CN101576620B - 大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置 - Google Patents

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Abstract

一种大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置，包括方位扫描机构，俯仰扫描机和光束平移机构。方位扫描机构安装在激光雷达接收望远镜的上方，入射端口光轴与接收望远镜光轴同轴，且与方位扫描机构的转动轴同轴。俯仰扫描机构的入射端口与方位旋转箱体的出射端口相连，两端口口径相等；俯仰扫描机构的入射光轴与方位扫描机构的出射光轴同轴，并且与俯仰扫描机构的转动轴同轴。光束平移盒安装在俯仰扫描机构上方，光束平移盒下面板与俯仰扫描机构的出射端口相连，光束平移盒的入射光轴与俯仰扫描机构出射光轴同轴。该装置在不增大潜望式三维扫描***通光口径的情况下，使激光雷达实现较大距离范围的三维空间扫描测量，接收望远镜和激光光源在测量时不需转动。

Description

大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置
技术领域
本发明属于光学工程中的激光雷达技术领域，涉及一种非同轴激光雷达的三维扫描装置。
背景技术
激光雷达技术是目前国内外普遍重视的研究内容，在大气参数和大气污染探测中具有重要应用价值。激光雷达用于大气参数和大气污染探测，具有探测范围大、精度高、实时性好、能获取三维空间分布数据等优点，在实际应用中具有不可替代的优越性。
目前，采用激光雷达对大气参数和大气污染三维空间分布进行探测，一般采用如下两种方式：
第一种方式如文献“AML-1车载式大气污染监测激光雷达样机研制，光学学报，2004年24卷第8期1025-1031页”中所描述的扫描测量方法。该方法中，激光雷达除潜望式三维扫描***外，多安装在车载式或固定的实验室内，其大气参数和大气污染三维空间分布探测是通过潜望式三维扫描***实现。但该方法中，激光雷达的发射激光束与接收望远镜光轴的距离小于接收望远镜的半径，这样激光雷达的发射激光束在很近的距离就会进入激光雷达接收望远镜的接收视场内，导致激光雷达的最大探测范围较小。这是因为激光雷达的回波信号与距离平方成反比。例如，在略去大气衰减和雷达***结构的影响时，对相同大气情况，30000米处的回波信号将比80米处的回波信号小1.4×105倍。如此大的回波信号强度差别，将给雷达***信号接收部分带来很高的技术难度，在现有技术条件下，采用一个光电探测器及信号采集器是无法实现高精度、高距离分辨率和高可靠性探测的。这是因为当信号动态范围如此大时，信号探测部分难以保持其线性度，且在高速数据采集情况下，其信号模数转换的高精度也是难以实现的。
对于上述激光雷达难以进行大距离范围探测的问题，可采用增大潜望式三维扫描机构通光口径，并且使激光雷达发射激光束与接收望远镜光轴的距离大于接收望远镜半径的办法来加以克服，但增大潜望式三维扫描机构通光口径又将会使激光雷达的制造成本及体积大大增加。
