紧凑型窄带背景光功率计及含其的激光探测设备

摘要

一种紧凑型窄带背景光功率计及含其的激光探测设备，紧凑型窄带背景光功率计包括：镜头和主机；其中主机包括集成在主机外壳内的探测器、前级放大器、滤波器、后级放大器、模拟数字转换器、微处理器按键、显示屏和对外串行接口；其中，主机与镜头为可拆卸连接。本发明中的紧凑型窄带背景光功率计适于在工业级温度范围内探测并计算背景光功率与光谱辐射亮度数据，具有体积小，可靠性高，适用温度范围广，设置简单且操作难度低的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及光功率、光谱辐射亮度测量领域，尤其涉及一种紧凑型窄带背景光功率计及含其的激光探测设备。

背景技术

激光雷达、激光测距仪、激光高度计、激光接收机、激光导引头等工作于单波长窄带宽的激光探测设备都需要通过检测被测目标反射回来的微弱激光回波信号来计算目标距离、高度、位置等信息。此类激光探测设备的工作的光谱范围由其使用的带通滤光片等光学滤波元件决定，通常在几十纳米之内，例如，工业激光测距仪的工作波长905nm，光谱带宽10nm。在接收到探测目标反射回来的激光回波信号的同时，也会接收到来自目标周围物体辐射光、阳光等大气散射光等背景干扰光。这些背景光越强，激光探测设备的信噪比就越低，进而降低探测灵敏度等核心技术指标。因此，准确测量背景光功率和背景光谱辐射亮度，可以定量评估激光探测设备的探测能力，提升激光探测设备环境统适应性和可靠性。

为了直接准确地评估激光探测设备接收到的背景光功率，现有技术方案均无与此应用直接相关的产品，都需要采用多台设备组合及用户复杂的二次开发方式间接获得。现有产品可以通过以下两种技术方案实现。

首先，采用基于光谱辐射亮度计的技术方案。由光谱辐照亮度计、用户计算机或嵌入式处理单元组成。测试方式是，首先采用光谱辐照亮度计对背景进行测量，并将获得的宽谱段光谱辐照亮度数据发送给用户计算机或嵌入式处理单元，再由用户根据激光探测设备的接收光学参数(视场角、带宽、直径等)选取对应谱段测量数据进行二次计算得出背景光功率。该方案的缺点有：当前便携式光谱辐射亮度计主要是实验室内使用，工作温度范围窄，无法满足工业温度范围；该方案需要用户进行二次开发才可以得出结果，具有一定难度，不方便使用；该方案不可更换镜头，不可以集成入探测设备的接收光路，因此，无法直接测量，只能整体集成再通过二次计算获得探测设备需要的功率数据。

其次，采用以光功率计为主的技术方案。由光功率计(包括功率探头和功率计表头两部分)、用户设计的镜头(含滤光片)、计算机或嵌入式处理单元等组成。用户设计的镜头(含滤光片)需要与待测激光探测设备一致。测试方式是，首先将镜头与光功率计探头装配完整，对准目标背景区域，读出光功率计表头功率值，即为背景光功率，如果需要核算光谱辐射亮度，则需要用户根据镜头光学参数进行二次计算。缺点有：当前便携式光功率计主要是实验室内使用，工作温度范围窄，无法满足工业温度范围；零散组件搭建、数量较多、体积大，无法集成；需要用户具备专业光学知识，使用难度大。

因此，现有技术方案主要缺陷有：采用多台设备组合及用户复杂的二次开发方式间接获得；现有技术方案虽然通用性强，但没有专用于激光雷达评估的仪器设备；且现有技术方案的工作温度通常为0至40℃，工作温度范围窄，多为实验室环境产品，无法在工业温度环境中应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种紧凑型窄带背景光功率计及含其的激光探测设备，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

本发明为了解决激光雷达类激光探测设备探测能力定量评估中背景光功率和背景光谱辐射亮度的问题，降低用户使用难度，设计了一种适应工业级应用的紧凑型窄带背景光功率计。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种紧凑型窄带背景光功率计，包括：

