鐘文婷, 華燈鑫, 劉　君, 張　宸, 晏克俊

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院, 陜西 西安　710048)

氣溶膠作為地球大氣的重要組成部分,是大氣環(huán)境中成分復(fù)雜、對氣候影響較大的顆粒物之一,來源不同的氣溶膠,其組成成分、形狀尺度不同,環(huán)境效應(yīng)也不同,對大氣氣溶膠的光學(xué)和微物理特性的研究日益成為近期科學(xué)研究的熱點和前沿[1]。氣溶膠探測光學(xué)雷達(dá)是對大氣氣溶膠進(jìn)行高精度遙感探測的有效手段[2],目前一般采用激光器作為光源,氣溶膠粒子的回波散射信號特征依賴于發(fā)射激光波長,利用多波長激光雷達(dá)可以獲得不同波長的氣溶膠消光系數(shù),從而得到表征粒子特征的?ngstr?m指數(shù)等信息,為進(jìn)一步分析氣溶膠微物理特征提供數(shù)據(jù)[3，4]。但是,激光雷達(dá)的波長資源有限,只局限在特定波長上對氣溶膠的探測。而且激光雷達(dá)盲區(qū)較大、能量又高,在人類活動頻繁且高樓林立的城市中,激光雷達(dá)水平探測近程氣溶膠顯得較為困難且不安全。

LED光譜資源豐富,以其作為遙感光源搭建光學(xué)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行氣溶膠探測,可以實現(xiàn)在更多波長上對氣溶膠的觀測,彌補(bǔ)激光雷達(dá)在波長可選擇性方面的不足。但是,LED是連續(xù)光源,能量弱且發(fā)散角大,不能直接用于氣溶膠探測。本文研制了一款應(yīng)用于氣溶膠探測光學(xué)雷達(dá)的LED光源,并通過仿真和初步實驗說明該光源可以用于氣溶膠探測。

1　LED光源的總體方案

氣溶膠探測光學(xué)雷達(dá)工作時,由遙感光源向大氣發(fā)射一束脈沖光,大氣中的氣溶膠粒子與脈沖光相互作用產(chǎn)生的后向散射光,通過光學(xué)接收單元接收,由信號采集單元采集大氣回波信號,再送入計算機(jī)進(jìn)行分析處理,最后通過反演計算得到大氣氣溶膠的光學(xué)特性。根據(jù)氣溶膠探測光學(xué)雷達(dá)的需要,LED光源應(yīng)滿足以下要求:

1) 納秒級的光脈沖寬度:光脈沖寬度決定了雷達(dá)探測的最小距離分辨率,光脈沖寬度越小,距離分辨率越高;

2) 單個光脈沖的能量:單個光脈沖的能量與雷達(dá)的最遠(yuǎn)探測距離有關(guān),能量越大,可以探測到的距離越遠(yuǎn);

3) 脈沖的重復(fù)頻率:重復(fù)頻率與降低噪聲有關(guān),重復(fù)頻率越高,信噪比越大;

4) 出射光束發(fā)散角:發(fā)散角應(yīng)小于雷達(dá)的接收視場,以保證光束在傳輸過程中全部或絕大部分保持在望遠(yuǎn)鏡接收視場內(nèi),提高光能利用率。

LED光源系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示,主要由LED脈沖驅(qū)動電源、大功率LED、全內(nèi)反射式(Total Internal Reflection,TIR)準(zhǔn)直器、準(zhǔn)直擴(kuò)束光路構(gòu)成。

圖1　LED光源系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1　Structure of LED light source system

LED光源工作時,LED脈沖驅(qū)動電源產(chǎn)生脈寬為納秒級的脈沖電流,驅(qū)動大功率LED發(fā)出脈沖光束,該光束經(jīng)全內(nèi)反射式準(zhǔn)直器初步準(zhǔn)直后,再經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束光路再次準(zhǔn)直,以毫弧度級的發(fā)散角發(fā)射出去。

2　LED脈沖驅(qū)動電源的設(shè)計

根據(jù)LED的工作原理,只允許電流單方向通過,電流通過時LED會發(fā)光,因此可通過控制電流通斷產(chǎn)生脈沖光,設(shè)計采用功率場效應(yīng)管開關(guān)電路實現(xiàn)。考慮到雷達(dá)探測的距離分辨率,要求光脈沖的脈寬很小,采用高速功率場效應(yīng)管IRF610作為開關(guān)器件,其上升時間為17 ns,下降時間為9 ns。圖2為LED脈沖驅(qū)動電路的原理圖。