第二种方式如文献“小型米散射激光雷达***设计，西安理工大学学报，2007年23卷第1期1-5页”中所描述的扫描测量方法。该方法中，激光雷达的激光光源和接收望远镜一般直接连接固定在一起，或都固定在一个平台上。其大气参数和大气污染三维空间分布探测是通过三维转动机构直接使激光光源和接收望远镜一起进行三维扫描转动来实现，在进行大范围三维扫描测量时，激光光源和接收望远镜必须置于室外。由于一些高环境要求的激光光源和接收望远镜在恶劣环境中使用是不合适的，这样激光雷达的应用将受到环境限制。此外，由于激光光源和接收望远镜需一起进行三维转动，这对于大距离范围探测的激光雷达***并不适合，因为大距离范围探测激光雷达***需较大口径的接收望远镜和较大功率的激光器，而较大功率的激光器和大口径接收望远镜的重量和体积多很大，这将直接要求实现激光光源和接收望远镜高精度扫描的三维转动***有很大的承载能力，并且具有很高的方位和俯仰扫描精度，因而其制造费用将大大提高，并且转动过程中大功率激光器的运行稳定性也较难保证。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有大气参数和大气污染三维空间分布探测激光雷达三维扫描装置的局限性，提供一种大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置。该装置在不增大潜望式三维扫描***通光口径的情况下，能使激光雷达实现较大距离范围的三维空间扫描测量，并且激光雷达的接收望远镜和激光光源都可安装在实验室内，在测量时不需三维转动。该装置可以广泛用于大气探测三维空间扫描激光雷达***中，尤其是对一些扫描要求高的激光雷达***中。
一种大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置，包括方位扫描机构，俯仰扫描机构，以及光束平移机构，其中：
1)方位扫描机构实现激光雷达探测方位扫描
方位扫描机构包括一块平面反射镜和方位旋转箱体，平面反射镜置于方位旋转箱体中部，方位旋转箱体的入射端口和出射端口即为方位扫描机构的入射端口和出射端口，并且入射端口和出射端口分别与方位扫描机构的入射光轴和出射光轴垂直；方位旋转箱体的入射端口光轴与出射端口光轴垂直，它们与平面反射镜的夹角都为45°，并都通过平面反射镜反射面的中心点；平面反射镜对方位旋转箱体入射端口与出射端口的投影直径大小相等，并小于方位扫描机构的入射端口和出射端口口径；
2)俯仰扫描机构实现激光雷达探测俯仰扫描
俯仰扫描机包括一块平面反射镜和俯仰旋转箱体，平面反射镜置于俯仰旋转箱体中部，俯仰旋转箱体的入射端口和出射端口即为俯仰扫描机构的入射端口和出射端口，并且入射端口和出射端口分别与俯仰扫描机构的入射光轴和出射光轴垂直；俯仰扫描机构的入射端口光轴与出射端口光轴垂直，它们与平面反射镜的夹角都为45°，并都通过平面反射镜反射面的中心点；平面反射镜对俯仰旋转箱体入射端口与出射端口的投影直径大小相等，并小于俯仰旋转箱体的入射端口和出射端口口径。
3)光束平移机构为发射光束实现平移的机构
光束平移机构包括二块平面反射镜和光束平移盒，二块平面反射镜分别相对安装在光束平移盒的前后两端，前端的反射镜为入射光反射镜，后端的反射镜为出射光反射镜；二平面反射镜的反射面为平行关系，并与两平面反射镜的中心连线均成45°角；光束平移盒的下面板和上面板与两平面反射镜的中心连线平行；光束平移盒下面板的前端在入射光反射镜的投影位置有一光束平移盒入射孔，该孔的几何尺寸与入射光反射镜的投影尺寸相同；光束平移盒上面板的右端在出射光反射镜的投影位置有一光束平移盒出射孔，该孔的几何尺寸与出射光反射镜的投影尺寸相同；光束平移盒的入射光轴与入射反射镜成45°角，并通过入射反射镜反射面的中心点和光束平移盒入射孔的中心点；光束平移机构的出射光轴与出射反射镜成45°角，并通过出射反射镜反射面的中心点和光束平移盒出射孔的中心点；
所述方位扫描机构安装在激光雷达接收望远镜的上方，其通光口径要求大于激光雷达接收望远镜口径，入射端口光轴与接收望远镜光轴同轴，并且与方位扫描机构的转动轴同轴；
