星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置及精度修正方法
【专利摘要】本发明涉及一种星载激光雷达测风系统滞后角补偿装置及精度修正方法，属于测量【技术领域】。本发明装置中的滞后角补偿模块位于双望远镜扫描光学系统后；在系统正常工作时，回波激光经过双望远镜扫描光学系统传输至滞后角补偿模块，经滞后角补偿模块补偿后传输至外围设备；在进行滞后角补偿精度修正时，可移动插入式反射镜位于滞后角补偿模块后的光路上，扩束镜放置于可移动插入式反射镜的一侧且位于面阵光电探测器的前端；面阵光电探测器的输出端接控制信号处理模块的输入端；控制信号处理模块的输出端接滞后角补偿模块的输入端。本发明涉及的一种星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置及精度修正方法，具有补偿角度动态可调，且可利用闭环检测进行精确修正等优点。
【专利说明】星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置及精度修正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种滞后角补偿装置及精度修正方法，特别涉及一种星载激光雷达测 风系统滞后角补偿装置及精度修正方法，属于测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 激光多普勒测风雷达是利用光的多普勒效应测量大气风场速度的一种技术。它 将含有风速信息的回波与本振光进行外差拍频进而计算出不同距离处的风速，具有灵敏度 高、速度精度高等特点，可测量晴空湍流、风切变、飞机轨迹涡流等，在天气预报、环境监测、 航空航天、遥感遥测、气象观测等领域具有广阔的应用前景。卫星的轨道高度达数百公里， 发射激光到接收到回波信号之间存在毫秒级的时间延迟，即激光脉冲到目标的往返时间。 对于收发同轴的激光雷达，卫星平台的高速运动会使望远镜的光轴在接收信号的时刻相对 于激光发射的时刻产生一个偏角，称为滞后角。对于星载测风激光雷达，虽然每个系统其组 成有所差异，但根据探测点位置和平台运动速度和高度等信息，雷达系统所产生的滞后角 均可计算得到，即滞后角可认为是已知的。滞后角的存在会降低激光雷达的接收效率，由于 回波信号本就非常微弱，所以必须进行滞后角的补偿，来提高接收效率。
[0003] 测风激光雷达需要至少两个方向探测的风速数据，进行矢量合成，才能得到地面 的风速与风向信息。在公开的文献中所见到的测风激光雷达系统，发射和接收部分大部分 采用单望远镜和扫描控制器，扫描镜的作用是在不同的时刻改变光的方向（扫描镜的角速 度为匀速转动），使激光雷达可以对同一个测量点进行多个方向的风速探测，从而得到该测 量点风的方向和风速。对于有扫描镜的测风激光雷达系统，在回波光束滞后角产生的同时 扫描镜会转动至某一位置，最终进入系统内部的回波光位置可以利用光学原理计算出来。 其滞后角补偿方法有两种，一种是在系统中加入一个位置可调的滞后角补偿反射镜，在进 行滞后角补偿时，使补偿反射镜转动至某一固定位置处，对本振光进行补偿使其反射至回 波光位置处进行外差拍频；另一种方法则是采用滞后角补偿反射镜将回波光轴补偿至与本 振光重合，由于滞后角是已知的，滞后角补偿反射镜对不同的滞后角补偿时需要位移至不 同的固定位置，最后将补偿后的回波光束与本振光进行外差拍频。
[0004] 国家发明专利《一种新型相干测风激光雷达望远镜系统》（专利申请号：）公开了 一种采用扫描控制器加两望远镜扫描的测风激光雷达望远镜系统，其结构如图1所示。该 测风激光雷达望远镜系统包括扫描控制器和两个相同的具有一定夹角的离轴反射望远镜； 两个离轴反射望远镜以扫描控制器（4)为中心，以相同距离相隔一定夹角放置；每个离轴 反射望远镜由主镜（1)、次镜（2)和补偿镜（3)组成；扫描控制器（4)由一部扫描电机及 一个平面反射镜组成；由扫描电机上的反射镜的偏转，进行2个望远镜光路的切换，实现2 个望远镜的探测；从激光光源出射的光经由扫描电机上的反射镜反射进入望远镜的补偿镜 (3)，然后经过补偿镜（3)折射至望远镜次镜（2)，再经由倾斜的次镜（2)反射至望远镜主 镜（1)，由望远镜主镜（1)发射到大气中；激光作为载波信号，与大气中的分子和气溶胶粒 子相互作用产生回波信号，从大气中返回的回波信号由同一望远镜进行接收，经由望远镜 的主镜（1)、次镜（2)、补偿镜（3)至扫描电机上的反射镜，反射至后续光路中。