圖2　LED脈沖驅(qū)動電路Fig.2　LED pulse driving circuit

tw=R1·C1·ln2

(1)

可通過調(diào)節(jié)電阻值和電容值得到目標(biāo)脈寬。

表1　74HC221的真值表Tab.1　Truth table of 74HC221

(注釋:H代表高電平,L代表低電平,X代表該輸入值無關(guān)系,↑代表上升沿,↓代表下降沿,H pulse代表一個高電平脈沖,L pulse代表一個低電平脈沖)

選用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA設(shè)計了觸發(fā)脈沖發(fā)生器,輸出重復(fù)頻率為100 kHz的脈沖,給74HC221的管腳B提供上升沿。雷達(dá)探測時,單次大氣回波信號是由顆粒物與一個光脈沖相互作用產(chǎn)生的,信號的噪聲以白噪聲為主,為了降低噪聲,將大量回波信號進(jìn)行累加平均處理,重復(fù)頻率越高,單位時間內(nèi)累加的脈沖次數(shù)越多,對噪聲的抑制作用越大,但重復(fù)頻率越高,意味著脈沖周期越小,會影響探測距離,本文將重復(fù)頻率設(shè)置為100 kHz。

脈沖時序如圖3所示。FPGA輸出信號的上升沿產(chǎn)生時,74HC221的管腳Q輸出一個脈寬為tw的脈沖給正向驅(qū)動器7407,由7407驅(qū)動IRF610。給漏極回路電源端VDD提供高壓,當(dāng)IRF610導(dǎo)通時,電流通過LED使其發(fā)光,通過控制導(dǎo)通時間來控制光脈沖的寬度。

圖3　脈沖時序示意圖Fig.3　Schematic diagram of pulse timing

用光電二極管探測LED光束,如圖4所示。LED發(fā)出的脈沖光束的脈寬為193.246 ns,對應(yīng)雷達(dá)探測的距離分辨率為30 m,使用激光功率能量計測得其單個脈沖能量為30 nJ。

圖4　LED脈沖光探測Fig.4　Detection of LED light pulse

3　LED光源準(zhǔn)直光路的設(shè)計

LED光源是一個朗伯光源[5],發(fā)散角接近180°,必須經(jīng)過準(zhǔn)直才能應(yīng)用于光學(xué)雷達(dá)。本文先利用全內(nèi)反射式(TIR)準(zhǔn)直器對LED光束進(jìn)行一級準(zhǔn)直,再采用逆向開普勒望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行二級準(zhǔn)直擴(kuò)束,達(dá)到高精度準(zhǔn)直的目的。

3.1　一級準(zhǔn)直原理與模型建立

全內(nèi)反射式準(zhǔn)直器是一種旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡,集折射、反射于一體,結(jié)構(gòu)緊湊,適用于LED準(zhǔn)直[6-8],其外形如圖5(a)所示。它的工作原理如圖5(b)所示,將LED放置于準(zhǔn)直器的中心O,表面1和表面3均為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的非球面,與光軸夾角小于臨界角θc的光線,經(jīng)表面1折射后平行于光軸出射,與光軸夾角大于θc的光線,先經(jīng)表面2折射,再經(jīng)過表面3全反射后平行于光軸出射。

圖5　TIR準(zhǔn)直器Fig.5　TIR collimator

隨著大功率LED的廣泛應(yīng)用,學(xué)者們研究出了許多設(shè)計TIR準(zhǔn)直器的方法,但是,這些研究工作大多是針對照明、投影等應(yīng)用場合而設(shè)計,主要追求目標(biāo)面照度的均勻性,對光束的發(fā)散角沒有特殊要求。目前市場上可以購買到的TIR準(zhǔn)直器的最小出光發(fā)散角為5°,可用于以LED作為主動探測光源的實驗室儀器系統(tǒng),但對于遙感探測的光學(xué)雷達(dá)來說仍然很大,需要設(shè)計二級準(zhǔn)直光路。本文選用發(fā)散角為5°的TIR準(zhǔn)直器對LED光束進(jìn)行一級準(zhǔn)直,為了便于二級準(zhǔn)直光路的設(shè)計,建立了TIR準(zhǔn)直器的模型,并在ZEMAX中進(jìn)行仿真。

圖5(b)中,折射面表面1和表面4中間部分可以看作是非球面凸透鏡,根據(jù)光路可逆原理,平行光通過凸透鏡匯聚在光源點處,可通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件設(shè)計表面1的參數(shù)。圖6為折射面的光線追跡圖和點列圖。從圖6(b)的點列圖可以看出,該設(shè)計聚焦效果很好,根據(jù)圖6(a)可以得到臨界角θc的值。

