激光高度计探测视场角的测试研究

引言

激光高度计属主动遥感系统,与微波遥感和红外遥感相比,因为激光的发散角小,激光主动遥感具有精度和角分辨率高的优点.人们通过对多次散射的研究发现,探测视场角(FOV)与多次散射激光雷达的接收信号有很大的关系.视场角大,接收系统更容易接收到回波信号,对系统发射轴和接收轴的平行度要求降低,但接收到的背景噪声也随之加大,目标信号的相对幅度减小;视场角小,虽然背景噪声减少,但目标信号强度也大大减小,目标信号的相对幅度仍会降低,并且对系统双轴平行性要求更高.在系统设计中,为了保证系统的综合性能,视场角需要满足一定的数值.表1[1-4]是国外报导的几种激光高度计的FOV值.

由表1可以看出国外对发射的激光高度计探测视场角都进行了严格的限定,探测视场的大小取决于抑制杂散光的需求和系统结构配准的裕度.为了保证装调后得到的仪器能处于最优工作状态,在激光高度计装配过程中及装机完成后,对其特性参数都要进行测试,以验证其是否满足设计要求.光学系统装配后的视场范围利用光学方法可以得到.但是,当系统装上探测器之后,由于探测器本身结构的影响,会使得探测器光敏面的位置与理想焦平面位置有偏移.该偏移除了导致视场发生变化之外,还会引起接收望远镜的视轴发生变化,从而引起发射轴与接收轴不共轴.这些影响对高精度的仪器设备来说是不允许的.

1　探测视场对系统探测性能的影响

1. 1　探测视场与杂散光的关系

激光高度计属于高灵敏度探测系统,容易受到外界光线的影响,外界光线包括接收系统视场内的背景光和视场外的光线通过内壁散射进入探测器的杂散光[5].这些背景光和杂散光的存在会引起系统信噪比的降低[6],增加系统虚警率.激光高度计接收到的外界光线主要包括太阳直射入系统的光线和太阳被其它物体漫射后的散射光线.接收系统视场内的背景光通量如式(1)[7]所示

式中,Pine为系统接收到的背景光通量,E为太阳光辐射通量,τ2a为大气双程透过率,ρE为物体反射率,θFOV为系统探测视场角,Ar为接收系统孔径,τr为接收系统透过率.

从式(1)可以看出,杂散光大小与系统的探测视场角平方成正比关系.视场角越大,系统受背景光的影响越厉害.

1. 2　探测视场对系统结构的影响

激光高度计需要接收到发射激光的回波才能实现其功能,其发射轴与接收轴的配准度是实现测距功能的重要关键之一.对于收发不共轴系统,系统允许的光轴偏差量与系统本身的激光发散角和接收望远镜视场有关.假设激光发散角为α、接收望远镜视场角为θFOV、两光轴夹角为δ.对于确定的夹角为δ,在不同的距离为R处的目标上,激光光束与接收望远镜的视场有三种重叠的情形:完全不重合、部分重合和完全重合.当两视场不完全重合时,系统接收到的激光能量会减弱,影响系统最大测程和探测漏警率;当重合度为零时,激光高度计将探测不到信号.满足系统在远距离状态一直重合的条件[8]是