[0005] 由于两个离轴反射望远镜各自工作时间不同，在某一时刻，只有一个望远镜可以 对测量点进行风速探测，间隔一段时间后，另一个望远镜对相同的测量点进行另一个方向 上的风速探测，最后将这两个方向探测的风速数据进行矢量合成，得到该测量点上的水平 风速与风向信息。双望远镜的扫描方式，会导致回波光束的光轴产生两种偏移，即回波光束 的光轴位于接收系统理论光轴上方或者下方，使得滞后角无法用固定装置进行补偿。因此 需要设计一种针对双望远镜的星载测风激光雷达系统滞后角进行补偿的装置及精度修正 方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提出一种针对双望远镜的星载测风激光雷达系统滞后角进行补 偿的装置及精度修正方法。本发明方法在现有的采用两块导光镜进行补偿的滞后角补偿装 置的基础上，提出了一种补偿角度动态可调，且可利用闭环检测进行精确修正的滞后角补 偿装置及精度修正方法。本发明装置通过加入光电探测器来检测滞后角补偿的精度，同时 通过控制信号处理模块修正滞后角的补偿效果。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0008] -种星载激光雷达测风系统滞后角补偿装置，其特征在于：其包括：望远镜扫描 光学系统（5)、滞后角补偿模块（6)、可移动插入式反射镜（7)、扩束镜（8)、面阵光电探测器
[9] 和控制信号处理模块（10)。用符号a表示所述星载激光雷达测风系统滞后角补偿装置 的系统光轴。
[0009] 所述望远镜扫描光学系统（5)包括扫描控制器（4)和两个相同的离轴反射望远镜 (分别用符号Wi和W 2表示）；离轴反射望远镜Wi的光轴与所述星载激光雷达测风系统滞 后角补偿装置的系统光轴（用符号a表示）平行；离轴反射望远镜Wi和W 2分别与扫描控 制器（4)的距离相等，并且离轴反射望远镜11和12与扫描控制器（4)的连线成一定夹角。 每个离轴反射望远镜由主镜（1)、次镜（2)和补偿镜（3)组成；扫描控制器（4)由一部扫描 电机及一个平面反射镜组成；由扫描电机上的反射镜的偏转，进行2个离轴反射望远镜光 路的切换，实现2个离轴反射望远镜的探测。从激光光源出射的光经由扫描电机上的反射 镜反射进入离轴反射望远镜的补偿镜（3)，然后经过补偿镜（3)折射至望远镜次镜（2)，再 经由倾斜的次镜（2)反射至离轴反射望远镜主镜（1)，由离轴反射望远镜主镜（1)发射到 大气中；激光作为载波信号，与大气中的分子和气溶胶粒子相互作用产生回波信号，从大气 中返回的回波信号由同一离轴反射望远镜进行接收，经由离轴反射望远镜的主镜（1)、次镜 (2)、补偿镜（3)至扫描电机上的反射镜，反射至后续光路中。
[0010] 两个离轴反射望远镜Wi和1为交替工作模式，在其中一个离轴反射望远镜完成m 个激光脉冲探测后，切换至另一个离轴反射望远镜；m值由人为预先设定，m e [20,100]。
[0011] 所述望远镜扫描光学系统（5)的主要作用是：①在系统正常工作时，发射激光和 接收回波；②在对滞后角补偿进行精度修正时，提供后向反射光。
[0012] 所述滞后角补偿模块（6)包括：旋转补偿器￠01)、平移补偿器￠06)、旋转导光镜 (603)、平移导光镜（604)、第一连接件（602)和第二连接件（605);旋转导光镜（603)通过 第一连接件（602)与旋转补偿器（601)固定连接；平移导光镜（604)通过第二连接件（605) 与平移补偿器（606)固定连接；在初始状态，旋转导光镜（603)和平移导光镜（604)的零点 位置为两者平行放置并与水平方向成45°夹角；
[0013] 所述滞后角补偿模块（6)的功能包括：①当所述星载激光雷达测风系统正常工作 时，进行滞后角补偿工作。②当所述星载激光雷达测风系统处于滞后角补偿精度修正阶段 时，进行滞后角补偿精度修正工作。
[0014] 所述可移动插入式反射镜（7)的功能是：在所述星载测风激光雷达系统需要进行 滞后角补偿精度修正时，可移动插入式反射镜（7)移入到光路中，可移动插入式反射镜（7) 将离轴反射望远镜A中补偿镜（3)的后向反射光光束传输至扩束镜（8)。
[0015] 所述扩束镜（8)的功能是将离轴反射望远镜A中补偿镜（3)的后向反射光信号 光束直径按倍数缩小，以适应面阵探测器的尺寸。所述倍数可选| ~ 6。