镜头，用于接收入射光；以及

主机，用于计算和输出光功率值和光谱辐射亮度值，入射光经过镜头进入主机；

其中，主机中的元件包括：

探测器，用于将入射的光信号转换为电流信号；

前级放大器，用于将探测器输出的电流信号转换为电压信号并进行放大；

滤波器，用于将前级放大器输出的电压信号进行低通滤波，剔除高频噪声；

后级放大器，用于对滤波器输出的信号再次进行放大；

模拟数字转换器，由后级放大器驱动，用于对后级放大器输出的模拟电压信号进行数字化采样；以及

微处理器，用于获取模拟数字转换器输出的采样值，计算并输出测量结果；

其中，主机中的各个元件均集成在主机外壳内。

作为本发明的又一方面，还提供了一种激光探测设备，包括：

如上所述的紧凑型窄带背景光功率计，以及连接在所述紧凑型窄带背景光功率计侧面的被测激光探测设备；

其中，入射光依次通过被测激光探测设备中的被测设备接收镜头、被测设备探测器和被测设备信号处理电路。

最后，作为本发明的又一方面，还提供了一种集成背景光功率计的激光探测设备，包括：

如上所述的紧凑型窄带背景光功率计、分光元件、探测设备探测器和探测设备信号处理电路；

其中，分光元件用于将镜头接收的入射光分为第一光源与第二光源；

其中，主机设置于分光元件的一侧，接收第一光源，用于入射光背景光功率的同步实时测量；

其中，探测设备探测器设置于分光元件的另一侧，接收第二光源，用于激光探测设备所需功能的探测；

其中，探测设备信号处理电路用于激光探测设备光电信号转换、信号处理、用户接口及所需功能实现等。

基于上述技术方案可以看出，本发明紧凑型窄带背景光功率计及含其的激光探测设备相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、本发明的紧凑型窄带背景光功率计采用工作温度为工业级温度范围(-40至85℃)的器件制造，可在-40℃至-1℃的低温环境中或41℃至85℃的高温环境中运行，以达到在工业级温度范围内使用的效果，克服了现有技术中光功率计工作温度范围窄，只能在实验室内使用的技术缺陷；

2、本发明的紧凑型窄带背景光功率计的主机将常规功率计的探头和表头集成一体，替代分立设备搭建的负责系统，降低复杂度和成本，提高了系统集成度，有利于减小功率计体积，提高可靠性，极大提高激光雷达类激光探测设备接收机的研发、测试效率；

3、本发明的紧凑型窄带背景光功率计由主机与镜头组成，主机与镜头拆装方便，且外壳分别设置有基准平面和安装孔，方便用户对准和快速安装，用户通过可更换的镜头匹配常用的激光探测设备接收光学系统，降低使用难度；

4、本发明通过键盘、外部串行接口获得用户探测设备的光学参数(带宽、直径、视场角等)和适配的已经标定的标准镜头型号或其光学参数，计算用户探测设备接收到的背景光功率或光谱辐射亮度数据，并显示在显示屏上或通过外部串行接口发送给用户直接使用，通过简单的设置，无需进行光学设计即可以获得功率计以及待测激光探测设备的光功率或者光谱辐射亮度等信息，从而降低激光探测设备背景光测量难度，提高激光探测设备研制效率。

附图说明

图1是本发明实施例中紧凑型窄带背景光功率计结构示意图；

图2是本发明实施例中紧凑型窄带背景光功率计用于被测激光探测设备的接收性能测试的结构示意图；

图3是本发明实施例中紧凑型窄带背景光功率计作为模块集成入激光探测设备的结构示意图。

附图标记说明：

1、镜头；

2、主机；

3、被测激光探测设备；

4、集成背景光功率计的激光探测设备；

11、镜头外壳；12、镜头透镜组；13、镜头滤光片；111、镜头外壳接口；

21、主机外壳；22、探测器；23、前级放大器；24、滤波器；25、后级放大器；26、模拟数字转换器；27、微处理器；28、按键；29、显示屏；210、对外串行接口；211、主机外壳接口；

31、被测设备接收镜头；32、被测设备探测器；33、被测设备信号处理电路；

41、分光元件；42、探测设备探测器；43、探测设备信号处理电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