所述俯仰扫描机构的入射端口与方位旋转箱体的出射端口相连，两个端口的口径相等；俯仰扫描机构的入射光轴与方位扫描机构的出射光轴同轴，并且与俯仰扫描机构的转动轴同轴；俯仰扫描机构随方位扫描机构的转动而一起转动，并且俯仰扫描机构还能相对于方位扫描机构进行俯仰转动。
所述光束平移机构安装在俯仰扫描机构上方，光束平移机构中的光束平移盒的下面板与俯仰扫描机构的出射端口相连，光束平移盒的入射光轴与俯仰扫描机构出射光轴同轴；光束平移机构的入射反射镜与光束平移机构的出射反射镜的距离要求大于俯仰扫描机构出射端口口径的半径，即，出射光反射镜的投影必须在俯仰扫描机构的外部，光束平移机构随俯仰扫描机构的转动而转动。
本发明装置中，方位扫描机构和俯仰扫描机构一起构成同轴三维扫描***。从同轴三维扫描***出射的激光束通过光束平移机构后，激光束将被平移到同轴三维扫描***的通光孔径外，从而使同轴三维扫描***转变成非同轴三维扫描***。这样，本装置应用于激光雷达***，使同轴大气探测激光雷达***转换成非同轴三维扫描大气探测激光雷达***，即激光雷达能实现较大距离范围的三维空间扫描测量，并且激光雷达的接收望远镜和激光光源都可安装在实验室内，在测量时不需三维转动。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1)本装置用于同轴激光雷达***中，能使激光雷达***实现三维空间扫描测量，并在不增大潜望式三维扫描***通光口径的情况下，能使同轴激光雷达转变成非同轴激光雷达，从而大大增加激光雷达的探测动态范围，即在实现较大距离范围三维空间扫描测量同时，又能使探测盲区较小。
2)采用本装置的三维扫描非同轴激光雷达***，其接收望远镜和激光光源都可安装在实验室内，在测量时不需三维转动。
附图说明
图1为本发明装置的结构组成及光路示意图，视图角度为剖面。
其中：1-方位扫描机构、2-俯仰扫描机构、3-光束平移机构、4-激光雷达实验室、5-激光雷达出射激光束、6-激光雷达接收望远镜、7-激光雷达接收望远镜光轴、8-方位旋转箱体、9-方位扫描机构的入射端口、10-方位扫描机构的出射端口、11-方位平面反射镜、12-方位扫描机构的入射光轴、13-方位扫描机构的出射光轴、14-俯仰旋转箱体、15-俯仰扫描机构的入射端口、16俯仰扫描机构的出射端口、17-俯仰平面反射镜、18-俯仰扫描机构的入射光轴、19-俯仰扫描机构的出射光轴、20-光束平移盒、21-光束平移盒入射孔、22-光束平移盒出射孔、23-光束平移机构的入射光反射镜、24-光束平移机构的出射光反射镜、25-光束平移机构的入射光轴、26-光束平移机构的出射光轴、27-光束平移盒的长对称轴、28-发射激光束、29-激光雷达回波信号光、30-俯仰扫描机构的转动轴、31-方位扫描机构的转动轴。
具体实施方式
下面结合附图和对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置，由方位扫描机构1，俯仰扫描机构2，和光束平移机构3三部分组成。其中，方位扫描机构1包括一块方位平面反射镜11及方位旋转箱体8；俯仰扫描机构2包括一块俯仰平面反射镜17及俯仰旋转箱体14；光束平移机构3包括二块平面反射镜23、24及光束平移盒20。
所述方位旋转箱体8为一个520mm×520mm×520mm的立方箱体，其底板和右侧板的中部各开有430mm直径的圆孔，分别作为方位扫描机构1的入射端口9和出射端口10。方位平面反射镜11安装在方位旋转箱体8的中部，与底板及右侧板的夹角都为45°。方位平面反射镜11的反射面为一椭圆，长短轴分别约为594mm和420mm。方位平面反射镜11的反射面对方位旋转箱体8的底板和右侧板的投影都为直径为420mm的圆，并且都与方位扫描机构1的入射端口9和出射端口10同心。方位扫描机构1的入射端口9的中心与方位平面反射镜11反射面中心的连线，构成方位扫描机构1的入射光轴12。入射光轴12与激光雷达接收望远镜光轴7同轴。方位扫描机构1的出射端口10的中心与方位平面反射镜11反射面中心的连线，构成为方位扫描机构1的出射光轴13。