[0016] 所述面阵光电探测器（9)的功能是接收扩束镜（8)中的光斑，成像后传输至控制 信号处理模块（10)。
[0017] 所述控制信号处理模块（10)的功能包括：①当所述星载测风激光雷达系统正常 工作时，控制信号处理模块（10)向滞后角补偿模块（6)发送上方滞后角补偿信号或下方滞 后角补偿信号；向可移动插入式反射镜（7)发送可移动插入式反射镜（7)移出信号；向面 阵光电探测器（9)发送关闭信号；并且在离轴反射望远镜巧正常工作时，控制信号处理模 块（10)向扫描控制器（4)发出移出信号；在离轴反射望远镜W 2正常工作时，控制信号处理 模块（10)向扫描控制器（4)发出移入信号。②当所述星载测风激光雷达系统处于滞后角 补偿精度修正阶段，控制信号处理模块（10)向滞后角补偿模块（6)发送精度修正信号；向 可移动插入式反射镜（7)发送可移动插入式反射镜（7)移入信号；向面阵光电探测器（9) 发送打开信号；向扫描控制器（4)发出移出信号。
[0018] 上述各部分的连接关系为：
[0019] 滞后角补偿模块（6)位于双望远镜扫描光学系统（5)后；在系统正常工作时，回波 激光经过双望远镜扫描光学系统（5)传输至滞后角补偿模块￠)，经滞后角补偿模块（6)补 偿后传输至外围设备；在进行滞后角补偿精度修正时，可移动插入式反射镜（7)位于滞后 角补偿模块（6)后的光路上，扩束镜（8)放置于可移动插入式反射镜（7)的一侧且位于面 阵光电探测器（9)的前端；面阵光电探测器（9)的输出端接控制信号处理模块（10)的输入 端；控制信号处理模块（10)的输出端接滞后角补偿模块（6)的输入端。
[0020] 使用所述星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置对滞后角进行补偿的工作过程 为：
[0021] 步骤1 :使所述星载测风激光雷达系统处于正常工作阶段，控制信号处理模块 (10)向可移动插入式反射镜（7)发送可移动插入式反射镜（7)移出信号，可移动插入式反 射镜⑵移出系统光路；控制信号处理模块（10)向面阵光电探测器（9)发送关闭信号，面 阵光电探测器（9)关闭；控制信号处理模块（10)根据离轴反射望远镜巧和^之间的工作 时序，在离轴反射望远镜A正常工作时，控制信号处理模块（10)发出扫描控制器（4)移出 信号，扫描控制器（4)移出系统光路；在离轴反射望远镜W 2工作时，控制信号处理模块（10) 发出扫描控制器（4)移入信号，扫描控制器（4)移入系统光路。
[0022] 步骤2 :控制信号处理模块（10)向滞后角补偿模块（6)发送上方滞后角补偿信号 或下方滞后角补偿信号。
[0023] 当望远镜扫描光学系统（5)中离轴反射望远镜A正常工作时，控制信号处理模块 (10)发送上方滞后角补偿信号。
[0024] 当望远镜扫描光学系统（5)中离轴反射望远镜W2正常工作时，控制信号处理模 块（10)发送下方滞后角补偿信号。
[0025] 步骤3 :滞后角补偿模块（6)根据控制信号处理模块（10)发送来的上方滞后角补 偿信号或下方滞后角补偿信号，完成滞后角补偿工作。具体为：
[0026] 步骤3. 1 :当滞后角补偿模块（6)接收到上方滞后角补偿信号时，具体操作是：旋 转补偿器（601)控制旋转导光镜（603)转动至零点位置，再顺时针旋转至与初始位置成 Θ/2度位置处，其中Θ为滞后角，Θ由人为预先设定，Θ e [9Χ1(Γ4/π，0. 36/π]度；平 移补偿器（606)控制平移导光镜（604)转动至零点位置，再向右平移HX tan Θ，其中Η为离 轴反射望远镜Α的焦点到旋转导光镜（603)对称中心点的距离。旋转补偿器（601)和平 移补偿器（606)完成控制后，结束操作。
[0027] 步骤3. 2:当滞后角补偿模块（6)接收到下方滞后角补偿信号时，具体操作是： 旋转补偿器￠01)控制旋转导光镜（603)转动至零点位置，再逆时针旋转至与初始位置 成Θ/2度位置处；平移补偿器（606)控制平移导光镜（604)转动至零点位置，再向左平移 HX tan Θ。旋转补偿器（601)、平移补偿器（606)和扫描控制器（4)完成控制后，结束操作。
[0028] 使用所述星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置对滞后角精度修正的工作过程 为：
