射的光信号强得多，同时，后向散射的光能量随海水深度呈指数衰减，海底反射回波光信号也随海水深度指数衰减，因而，机载激光测深系统所探测到的回波信号不仅光强微弱，而且动态范围很大。采用菲戈斯的模型(Victor J.FeigelsLidars for Oceanological ResearchCriteria for Comparison，Main Limitations，Perspectives SPIE Vol.1750 Ocean Optics Xl(1992)/473)，得到的激光回波信号的总功率P＝Pb+Pw+PsPi=b,w=PrRηAR(1-ρs)2(nH+H)2exp(-2τα)exp(-2hk)F(mψ,bh)]]>Pb为海底反射信号，Pw为水体后向散射信号，Ps为天空背景光信号。F为散射相位函数，Pr为激光器发射峰值功率，η为系统有效接受效率，H是飞机航高，h为水深，k为海水有效衰减系数。根据这个方程，可以算出不同水质和水深情况下海表海底信号的动态范围，折算到光电探测器的输出，如图2，从图中可以看出海表海底信号的差异很大，达到6个数量级左右，目前还没有一个独立有效的方法能够解决整个动态范围问题，因此目前一般采取多种方法相结合来扩展动态范围，例如正交偏振检测滤波，探测器变增益(Michael P.Bristow，Donald H.Bundy，Signal linearity，gain stability，and gating inphotomultipliersapplication to differential absorption lidars Applied OpticsVol.34，No.21July 1995)等方法，但是这些方法对动态范围的扩展还是不够的，一般利用偏振滤波和探测器变增益技术可以扩展2-3个数量级，这样的话，对于数据采集卡的输入动态范围要求有3个数量级左右，对于目前一般采用的8位，1GHz的数据采集卡还是不能满足要求的。根据上述动态范围的要求，至少需要10位以上的数据采集卡，且由于发射激光脉冲的上升时间大约4ns左右，要想采集到较满意的信号，数据采集卡的采样率必须达到500MHz以上，但是目前情况下，这种高采样率和宽输入范围的数据采集卡很少见，这成了动态范围扩展技术的一个难点。
发明内容
本实用新型的目的是为了解决上述动态范围扩展的难题，提供一种激光测量动态范围扩展装置，以解决高采样率和宽输入范围的数据采集的问题。
本实用新型的实质是采用双通道方式接受回波信号，来克服目前数据采集卡的高采样率和宽输入范围之间的矛盾。
本技术方案的基础是由于海水的散射作用，激光束在水中传输的过程中会展宽，典型的回波波形如图3所示。由于海水的散射作用，激光脉冲回波波形2的上升沿随着海水深度的增加会变得平坦，下表为实际海洋试验中得到光脉冲上升沿随着海水深度增加而增加的统计结果。
从表中可以看出，当发射脉冲上升沿时间为4ns时，随着水深增加到15米以后，大部分的回波信号的回波波形2的上升时间超过了8ns。由图2也可以看出，15m以内信号的动态范围大约为3个数量级，并且信号上升时间大部分集中4-5ns，因此水深15m以内，可以使用采样率1GHz，8位的数据采集卡。15m深以后，从图2可以看出，信号的动态范围逐渐变大，最大达到6个数量级左右，但是信号被展宽，回波波形2上升时间大部分集中在8ns以上，因此水深15m以后，我们只有使用采样率400MHz以上，10位以上的数据采集卡，才能达到大动态测量范围的测量的目的。因此通过这种双通道数据采集的方式能满足在整个动态范围内数据采集的要求。
本实用新型的技术解决方案如下一种激光测量动态范围扩展装置，结构包括一三通接头的输出端分为三路，其中第二路和第三路分别接到第一数据采集卡的输入端和第二数据采集卡的输入端，第一路接到比较器的输入端，域值T接比较器的另一输入端，该比较器的两输出端分别经过第一导线和第二导线接第一数据采集卡和第二数据采集卡的触发端，所述的第一数据采集卡和第二数据采集卡的输出端接计算机，所述的第一数据采集卡的采样率≥大于400MHz，14位的数据采集卡，第二数据采集卡的采样率≥1GHz，8位的数据采集卡。