激光雷达类激光探测设备是在特定波长上进行探测的，特定波长如532nm、808nm、905nm、1064nm等，具有以工作波长为中心的窄带光谱滤光片。此类设备通常用于工业和军工环境中。本发明公开的紧凑型窄带背景光功率计是专用于此类激光探测设备的研发、测试、集成的产品，旨在对此类设备的探测能力进行评估及定量测试。

本发明公开了紧凑型窄带背景光功率计，包括：

镜头1，用于接收入射光；以及

主机2，用于计算和输出光功率值和光谱辐射亮度值，入射光经过镜头1进入主机2；

其中，主机2中的元件包括：

探测器22，用于将入射的光信号转换为电流信号；

前级放大器23，用于将探测器22输出的电流信号转换为电压信号并进行放大；

滤波器24，用于将前级放大器23输出的电压信号进行低通滤波，剔除高频噪声；

后级放大器25，用于对滤波器24输出的信号再次进行放大；

模拟数字转换器26，由后级放大器25驱动，用于对后级放大器25输出的模拟电压信号进行数字化采样；以及

微处理器27，用于获取模拟数字转换器26输出的采样值，计算并输出测量结果；

其中，主机2中的各个元件均集成在主机外壳21内。

在本发明的一些实施例中，所述主机2中的元件还包括：

按键28，用于获取用户输入信息和电源控制信息；

显示屏29，用于实现紧凑型窄带背景光功率计状态显示或测量结果显示；以及

对外串行接口210，用于对接用户设备，输出测量结果或远程控制用户设备。

在本发明的一些实施例中，所述镜头1包括：镜头滤光片13、镜头透镜组12和镜头外壳11，所述镜头滤光片13和所述镜头透镜组12依据入射光的入射方向依次设置于镜头外壳11内；

其中，所述镜头外壳11在所述镜头透镜组12一端设置有镜头外壳接口111；

在本发明的一些实施例中，所述主机外壳21在入射光进入一端设置有主机外壳接口211；

在本发明的一些实施例中，所述镜头外壳接口111与所述主机外壳接口211的连接方式包括可拆卸连接。

在本发明的一些实施例中，所述镜头外壳接口111或所述主机外壳接口(211)的接口类型包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M10接口、M20接口、M30接口、M42接口或M50接口；

在本发明的一些实施例中，所述镜头外壳接口111为外螺纹接口，且所述主机外壳接口211为内螺纹接口。

在本发明的一些实施例中，所述镜头1与所述主机2的工作温度为-40至85℃，可在-40℃至-1℃的低温环境中或41℃至85℃的高温环境中运行，例如工作温度可以为-40℃、-35℃、-30℃、-25℃、-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或80℃；

在本发明的一些实施例中，在-40至85℃，对所述主机2进行光谱响应度标定，

在本发明的一些实施例中，光谱响应度标定的光谱波长点包括532nm、808nm、905nm或1064nm。

在本发明的一些实施例中，所述主机外壳21设置有基准平面和安装孔，用于快速对准并安装镜头1。

本发明还公开了一种激光探测设备，包括：

如上所述的紧凑型窄带背景光功率计；以及

连接在所述紧凑型窄带背景光功率计侧面的被测激光探测设备3；

在本发明的一些实施例中，入射光依次通过被测激光探测设备3中的被测设备接收镜头31、被测设备探测器32和被测设备信号处理电路33。

在本发明的一些实施例中，所述紧凑型窄带背景光功率计的镜头1平行于被测设备接收镜头31，且所述被测激光探测设备3以主机外壳21上的基准面和安装孔作为基准定位安装在主机外壳21上；