所述俯仰旋转箱体14为一个520mm×520mm×520mm的立方箱体，其左侧板和上面板的中部都开有430mm直径的圆孔，分别作为俯仰扫描机构2的入射端口15和出射端口16。俯仰平面反射镜1 7安装在俯仰旋转箱体14的中部，与左侧板及上面板的夹角都为45°。俯仰平面反射镜17的反射面为一椭圆，其长短轴分别约为594mm和420mm。俯仰平面反射镜17的反射面对俯仰旋转箱体14的左侧板和上面板的投影都为直径为420mm的圆，并且都与俯仰扫描机构2的入射端口15和出射端口16同心。俯仰扫描机构2的入射端口15的中心与俯仰平面反射镜17反射面中心的连线，构成俯仰扫描机构2的入射光轴18；俯仰扫描机构2出射端口16的中心与俯仰平面反射镜17反射面中心的连线，构成俯仰扫描机构2的出射光轴19。
显然，方位扫描机构的出射光轴13与俯仰扫描机构的入射光轴18处于同一直线上。
所述光束平移盒20为一个380mm(长)×45mm(宽)×45mm(高)的长方体盒，其下面板左端和上面板右端均开有直径为30mm的圆孔，其中，下面板圆孔称为光束平移盒入射孔21，上面板右端圆孔称为光束平移盒出射孔22。光束平移机构3的入射光反射镜23、光束平移机构3的出射光反射镜24的反射面均为椭圆形，长短轴分别约为42.4mm和30mm，相对，入射光反射镜23安装在光束平移盒的左端，出射光反射镜24安装在光束平移盒20的右端。入射光反射镜23、出射光反射镜24的反射面间中心距离为290mm。二平面反射镜与光束平移盒的长对称轴27均成45°角。其中，入射光反射镜23对下面板的投影为一直径为30mm的圆，该圆与光束平移盒入射孔21重合；出射光反射镜24对上面板的投影也为一直径为30mm的圆，该圆与光束平移盒出射孔22重合。光束平移机构3的入射反射镜23反射面的中心点和光束平移盒入射孔21的中心点构成入射光轴25，并与入射光反射镜23成45°角。光束平移机构3的出射光轴26与出射光反射镜24成45°角，并且通过出射光反射镜24反射面的中心点和光束平移盒出射孔22的中心点。其中，出射光反射镜24的投影必须在俯仰扫描机构2右边缘的外部，如图1所示。光束平移盒的长对称轴27与光束平移盒20两平面反射镜的中心连线重合。
所述方位扫描机构1能进行方位扫描转动，转动范围为-180°～+180°，角速度＞5°/秒，扫描精度为0.08°。方位扫描机构的转动轴31与方位扫描机构的入射光轴12同轴。
所述俯仰扫描机构2能进行俯仰扫描转动，其转动范围为-90°～+90°，角速度＞5°/秒，扫描精度为0.08°，其中，所述0°方向是指俯仰平面反射镜17与方位平面反射镜11平行时的方向。俯仰扫描机构的转动轴30与俯仰扫描机构的入射光轴18同轴。
本发明装置的工作过程如下：
本发明的一种大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置使用时，其方位扫描机构1的功能是实现方位扫描，俯仰扫描机构2的功能是实现俯仰扫描，光束平移机构3的功能是实现发射激光束平移。
大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置安装在激光雷达实验室4的顶面上部。激光雷达***安装在激光雷达实验室内部，激光雷达***发射出激光束5，其光斑直径为10mm、发散角为1.0mrad。激光雷达接收望远镜6的口径为400mm，接收视场为1.2mrad。