圖6　折射面的光線追跡圖和點列圖Fig.6　Ray tracing and spot diagram of refraction surface

全反射面(表面3)比較復(fù)雜,需要建立全反射面輪廓線的數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn),如圖7所示。

圖7　全反射面設(shè)計原理Fig.7　Design principle of total reflection surface

設(shè)與x軸夾角為φm的光線im入射到表面2的Pm點上,經(jīng)折射后入射到輪廓線上的Qm(xm,zm)點,經(jīng)全反射后出射光線平行于z軸。根據(jù)折射定理可知：

sinφm=n·sinαm

(2)

式中,αm為光線在點Pm折射后光線的折射角,n為準(zhǔn)直器材料的折射率。由圖7中的幾何關(guān)系可得：

(3)

(4)

式中,OP0為燈珠半徑。

改變光線一個微小角度Δφ得光線im+1,計算Qm點的切線斜率tanβm,光線im+1經(jīng)表面2折射后的光線與Qm點的切線Tm相交于Qm+1(xm+1,zm+1),則：

(5)

那么在已知Qm(xm,zm)情況下,再結(jié)合式(2)～(5),即可求得Qm+1(xm+1,zm+1)。

已知燈珠半徑OP0,由光線i0開始，夾角φ0=0,取Δφ=0.1 rad,Q0為(3.3,0),借助數(shù)學(xué)迭代法計算全反射面的輪廓曲線,依次計算出M個Q點的坐標(biāo),再將數(shù)據(jù)進(jìn)行8階多項式擬合得到表面3輪廓曲線多項式:

(6)

式中,Z0為非球面頂點偏離坐標(biāo)原點O的距離,Ci為多項式系數(shù),這就是全反射面輪廓線的表達(dá)式。

根據(jù)上述方法在ZEMAX中仿真出完整的全內(nèi)反射式準(zhǔn)直器,如圖8所示。圖9是光束經(jīng)該準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后的光強(qiáng)分布。點光源經(jīng)準(zhǔn)直后發(fā)散角為0.3°,但實際的LED為1 mm×1 mm的面光源,經(jīng)準(zhǔn)直后發(fā)散角為5°,與實際使用的TIR準(zhǔn)直器出光發(fā)散角相等,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二級準(zhǔn)直光路的設(shè)計。

圖8　全內(nèi)反射式準(zhǔn)直器的點光源光線追跡圖Fig.8　Ray tracing of total internal reflection collimator

圖9　全內(nèi)反射式準(zhǔn)直器出射光的光強(qiáng)分布Fig.9　Radiant intensity of total internal reflection

3.2　二級準(zhǔn)直原理與設(shè)計

二級準(zhǔn)直采用逆向開普勒望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。開普勒望遠(yuǎn)鏡原理如圖10所示,由兩個凸透鏡構(gòu)成,平行于光軸的光線經(jīng)開普勒望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)后平行于光軸出射,與光軸夾角為-ω的光線會以與光軸夾角為ω′的角度出射,根據(jù)開普勒望遠(yuǎn)鏡的原理有如下關(guān)系式:

(7)

圖10　開普勒望遠(yuǎn)鏡原理Fig.10　Principle of Kepler telescope

將固定了TIR準(zhǔn)直器的LED放置于開普勒望遠(yuǎn)鏡的出瞳位置,逆向使用開普勒望遠(yuǎn)鏡,可將光束的發(fā)散半角從ω′壓縮到ω,設(shè)計原理如圖11所示。

圖11　準(zhǔn)直光路設(shè)計原理Fig.11　Design principle of collimating light path

已知TIR透鏡的直徑DL為17.5 mm、發(fā)散半角-θL為2.5°,根據(jù)實際常用透鏡焦距尺寸,透鏡1選擇焦距為50.8 mm的平凸透鏡,透鏡2選擇焦距為175 mm的平凸透鏡,由開普勒望遠(yuǎn)鏡原理得：

(8)

則θt=12.7 mrad,另外根據(jù)以下三式：

(9)

D1=DL+2·(-l)·tanθL

(10)

(11)

可得-l=65.5 mm,D1=23.2 mm,D2=60.3 mm。

此時已將發(fā)散半角壓縮至12.7 mrad,光闌直徑Da與θt有如下關(guān)系:

(12)

則Da=4.4 mm。

一般情況下,光闌的作用是限定光束的寬度或成像范圍,這里通過減小光闌直徑Da來進(jìn)一步壓縮發(fā)散角,但光闌越小,出光光束能量越低,準(zhǔn)直光路的光能利用率越低。