[0029] 步骤a :使所述星载测风激光雷达系统处于滞后角精度修正阶段，控制信号处理 模块（10)向可移动插入式反射镜（7)发送可移动插入式反射镜（7)移入信号，可移动插入 式反射镜（7)移入系统光路；控制信号处理模块（10)向面阵光电探测器（9)发送打开信 号，面阵光电探测器（9)正常工作；控制信号处理模块（10)发出扫描控制器（4)移出信号， 扫描控制器（4)移出系统光路，控制信号处理模块（10)对滞后角补偿模块（6)发出复位命 令，旋转导光镜（603)和平移导光镜（604)复位至零点位置；
[0030] 步骤b :控制信号处理模块（10)读取面阵光电探测器（9)得到的离轴反射望远镜 Wi中补偿镜（3)的后向反射光光斑图像，并计算得到面阵光电探测器（9)得到的光斑中心 与面阵光电探测器（9)的中心点的横坐标之差（用符号Λ L表示）；信号处理模块（10)进 一步计算出旋转补偿器（601)的微调旋转量α/2,并将面阵光电探测器（9)得到的光斑中 心与面阵光电探测器（9)的中心点的横坐标之差Λ L和微调旋转量α/2发送给滞后角补 偿模块（6)。α的值可通过公式（1)计算得到。
[0031] Δ L · AF = h · tan α (1)
[0032] 其中，h为旋转导光镜（603)对称中心点到面阵光电探测器（9)的距离，AF为扩束 镜⑶的扩束倍数。
[0033] 步骤c :滞后角补偿模块（6)完成滞后角精度修正工作；具体操作是：检测旋转导 光镜（603)是否处于零点位置，如果面阵光电探测器（9)得到的光斑中心与面阵光电探测 器（9)的中心点的横坐标之差AL，如果| AL| < σ成立，σ为预先设定阈值，σ e [0, 10] 微米，则认为旋转导光镜（603)处于零点位置，不需做补偿修正；否则，当AL为正值时，旋 转补偿器（601)控制旋转导光镜（603)从当前位置逆时针旋转α/2度；当Λ L为负值时， 旋转补偿器（601)控制旋转导光镜（603)从当前位置顺时针旋转α/2度。重复步骤c，直 到检测到的I AL| <。，停止操作。
[0034] 有益效果
[0035] 本发明涉及的一种星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置及精度修正方法，具有 补偿角度动态可调，且可利用闭环检测进行精确修正等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 图1为已有技术中一种测风激光雷达望远镜系统的结构不意图；
[0037] 其中：1-主镜、2-次镜、3-补偿镜、4-扫描控制器。
[0038] 图2为本发明【具体实施方式】中星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置的结构示 意图；
[0039] 其中，5-望远镜扫描光学系统、6-滞后角补偿模块、7-可移动插入式反射镜、8-扩 束镜、9-面阵光电探测器、10-控制信号处理模块；
[0040] 图3为本发明【具体实施方式】中滞后角补偿模块的结构示意图；
[0041] 其中，601-旋转补偿器、602-第一连接件、603-旋转导光镜、604-平移导光镜、 605-第二连接件、606-平移补偿器。
【具体实施方式】
[0042] 为了更好的说明本发明的技术方案，下面通过实施例和附图，对本发明做进一步 说明。
[0043] 本实施例中的星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置，其结构如图1所示，其包 括：望远镜扫描光学系统5、滞后角补偿模块6、可移动插入式反射镜7、扩束镜8、面阵光电 探测器9和控制信号处理模块10。图1中，a表示星载激光雷达测风系统滞后角补偿装置 的系统光轴。
[0044] 望远镜扫描光学系统5包括：扫描控制器4和两个相同的离轴反射望远镜WjPW2 ; 离轴反射望远镜A的光轴与所述星载激光雷达测风系统滞后角补偿装置的系统光轴a平 行；离轴反射望远镜A和W2分别与扫描控制器4的距离相等，并且离轴反射望远镜％和W 2 与扫描控制器4的连线成一定夹角。每个离轴反射望远镜由主镜1、次镜2和补偿镜3组 成；扫描控制器4由一部扫描电机及一个平面反射镜组成；由扫描电机上的反射镜的偏转， 进行2个离轴反射望远镜光路的切换，实现2个离轴反射望远镜的探测。从激光光源出射 的光经由扫描电机上的反射镜反射进入离轴反射望远镜的补偿镜3,然后经过补偿镜3折 射至望远镜次镜2,再经由倾斜的次镜2反射至离轴反射望远镜主镜1，由离轴反射望远镜 主镜1发射到大气中；激光作为载波信号，与大气中的分子和气溶胶粒子相互作用产生回 波信号，从大气中返回的回波信号由同一离轴反射望远镜进行接收，经由离轴反射望远镜 的主镜1、次镜2、补偿镜3至扫描电机上的反射镜，反射至后续光路中。