激光雷达出射激光束5沿激光雷达接收望远镜光轴7，通过方位旋转箱体8的方位扫描机构1的入射端口9进入方位扫描机构1中，并从方位扫描机构1的出射端口10出射。其中，在方位扫描机构1中传输的激光束被方位平面反射镜11进行90°反射，方位平面反射镜11反射前的激光束与方位扫描机构1的入射光轴12同轴，方位平面反射镜11反射后的激光束与方位扫描机构1的出射光轴13同轴。从方位扫描机构1的出射端口10出射的激光束，通过俯仰旋转箱体14的俯仰扫描机构入射端口15进入俯仰扫描机构2，并从俯仰扫描机构2的出射端口16出射。其中，在俯仰扫描机构2中传输的激光束被俯仰平面反射镜17进行90°反射，俯仰平面反射镜17反射前的激光束与俯仰扫描机构2的入射光轴18同轴，俯仰平面反射镜17反射后的激光束与俯仰扫描机构2的出射光轴19同轴。从俯仰扫描机构出射端口16出射的激光束，通过光束平移盒20的光束平移盒入射孔21进入光束平移机构3，并从光束平移盒出射孔22出射。其中，在光束平移机构3中传输的激光束分别被光束平移机构的入射光反射镜23和出射光反射镜24进行90°反射，入射光反射镜23反射前的激光束与光束平移机构的入射光轴25同轴，出射光反射镜24反射后的激光束与光束平移机构的出射光轴26同轴，在入射光反射镜23和出射光反射镜24之间传输的激光束与光束平移盒的长对称轴27同轴。从光束平移盒出射孔22出射的激光束即是激光雷达激光束通过本发明装置后的发射激光束28。发射激光束与光束平移机构的出射光轴26同轴，该激光束射向大气，并将被光束路径上的大气散射，其后向散射光29将经过俯仰扫描机构的出射端口16进入俯仰扫描机构，然后经俯仰扫描机构的俯仰平面反射镜17和方位扫描机构的方位平面反射镜11的反射到达激光雷达的接收望远镜6，并被激光雷达接收。
光束平移机构3安装在俯仰扫描机构2上，随俯仰扫描机构2的转动而转动。俯仰扫描机构2与方位扫描机构1相连，随方位扫描机构1的转动而转动。俯仰扫描机构2能相对于方位扫描机构1进行俯仰转动。当俯仰扫描机构2绕俯仰扫描机构转动轴30转动一俯仰角时，激光雷达出射激光束如上述描述的一样，经过方位扫描机构1、俯仰扫描机构2和光束平移机构3后射向被测大气，但此时通过大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置后的发射激光束28的出射方向也将随俯仰扫描机构2转动同样的俯仰角度。方位扫描机构1绕方位扫描机构转动轴31转动一方位角时，激光雷达出射激光束如上述描述的一样，经过方位扫描机构1、俯仰扫描机构2和光束平移机构3后射向被测大气，并且此时通过大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置后的发射激光束28的出射方向也将随方位扫描机构1转动同样的方位角度。方位扫描机构1绕方位扫描机构转动轴能进行-180°～+180°范围转动，俯仰扫描机构2绕俯仰扫描机构转动轴能进行-90°～+90°范围转动，因而应用本装置的激光雷达***能进行大气参数和大气污染三维空间分布的扫描探测。同时，激光雷达***应用本装置后，射向被测大气的激光束光轴与俯仰扫描机构2的出射光轴19的间距为290mm，即发射激光束与激光雷达接收视场光轴的距离大于激光雷达的接收通光口径的半径，因而此时的激光雷达成为非同轴激光雷达***。由此可知，利用本装置后，激光雷达能实现大气参数和大气污染的非同轴光学三维扫描测量。
显然，本领域的技术人员和研究人员可以对本发明的大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置，其特征在于由方位扫描机构，俯仰扫描机构，以及光束平移机构三部分组成，其中：