在本发明的一些实施例中，所述镜头1与被测设备接收镜头31工作波长相同。

本发明还公开了一种集成背景光功率计的激光探测设备，包括：

如上所述的紧凑型窄带背景光功率计、分光元件41、探测设备探测器42和探测设备信号处理电路43；

在本发明的一些实施例中，分光元件41用于将镜头1接收的入射光分为第一光源与第二光源；

在本发明的一些实施例中，主机2，设置于分光元件41的一侧，接收第一光源，用于入射光功率的同步实时测量；

在本发明的一些实施例中，探测设备探测器42，设置于分光元件41的另一侧，接收第二光源，用于激光探测设备所需功能的探测；

在本发明的一些实施例中，探测设备信号处理电路43，用于激光探测设备光电信号转换、信号处理、用户接口及所需功能实现等。

在本发明的一些实施例中，所述分光元件41与所述探测设备探测器42夹角包括90度；

在本发明的一些实施例中，所述分光元件41的分光比例包括1％至60％。

本发明的一个实施例中，公开了一种紧凑型窄带背景光功率计，如图1所示，紧凑型窄带背景光功率计由两部分组成：功率计主机(即主机2)和功率计镜头(即镜头1)。镜头1由镜头外壳11、镜头滤光片13、镜头透镜组12组成。主机2由主机外壳21、探测器22、前级放大器23、低通滤波器(即滤波器24)、后级放大器25、模拟数字转换器26、微处理器27、按键28、显示屏29和对外串行接口210等组成。功率计镜头(即镜头1)为窄带光学系统，例如，工作中心波长为532nm、808nm、905nm、1064nm等之一，带宽为10nm，用于模拟被测激光探测设备的接收光学系统参数。主机2采用工业级温度范围的元件组成，可在-40℃至-1℃的低温环境中或41℃至85℃的高温环境中运行，实现功能为常规光功率计的表头和探头的功能集成以及增加的背景光功率和光谱辐射亮度计算功能，直接提供用户需要的结果，解决用户二次计算和二次开发难题。

本实施例中，紧凑型窄带背景光功率计工作原理是，在常规光功率计测量功率的基础上，增加工作于特定波长的镜头1，将限定视场角、限定光谱带宽内背景光信号成像于经过标定的光功率计探测器(即探测器22)上，通过电路处理后主机2直接准确测量出当前的背景光功率，再通过选定的功率计镜头参数和用户输入的被测激光探测设备3接收光学系统参数的比例计算得出被测激光探测设备3接收到的背景光功率或在该波长上的光谱辐射亮度的数据。

本实施例中，镜头1与主机2可方便拆装，其中镜头1安装端面为外螺纹(即镜头外壳接口111)，主机2安装端面为内螺纹(即主机外壳接口211)。螺纹尺寸选择，可以是相机C或CS接口，也可以是国标尺寸，如M10、M20、M30等。功率计主机(即主机2)可以按照接口形式不同，分为不同产品，同一接口的主机产品(即主机2)可以适配一系列的功率计镜头(即镜头1)，提高了功率计适应范围。上述一系列功率计镜头(即镜头1)包括不同带宽、直径、视场角的组合以及用户可定制的镜头1。功率计镜头(即镜头1)通过测试和标定，作为标准镜头提供用户使用。通过系列可更换的功率计镜头(即镜头1)可以匹配常用的激光探测设备接收光学系统，用户无需进行光学设计，降低使用难度，可以使初级用户通过简单参数输入即可获得所需数据。对于高级用户，可以不使用提供的系列功率计镜头1，直接将主机2集成入用户激光探测设备的接收光路中使用。

本实施例中，主机2的电子元器件全部采用工业级及更高级别的器件，主机探测器22为光电二极管，按照其响应光谱范围在多个波长点进行响应度标定，并且在工业级温度范围内(-40至85℃)进行标定。目的是解决常规光功率计只能在实验室温度下使用的问题，满足多用于工业和军工环境的激光探测设备测试和集成需求。主机2将常规功率计的探头和表头集成一体，虽然损失了独立表头的通用性，但是提高了系统集成度，有利于减小功率计体积，提高可靠性，方便用户集成。

本实施例中，主机2带有光功率和光谱辐射亮度计算功能。实现方式是通过键盘(即按键28)、对外串行接口210获得用户探测设备(即被测激光探测设备3)的光学参数(包括：带宽、直径和视场角等)和适配的已经标定的标准镜头型号或其光学参数，来计算用户探测设备(即被测激光探测设备3)接收到的背景光功率值或光谱辐射亮度数据值，并显示在显示屏29上或通过对外串行接口210发送给用户直接使用。通过集成该功能降低激光探测设备背景光测量难度，提高探测设备研制效率。