[0045] 两个离轴反射望远镜A和^为交替工作模式，在其中一个离轴反射望远镜完成m 个激光脉冲探测后，切换至另一个离轴反射望远镜；m = 50。
[0046] 望远镜扫描光学系统5的主要作用是：①在系统正常工作时，发射激光和接收回 波；②在对滞后角补偿进行精度修正时，提供后向反射光。
[0047] 滞后角补偿模块6的结构如图2所示，其包括：旋转补偿器601、平移补偿器606、 旋转导光镜603、平移导光镜604、第一连接件602和第二连接件605 ;旋转导光镜603通 过第一连接件602与旋转补偿器601固定连接；平移导光镜604通过第二连接件605与平 移补偿器606固定连接；在初始状态，旋转导光镜603和平移导光镜604的零点位置为两者 平行放置并与水平方向成45°夹角；
[0048] 其中，旋转补偿器601和平移补偿器606选用高精度高分辨率压电式摆偏台普爱 纳米位移技术有限公司，产品型号为S-330. 2SL。
[0049] 滞后角补偿模块6的功能包括：①当所述星载激光雷达测风系统正常工作时，进 行滞后角补偿工作。②当所述星载激光雷达测风系统处于滞后角补偿精度修正阶段时，进 行滞后角补偿精度修正工作。
[0050] 可移动插入式反射镜7的功能是：在所述星载测风激光雷达系统需要进行滞后角 补偿精度修正时，可移动插入式反射镜7移入到光路中，可移动插入式反射镜7将离轴反射 望远镜A中补偿镜3的后向反射光光束传输至扩束镜8。
[0051] 扩束镜8的功能是将离轴反射望远镜％中补偿镜3的后向反射光信号光束直径 按4倍数缩小，以适应的面阵探测器尺寸。
[0052] 面阵光电探测器9选用成像面阵的大小为320X256,像元大小为30μπιΧ30μπι， 像面尺寸9. 6mmX 7. 68mm的面阵光电探测器。其功能是接收扩束镜8中的光斑，成像后传 输至控制信号处理模块10。
[0053] 所述控制信号处理模块10的功能包括：①当所述星载测风激光雷达系统正常工 作时，控制信号处理模块10向滞后角补偿模块6发送上方滞后角补偿信号或下方滞后角补 偿信号；向可移动插入式反射镜7发送可移动插入式反射镜7移出信号；向面阵光电探测 器9发送关闭信号；并且在离轴反射望远镜A正常工作时，控制信号处理模块10向扫描控 制器4发出移出信号；在离轴反射望远镜W 2正常工作时，控制信号处理模块10向扫描控制 器4发出移入信号。②当所述星载测风激光雷达系统处于滞后角补偿精度修正阶段，控制 信号处理模块10向滞后角补偿模块6发送精度修正信号；向可移动插入式反射镜7发送可 移动插入式反射镜7移入信号；向面阵光电探测器9发送打开信号；向扫描控制器4发出移 出信号。
[0054] 上述各部分的连接关系为：
[0055] 滞后角补偿模块6位于双望远镜扫描光学系统5后；在系统正常工作时，回波激光 经过双望远镜扫描光学系统5传输至滞后角补偿模块6,经滞后角补偿模块6补偿后传输至 外围设备；在进行滞后角补偿精度修正时，可移动插入式反射镜7位于滞后角补偿模块6后 的光路上，扩束镜8放置于可移动插入式反射镜7的一侧且位于面阵光电探测器9的前端； 面阵光电探测器9的输出端接控制信号处理模块10的输入端；控制信号处理模块10的输 出端接滞后角补偿模块6的输入端。
[0056] 采用本实施例中所述星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置对滞后角进行补偿， 具体操作步骤为：
[0057] 步骤1 :使所述星载测风激光雷达系统处于正常工作阶段，控制信号处理模块10 向可移动插入式反射镜7发送可移动插入式反射镜7移出信号，可移动插入式反射镜7移 出系统光路；控制信号处理模块10向面阵光电探测器9发送关闭信号，面阵光电探测器9 关闭；控制信号处理模块10根据离轴反射望远镜A和W2之间的工作时序，在离轴反射望远 镜A正常工作时，控制信号处理模块10发出扫描控制器4移出信号，扫描控制器4移出系 统光路；在离轴反射望远镜W 2工作时，控制信号处理模块10发出扫描控制器4移入信号， 扫描控制器4移入系统光路。