利用ZEMAX對上述準(zhǔn)直光路進(jìn)行光學(xué)模擬,光線追跡如圖12所示,圖13為距離光源40 m遠(yuǎn)處光束截面的光能分布。

圖12　準(zhǔn)直光路光線追跡圖Fig.12　Ray tracing of collimating light path

圖13　光束截面能量分布Fig.13　Energy distribution of beam cross section

圖12中,LED發(fā)出的光線,經(jīng)過整個準(zhǔn)直光路后,平行于光軸出射,在垂直于光軸的截面形成圓形光斑。從圖13可以看出,在距離光源40 m遠(yuǎn)處形成的光斑的絕大部分能量比較均勻地分布在圓內(nèi),只有很小部分的能量分布在圓外,這種光束強(qiáng)度均勻分布的光源對于氣溶膠探測雷達(dá)是比較理想的遙感光源。

表2列出了光闌直徑不同時,發(fā)散角與光路的光能利用率之間的關(guān)系。LED發(fā)出的脈沖光束的能量是一定的,即30 nJ,從表2可以看出,光闌越小,發(fā)散角越小,能量利用率越低,但是發(fā)散角過大,也會影響雷達(dá)的探測距離,雷達(dá)光源期望有小的發(fā)散角同時兼有較高的能量。

表2　LED光源準(zhǔn)直光路特征參數(shù)Tab.2　Parameters of collimating light path for LED source

4　LED光源的應(yīng)用分析與實驗驗證

4.1　LED光源的性能參數(shù)

根據(jù)上述設(shè)計制作LED光源。采用美國CREE公司的XLamp XR-E Q5型5W綠光LED,光譜如圖14所示,耐溫-45℃～135℃,可于四季在戶外使用,適用于氣溶膠探測雷達(dá)。全內(nèi)反射式準(zhǔn)直器采用與XLamp XR-E Q5型LED適配的CREE XRE-5°透鏡,該透鏡采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材質(zhì),出射光直徑為17.5 mm,透光率為95%,可將LED光束發(fā)散角準(zhǔn)直到5°以內(nèi)。選擇大恒光電的GCL-0101系列平凸透鏡和可變光闌搭建二級準(zhǔn)直光路,透鏡參數(shù)如表3所示。

圖14　LED的相對光譜功率分布圖Fig.14　Relative spectrum power distribution of LED

序號焦距/mm直徑/mm材料透鏡類型透鏡1508254K9玻璃平凸透鏡透鏡2175762K9玻璃平凸透鏡

最終研制的LED光源的主要性能參數(shù)如下:①峰值波長:530 nm;②LED單脈沖能量:30 nJ;③光脈沖寬度:200 ns;④脈沖重復(fù)頻率:100 kHz;⑤出射光束發(fā)散角:在5.7～22.9 mrad范圍內(nèi)可調(diào)(發(fā)散角越小,出射光束能量越小,出光效率詳見表2)。

4.2　仿真分析

根據(jù)上述性能參數(shù),對該LED光源應(yīng)用于氣溶膠探測光學(xué)雷達(dá)時,雷達(dá)的探測盲區(qū)和探測能力進(jìn)行仿真,驗證該光源的可應(yīng)用性。

LED光源雷達(dá)結(jié)構(gòu)如圖15所示,采用共軸模式,右邊ABCD分別代表了光束與望遠(yuǎn)鏡接收視場的重疊狀態(tài),綠色為光束截面,藍(lán)色為望遠(yuǎn)鏡視場截面,陰影為兩者重疊部分。在一定距離處,發(fā)射光束與望遠(yuǎn)鏡視場的重疊面積與發(fā)射光束光斑面積的比值,稱為雷達(dá)的幾何重疊因子YG(R),而兩者未發(fā)生重疊的距離范圍,即YG(R)=0的區(qū)域,稱為雷達(dá)的探測盲區(qū)。本文所設(shè)計的LED光源發(fā)散角可調(diào),發(fā)散角越大,光束進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡視場的距離越近,探測盲區(qū)越小,但當(dāng)光源發(fā)散角大于望遠(yuǎn)鏡接收視場角時(圖15中由綠色虛線說明),望遠(yuǎn)鏡視場將不能覆蓋光束,如圖15中D狀態(tài)所示。分別取發(fā)散角為5.7 mrad、11.4 mrad、17.1 mrad、22.9 mrad來分析,望遠(yuǎn)鏡視場角取12 mrad,LED光源雷達(dá)的幾何重疊因子隨距離變化曲線如圖16所示。