1)方位扫描机构实现激光雷达探测方位扫描
方位扫描机构包括一块平面反射镜和方位旋转箱体，平面反射镜置于方位旋转箱体中部，方位旋转箱体的入射端口和出射端口即为方位扫描机构的入射端口和出射端口，并且入射端口和出射端口分别与方位扫描机构的入射光轴和出射光轴垂直；方位旋转箱体的入射端口光轴与出射端口光轴垂直，它们与平面反射镜的夹角都为45°，并都通过平面反射镜反射面的中心点；平面反射镜对方位旋转箱体入射端口与出射端口的投影直径大小相等，并小于方位扫描机构的入射端口和出射端口口径；
2)俯仰扫描机构实现激光雷达探测俯仰扫描
俯仰扫描机包括一块平面反射镜和俯仰旋转箱体，平面反射镜置于俯仰旋转箱体中部，俯仰旋转箱体的入射端口和出射端口即为俯仰扫描机构的入射端口和出射端口，并且入射端口和出射端口分别与俯仰扫描机构的入射光轴和出射光轴垂直；俯仰扫描机构的入射端口光轴与出射端口光轴垂直，它们与平面反射镜的夹角都为45°，并都通过平面反射镜反射面的中心点；平面反射镜对俯仰旋转箱体入射端口与出射端口的投影直径大小相等，并小于俯仰旋转箱体的入射端口和出射端口口径；
3)光束平移机构为发射光束实现平移的机构
光束平移机构包括二块平面反射镜和光束平移盒，二块平面反射镜分别相对安装在光束平移盒的前后两端，前端的反射镜为入射光反射镜，后端的反射镜为出射光反射镜；二平面反射镜的反射面为平行关系，并与两平面反射镜的中心连线均成45°角；光束平移盒的下面板和上面板与两平面反射镜的中心连线平行；光束平移盒下面板的前端在入射光反射镜的投影位置有一光束平移盒入射孔，该孔的几何尺寸与入射光反射镜的投影尺寸相同；光束平移盒上面板的右端在出射光反射镜的投影位置有一光束平移盒出射孔，该孔的几何尺寸与出射光反射镜的投影尺寸相同；光束平移盒的入射光轴与入射反射镜成45°角，并通过入射反射镜反射面的中心点和光束平移盒入射孔的中心点；光束平移机构的出射光轴与出射反射镜成45°角，并通过出射反射镜反射面的中心点和光束平移盒出射孔的中心点；
所述方位扫描机构安装在激光雷达接收望远镜的上方，其通光口径要求大于激光雷达接收望远镜口径，入射端口光轴与接收望远镜光轴同轴，并且与方位扫描机构的转动轴同轴；
所述俯仰扫描机构的入射端口与方位旋转箱体的出射端口相连，两个端口的口径相等；俯仰扫描机构的入射光轴与方位扫描机构的出射光轴同轴，并且与俯仰扫描机构的转动轴同轴；俯仰扫描机构随方位扫描机构的转动而一起转动，并且俯仰扫描机构还能相对于方位扫描机构进行俯仰转动；
所述光束平移盒安装在俯仰扫描机构上方，光束平移盒的下面板与俯仰扫描机构的出射端口相连，光束平移盒的入射光轴与俯仰扫描机构出射光轴同轴；光束平移盒入射反射镜与光束平移盒出射反射镜的距离要求大于俯仰扫描机构出射端口口径的半径，即，出射光反射镜的投影在必须在俯仰扫描机构的外部，光束平移机构随俯仰扫描机构的转动而转动。
2.如权利要求1所述的一种大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置，其特征在于，所述方位扫描机构能够以方位扫描机构的入射光轴作为转动轴进行转动，转动范围为-180°～+180°，角速度＞5°/秒。
3.如权利要求1所述的一种大口径光学潜望式非同轴激光雷达三维扫描装置，其特征在于，所述俯仰扫描机构能够以俯仰扫描机构的入射光轴作为转动轴进行转动，其转动范围为-90°～+90°，角速度＞5°/秒，其中，0°方向是指俯仰平面反射镜与方位平面反射镜平行时的方向。
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