上述实施例的工作过程为，镜头1将入射背景光成像于主机探测器22上，模拟待测激光探测设备的接收光学系统。镜头外壳11对接面(即镜头外壳接口111)为外螺纹接口。主机外壳21的对接面(即主机外壳接口211)为内螺纹接口。主机外壳21外部侧面具有基准平面，并配备安装孔，用于用户安装和快速定位。主机2实现常规光功率计的功能。其中，探测器22将入射的光信号转换为电流信号；前级放大器23将探测器22输出的电流信号转换为电压信号并进行放大；低通滤波器(即滤波器24)对前级放大器23输出的信号进行低通滤波，剔除高频噪声；后级放大器25对低通滤波器(即滤波器24)输出的信号再次进行放大，并驱动后级模拟数字转换器26；模拟数字转换器26实现模拟信号的数字化采样；微处理器27获取模拟数字转换器26输出的光强度采样值通过数字信号滤波、校正等处理计算出光功率值，同时依据从键盘28或对外串行接口210获取的用户输入信息(包括适配镜头型号参数或用户设备接收光学参数)，进行背景光功率和光谱辐射亮度计算，并通过显示器29或对外串行接口210输出，同时微处理器27负责完成光功率计工作状态检测、环境温度测量、采样控制、省电控制、接口控制、显示等功能；按键28用来获得用户输入信息(适配镜头型号参数、用户设备接收光学参数)以及电源控制等功能；显示屏29实现光功率计状态显示、测量结果显示等功能；对外串行接口210可选择不同接口形式，如RS232、RS485、RS422、CAN、USB、Ethernet等，用于对接用户设备进行远程控制和测量。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

实施例1：

将紧凑型窄带背景光功率计作为整体的激光探测设备，用于评估激光探测设备接收机性能，

如图2所示，本实施例的紧凑型窄带背景光功率计作为整体对被测激光探测设备3进行评估，其中，被测激光探测设备3包括：被测设备接收镜头31、被测设备探测器32和被测设备信号处理电路33；

本实施例中，根据被测激光探测设备3的接收光学参数，选择合适的光功率计镜头(即镜头1)，并安装于主机2上。选择的镜头1应当与被测设备的接收光学镜头(即被测设备接收镜头31)具有相同工作波长、相近带宽和相近视场角，有利于主机2更准确的计算。如为了更直接的获得被测激光探测设备3的背景光数据，则可以在被测激光探测设备的接收光学镜头(即被测设备接收镜头31)原有接口上转接或更改结构外形，直接适配到主机2的主机外壳接口211。

本实施例中，将背景光功率计与被测激光探测设备3固定连接，且镜头1平行于被测激光探测设备3的接收光学镜头(即被测设备接收镜头31)。被测激光探测设备3安装定位以光功率计主机外壳(即主机外壳21)的基准面和安装孔为准。

本实施例中，设置背景光功率计，包括工作形式、适配的镜头1的型号或参数、被测激光探测设备3的接收光学参数、输出数据形式等。

其中，被测激光探测设备3的背景光功率值P

被测激光探测设备3在中心波长处的光谱辐射亮度L

公式(1)和(2)中，P

本实施例中，背景光功率计开始测量后，将持续发送或显示用户选定的测量结果数据。

实施例2：

将紧凑型窄带背景光功率计作为模块集成入激光探测设备，

如图3所示，本实施例中将紧凑型窄带背景光功率计集成在激光探测设备内，形成集成背景光功率计的激光探测设备4，包括：背景光功率计的主机(即主机2)、镜头1、分光镜(即分光元件41)、探测设备探测器42和探测设备信号处理电路43。

本实施例中，在用户激光探测设备(即集成背景光功率计的激光探测设备4)接收光路设计中增加一片分光镜(即分光元件41)，分光镜(即分光元件41)的分光比例由用户自行设计，满足用户需求的背景光功率测量范围即可。

本实施例中，将背景光功率计的主机2按照设计好的光路安装于用户激光探测设备(即集成背景光功率计的激光探测设备4)内。安装定位以光功率计主机外壳21的基准面和安装孔为准。

本实施例中，设置背景光功率计，包括待工作形式、被测激光探测设备接收光学参数和输出数据形式等。

本实施例中，背景光功率计开始测量后，将持续发送或显示用户选定的参数数据。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。