本实用新型的有益效果是利用两个通道数据采集来接收深水回波信号，可有效地解决激光测量的动态范围问题。
图1为机载激光测量水深的示意图；图2为不同水深和水质情况下，对应的回波信号的动态范围，k为海水的漫反射衰减系数，代表了水质情况，k越大，水质越差；图3为实际试验采集到的典型的回波信号波形图，脉冲1为海水表面回波信号，脉冲2为海底回波信号；图4为本实用新型激光测量动态范围扩展装置的结构示意图图中0-三通接头，T为比较器的域值，1-比较器，4-第一数据采集卡，5-第二数据采集卡，6-计算机。
具体实施方式
先请参阅图4，图4为本实用新型激光测量动态范围扩展装置的结构示意图，图4也是本实用新型激光测量动态范围扩展装置实施例的结构示意图，由图可见，本实用新型激光测量动态范围扩展装置的结构为一三通接头0的输入端接光电探测器的输出端，该三通接头0将所述的光电探测器接收的回波信号分为三路I1、I2、I3输出，其中第二路I2和第三路I3分别接到第一数据采集卡4的输入端和第二数据采集卡5的输入端，第一路I1接到比较器1的输入端，域值T接比较器1的另一输入端，该比较器1的两输出分别经过第一导线2和第二导线3接第一数据采集卡4和第二数据采集卡5的触发端，所述的第一数据采集卡4和第二数据采集卡5的输出端接计算机6，在本实施例中，所述的第一数据采集卡4的采样率为400MHz，14位的数据采集卡，第二数据采集卡5的采样率为1GHz，8位的数据采集卡。
在具体测量过程中，先将正常水深情况下15m处的回波信号值作为比较器1阈值T，加到比较器1的一个输入端，同时将系统上的光电探测器接收到的回波输出信号通过所述的三通接头0分为三路输出信号I1、I2和I3，其中信号I1接到比较器1的另一个输入端上，同时将信号I2和信号I3分别接到第一数据采集卡4和第二数据采集卡5的输入端上，不同水深处的回波信号与所述的域值T比较，回波信号小于T值，由比较器1的输出信号经由导线2触发第一数据采集卡4，回波信号大于T值时，由比较器1的输出信号经由导线3触发第二数据采集卡5，第一数据采集卡4和第二数据采集卡5采集分别采集15m深以内和15m深以外的信号输入计算机6，进行数据存储和处理。
通过本实用新型可以实现双数据采集卡自动切换地进行数据采集，从而解决了在先技术尚未解决的高采样率和宽输入范围的数据采集的问题。
权利要求1.一种激光测量动态范围扩展装置，特征在于结构为三通接头(0)的输出端分为三路(I1、I2、I3)，其中第二路(I2)和第三路(I3)分别接第一数据采集卡(4)的输入端和第二数据采集卡(5)的输入端，第一路(I1)接到比较器(1)的输入端，域值T接比较器(1)的另一输入端，该比较器(1)的两输出端分别经过第一导线(2)和第二导线(3)接第一数据采集卡(4)和第二数据采集卡(5)的触发端，所述的第一数据采集卡(4)和第二数据采集卡(5)的输出接计算机(6)。
2.根据权利要求1所述的激光测量动态范围扩展装置，其特征在于所述的第一数据采集卡(4)为采样率≥大于400MHz，14位的数据采集卡，第二数据采集卡(5)为采样率≥1GHz，8位的数据采集卡。
专利摘要一种激光测量动态范围扩展装置，结构为一三通接头的输出端分为三路，其中第二路和第三路分别接到第一数据采集卡的输入端和第二数据采集卡的输入端，第一路接到比较器的输入端，域值T接比较器的另一输入端，该比较器的两输出分别经过第一导线和第二导线接第一数据采集卡和第二数据采集卡的触发端，所述的第一数据采集卡和第二数据采集卡的输出端接计算机，所述的第一数据采集卡的采样率≥大于400MHz，14位的数据采集卡，第二数据采集卡的采样率≥1GHz，8位的数据采集卡。本实用新型可以实现双数据采集卡自动切换地进行数据采集，从而解决了在先技术尚未解决的高采样率和宽输入范围的数据采集的问题。
文档编号G01S17/00GK2867358SQ20062003931
公开日2007年2月7日 申请日期2006年1月27日 优先权日2006年1月27日
发明者朱坚, 陈卫标, 臧华国, 贺岩 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所