[0058] 步骤2 :控制信号处理模块10向滞后角补偿模块6发送上方滞后角补偿信号或下 方滞后角补偿信号。
[0059] 当望远镜扫描光学系统5中离轴反射望远镜％正常工作时，控制信号处理模块10 发送上方滞后角补偿信号。
[0060] 当望远镜扫描光学系统5中离轴反射望远镜W2正常工作时，控制信号处理模块10 发送下方滞后角补偿信号。
[0061] 步骤3 :滞后角补偿模块6根据控制信号处理模块10发送来的上方滞后角补偿信 号或下方滞后角补偿信号，完成滞后角补偿工作。具体为：
[0062] 步骤3. 1 :当滞后角补偿模块6接收到上方滞后角补偿信号时，具体操作是：旋转 补偿器601控制旋转导光镜603转动至零点位置，再顺时针旋转至与初始位置成Θ /2度位 置处，其中Θ为滞后角，Θ = 0.360/π度；平移补偿器606控制平移导光镜604转动至 零点位置，再向右平移HX tan Θ，其中Η为离轴反射望远镜&的焦点到旋转导光镜603对 称中心点的距离，H = 1.5m。旋转补偿器601和平移补偿器606完成控制后，结束操作。
[0063] 步骤3. 2 :当滞后角补偿模块6接收到下方滞后角补偿信号时，具体操作是：旋转 补偿器601控制旋转导光镜603转动至零点位置，再逆时针旋转至与初始位置成Θ /2度位 置处；平移补偿器606控制平移导光镜604转动至零点位置，再向左平移HX tan Θ。旋转 补偿器601、平移补偿器606和扫描控制器4完成控制后，结束操作。
[0064] 使用所述星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置对滞后角精度修正的工作过程 为：
[0065] 步骤a :使所述星载测风激光雷达系统处于滞后角精度修正阶段，控制信号处理 模块10向可移动插入式反射镜7发送可移动插入式反射镜7移入信号，可移动插入式反射 镜7移入系统光路；控制信号处理模块10向面阵光电探测器9发送打开信号，面阵光电探 测器9正常工作；控制信号处理模块10发出扫描控制器4移出信号，扫描控制器4移出系 统光路，控制信号处理模块10对滞后角补偿模块6发出复位命令，旋转导光镜603和平移 导光镜604复位至零点位置；
[0066] 步骤b :控制信号处理模块10读取面阵光电探测器9得到的离轴反射望远镜％中 补偿镜3的后向反射光光斑图像，并计算得到面阵光电探测器9得到的光斑中心与面阵光 电探测器9的中心点的横坐标之差Λ L ;信号处理模块10进一步计算出旋转补偿器601的 微调旋转量α/2,并将面阵光电探测器9得到的光斑中心与面阵光电探测器9的中心点的 横坐标之差△ L和微调旋转量α /2发送给滞后角补偿模块6。α的值可通过公式1计算 得到，公式1中h = 0· 5m，= |。
[0067] 步骤c :滞后角补偿模块6完成滞后角精度修正工作；具体操作是：检测旋转导光 镜603是否处于零点位置，如果面阵光电探测器9得到的光斑中心与面阵光电探测器9的 中心点的横坐标之差Λ L，如果满足I Λ L| <。，。= 1.5微米，则认为旋转导光镜603处 于零点位置，不需做补偿修正；否则，当Λ L为正值时，旋转补偿器601控制旋转导光镜603 从当前位置逆时针旋转α/2度；当AL为负值时，旋转补偿器601控制旋转导光镜603从 当前位置顺时针旋转α/2度。重复步骤c，直到检测到的| AL| <。，停止操作。
[0068] 本发明的主要内容已通过上述优选实例作了详细介绍，应当认识到上述的描述不 应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修 改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1. 