圖15　共軸LED光源雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15　Structure of coaxial LED light source radar

圖16　幾何重疊因子Fig.16　Geometric overlap factor

從圖16(a)可以看出,探測盲區(qū)最大不到3 m,9 m后發(fā)射光束完全進(jìn)入接收視場。圖16(b)中,當(dāng)發(fā)散角小于視場角時,即發(fā)散角為5.7 mrad和11.4 mrad的情況,距離超過9 m時,YG(R)始終為1;而發(fā)散角大于視場角時,即發(fā)散角為17.1 mrad和22.9 mrad的情況,幾何重疊因子在某距離之后發(fā)生衰減,這是因為發(fā)散角大于視場角時,隨著距離增加,光束光斑將大于望遠(yuǎn)鏡視場,光束能量不能全部被接收。

利用美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型對LED光源雷達(dá)的探測能力進(jìn)行仿真,設(shè)置望遠(yuǎn)鏡口徑為254 mm、接收視場角為12 mrad,濾光片中心波長531 nm、帶寬22 nm,光電倍增管(PMT)的量子效率為15%,仿真結(jié)果如圖17所示。

圖17　LED光源雷達(dá)夜晚探測信噪比仿真Fig.17　Signal to noise ratio simulation of LED light source radar at night

圖17為接收視場角θr=12 mrad時,不同光束發(fā)散角下,LED光源雷達(dá)夜晚探測信噪比RSN仿真曲線。當(dāng)θt=5.7 mrad時,發(fā)散角小于接收視場角,由于光束出射能量低,探測距離僅105 m;當(dāng)θt=11.4 mrad時,發(fā)散角仍小于接收視場角,由于光束出射能量提高,探測距離增加到210 m;當(dāng)θt=17.1 mrad和22.9 mrad時,能量較大,本應(yīng)探測得更遠(yuǎn),但由于發(fā)散角大于接收視場角太多,幾何重疊因子小于1,部分光束超出接收視場,光能利用率低,探測距離沒有顯著提升。

4.3　實驗驗證

設(shè)置LED光源的發(fā)散角為11.4 mrad和22.9 mrad,搭建雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行探測嘗試,系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。圖18為同一夜晚發(fā)散角為11.4 mrad和22.9 mrad時的回波信號對比。由表2知,發(fā)散角為22.9 mrad時,光源出光能量是發(fā)散角為11.4 mrad時的三倍多,但從圖18中可以看出,近處發(fā)散角為22.9 mrad時的回波信號比發(fā)散角為11.4 mrad時大,可是兩者在200 m后信號都很弱,發(fā)散角為22.9 mrad時并不比發(fā)散角為11.4 mrad時探測得更遠(yuǎn),此結(jié)果與上述仿真結(jié)果一致?？紤]到幾何重疊因子小于1會增加后續(xù)數(shù)據(jù)反演的復(fù)雜度,故光源的發(fā)散角取11.4 mrad。

最終設(shè)置發(fā)散角為11.4 mrad進(jìn)行實驗。圖19為2016年6月20日和21日晚LED光源雷達(dá)水平觀測結(jié)果?？梢钥闯?雷達(dá)系統(tǒng)可以接收到近距離210 m處的大氣回波,說明該LED光源可以用于氣溶膠探測雷達(dá)。

表4　LED光源雷達(dá)參數(shù)Tab.4　Parameters of LED light source radar

圖18　發(fā)散角不同時回波信號對比Fig.18　Comparison of echo signals at different divergences

圖19　夜晚水平探測回波信號Fig.19　Echo signal for horizontal detection at night

5　結(jié)　語

本文研制了一款應(yīng)用于低空氣溶膠探測雷達(dá)的LED光源,利用快速功率場效應(yīng)管實現(xiàn)了LED光源的納秒級脈沖驅(qū)動,在ZEMAX中建立了TIR準(zhǔn)直器的模型，并結(jié)合開普勒望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計了準(zhǔn)直擴(kuò)束光路,實現(xiàn)了LED光束的毫弧度級準(zhǔn)直。通過光源的應(yīng)用分析說明,LED光源雷達(dá)探測盲區(qū)小。利用美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型進(jìn)行探測信號信噪比仿真,結(jié)果表明,雷達(dá)的探測距離可達(dá)210 m。通過水平觀測實驗進(jìn)一步說明,該光源可以用于氣溶膠探測雷達(dá)。該光源能量對眼安全,盲區(qū)很小,這使LED光源雷達(dá)更適用于城市內(nèi)的近程氣溶膠探測。

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