一种星载激光雷达测风系统滞后角补偿装置，其特征在于：其包括：望远镜扫描光 学系统（5)、滞后角补偿模块￠)、可移动插入式反射镜（7)、扩束镜（8)、面阵光电探测器 (9)和控制信号处理模块（10);用符号a表示所述星载激光雷达测风系统滞后角补偿装置 的系统光轴； 所述望远镜扫描光学系统（5)包括扫描控制器（4)和两个相同的离轴反射望远镜％和W2 ;离轴反射望远镜W1的光轴与所述星载激光雷达测风系统滞后角补偿装置的系统光轴a 平行；离轴反射望远镜W1和W2分别与扫描控制器（4)的距离相等，并且离轴反射望远镜W1 和W2与扫描控制器（4)的连线成一定夹角；每个离轴反射望远镜由主镜（1)、次镜（2)和补 偿镜（3)组成；扫描控制器（4)由一部扫描电机及一个平面反射镜组成；由扫描电机上的 反射镜的偏转，进行2个离轴反射望远镜光路的切换，实现2个离轴反射望远镜的探测；从 激光光源出射的光经由扫描电机上的反射镜反射进入离轴反射望远镜的补偿镜（3)，然后 经过补偿镜（3)折射至望远镜次镜（2)，再经由倾斜的次镜（2)反射至离轴反射望远镜主 镜（1)，由离轴反射望远镜主镜（1)发射到大气中；激光作为载波信号，与大气中的分子和 气溶胶粒子相互作用产生回波信号，从大气中返回的回波信号由同一离轴反射望远镜进行 接收，经由离轴反射望远镜的主镜（1)、次镜（2)、补偿镜（3)至扫描电机上的反射镜，反射 至后续光路中； 两个离轴反射望远镜W1和W2为交替工作模式，在其中一个离轴反射望远镜完成m个激 光脉冲探测后，切换至另一个离轴反射望远镜；m值由人为预先设定，me[20,100]; 所述望远镜扫描光学系统（5)的主要作用是：①在系统正常工作时，发射激光和接收 回波；②在对滞后角补偿进行精度修正时，提供后向反射光； 所述滞后角补偿模块（6)包括：旋转补偿器￠01)、平移补偿器￠06)、旋转导光镜 (603)、平移导光镜（604)、第一连接件（602)和第二连接件（605);旋转导光镜（603)通过 第一连接件（602)与旋转补偿器（601)固定连接；平移导光镜（604)通过第二连接件（605) 与平移补偿器（606)固定连接；在初始状态，旋转导光镜（603)和平移导光镜（604)的零点 位置为两者平行放置并与水平方向成45°夹角； 所述滞后角补偿模块（6)的功能包括：①当所述星载激光雷达测风系统正常工作时， 进行滞后角补偿工作；②当所述星载激光雷达测风系统处于滞后角补偿精度修正阶段时， 进行滞后角补偿精度修正工作； 所述可移动插入式反射镜（7)的功能是：在所述星载测风激光雷达系统需要进行滞后 角补偿精度修正时，可移动插入式反射镜（7)移入到光路中，可移动插入式反射镜（7)将离 轴反射望远镜W1中补偿镜（3)的后向反射光光束传输至扩束镜（8); 所述扩束镜（8)的功能是将离轴反射望远镜W1中补偿镜（3)的后向反射光信号光束 直径按倍数缩小，以适应面阵探测器的尺寸；所述倍数可选I?6; 所述面阵光电探测器（9)的功能是接收扩束镜（8)中的光斑，成像后传输至控制信号 处理模块（10); 所述控制信号处理模块（10)的功能包括：①当所述星载测风激光雷达系统正常工作 时，控制信号处理模块（10)向滞后角补偿模块（6)发送上方滞后角补偿信号或下方滞后 角补偿信号；向可移动插入式反射镜（7)发送可移动插入式反射镜（7)移出信号；向面阵 光电探测器（9)发送关闭信号；并且在离轴反射望远镜W1正常工作时，控制信号处理模块 (10)向扫描控制器（4)发出移出信号；在离轴反射望远镜W2正常工作时，控制信号处理模 块（10)向扫描控制器（4)发出移入信号；②当所述星载测风激光雷达系统处于滞后角补偿 精度修正阶段，控制信号处理模块（10)向滞后角补偿模块（6)发送精度修正信号；向可移 动插入式反射镜（7)发送可移动插入式反射镜（7)移入信号；向面阵光电探测器（9)发送 打开信号；向扫描控制器（4)发出移出信号； 上述各部分的连接关系为： 滞后角补偿模块（6)位于双望远镜扫描光学系统（5)后；在系统正常工作时，回波激光 经过双望远镜扫描光学系统（5)传输至滞后角补偿模块￠)，经滞后角补偿模块（6)补偿后 传输至外围设备；在进行滞后角补偿精度修正时，可移动插入式反射镜（7)位于滞后角补 偿模块（6)后的光路上，扩束镜（8)放置于可移动插入式反射镜（7)的一侧且位于面阵光 电探测器（9)的前端；面阵光电探测器（9)的输出端接控制信号处理模块（10)的输入端； 控制信号处理模块（10)的输出端接滞后角补偿模块￠)的输入端。
2.如权利要求1所述星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置，其特征在于：使用其对 滞后角进行补偿的工作过程为： 步骤1:使所述星载测风激光雷达系统处于正常工作阶段，控制信号处理模块（10)向 可移动插入式反射镜（7)发送可移动插入式反射镜（7)移出信号，可移动插入式反射镜（7) 移出系统光路；控制信号处理模块（10)向面阵光电探测器（9)发送关闭信号，面阵光电探 测器（9)关闭；控制信号处理模块（10)根据离轴反射望远镜巧和^之间的工作时序，在离 轴反射望远镜W1正常工作时，控制信号处理模块（10)发出扫描控制器（4)移出信号，扫描 控制器（4)移出系统光路；在离轴反射望远镜W2工作时，控制信号处理模块（10)发出扫描 控制器（4)移入信号，扫描控制器（4)移入系统光路； 步骤2:控制信号处理模块（10)向滞后角补偿模块（6)发送上方滞后角补偿信号或下 方滞后角补偿信号； 当望远镜扫描光学系统（5)中离轴反射望远镜W1正常工作时，控制信号处理模块（10) 发送上方滞后角补偿信号； 当望远镜扫描光学系统（5)中离轴反射望远镜W2正常工作时，控制信号处理模块（10) 发送下方滞后角补偿信号； 步骤3 :滞后角补偿模块（6)根据控制信号处理模块（10)发送来的上方滞后角补偿信 号或下方滞后角补偿信号，完成滞后角补偿工作；具体为： 步骤3.1:当滞后角补偿模块（6)接收到上方滞后角补偿信号时，具体操作是：旋转补 偿器（601)控制旋转导光镜（603)转动至零点位置，再顺时针旋转至与初始位置成0/2度 位置处，其中0为滞后角，0由人为预先设定，0e[9X 度；平移补偿 器（606)控制平移导光镜（604)转动至零点位置，再向右平移HXtan0，其中H为离轴反射 望远镜W1的焦点到旋转导光镜（603)对称中心点的距离；旋转补偿器（601)和平移补偿器 (606)完成控制后，结束f呆作； 步骤3.2:当滞后角补偿模块（6)接收到下方滞后角补偿信号时，具体操作是：旋转补 偿器（601)控制旋转导光镜（603)转动至零点位置，再逆时针旋转至与初始位置成0 /2度 位置处；平移补偿器（606)控制平移导光镜（604)转动至零点位置，再向左平移HXtan0 ; 旋转补偿器（601)、平移补偿器（606)和扫描控制器（4)完成控制后，结束操作。
3.如权利要求1或2所述的星载测风激光雷达系统滞后角补偿装置，其特征在于：使 用其对滞后角精度修正的工作过程为： 步骤a:使所述星载测风激光雷达系统处于滞后角精度修正阶段，控制信号处理模块 (10)向可移动插入式反射镜（7)发送可移动插入式反射镜（7)移入信号，可移动插入式反 射镜（7)移入系统光路；控制信号处理模块（10)向面阵光电探测器（9)发送打开信号，面 阵光电探测器（9)正常工作；控制信号处理模块（10)发出扫描控制器（4)移出信号，扫描 控制器（4)移出系统光路，控制信号处理模块（10)对滞后角补偿模块（6)发出复位命令， 旋转导光镜（603)和平移导光镜（604)复位至零点位置； 步骤b:控制信号处理模块（10)读取面阵光电探测器（9)得到的离轴反射望远镜W1中 补偿镜（3)的后向反射光光斑图像，并计算得到面阵光电探测器（9)得到的光斑中心与面 阵光电探测器（9)的中心点的横坐标之差AL;信号处理模块（10)进一步计算出旋转补偿 器（601)的微调旋转量a/2,并将面阵光电探测器（9)得到的光斑中心与面阵光电探测器 (9)的中心点的横坐标之差AL和微调旋转量a/2发送给滞后角补偿模块（6) ;a的值可 通过公式（1)计算得到； A L ? AF = h ? tan a (I) 其中，h为旋转导光镜（603)对称中心点到面阵光电探测器（9)的距离，AF为扩束镜 (8)的扩束倍数； 步骤c:滞后角补偿模块（6)完成滞后角精度修正工作；具体操作是：检测旋转导光镜 (603)是否处于零点位置，如果面阵光电探测器（9)得到的光斑中心与面阵光电探测器（9) 的中心点的横坐标之差AL，如果IAL| < 〇成立，。为预先设定阈值，〇G[〇, 10]微米， 则认为旋转导光镜（603)处于零点位置，不需做补偿修正；否则，当AL为正值时，旋转补偿 器（601)控制旋转导光镜（603)从当前位置逆时针旋转a/2度；当AL为负值时，旋转补 偿器（601)控制旋转导光镜（603)从当前位置顺时针旋转a/2度；重复步骤c，直到检测 到的IALI< 〇，停止操作。
【文档编号】G01S7/481GK104267390SQ201410507605
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】郭磐, 张寅超, 杨志浩, 陈思颖, 陈和 申请人:北京理工大学