CN103926574B - 激光雷达光学接收装置 - Google Patents

Abstract

一种激光雷达光学接收装置，由望远镜、视场光阑、准直透镜、1/2波片、转动电机、电光晶体、偏振器、窄带滤光片、聚焦透镜、光电探测器、高压电源和电机伺服控制***组成。所述的视场光阑位于望远镜的焦点位置，经过视场光阑的回波信号经过准直透镜进行准直后，通过1/2波片、电光晶体和偏振器进行光强调制，通过窄带滤光片对背景光进行带通滤光，最后经聚焦透镜将信号光聚焦在光电探测器上进行探测。本发明具有结构简单、使用方便和分光比连续可调的优点，可应用于大范围测距的激光雷达***。

Description

激光雷达光学接收装置

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种激光雷达光学接收装置。

背景技术

激光雷达在地球遥感方面有着广泛的应用，为了降低大气散射对目标回波信号的干扰，提高信噪比，传统方法一般采用双通道结构设计和分时选通的方法进行测距，以防止光电探测器工作在饱和区，其接收光路如图3所示，望远镜1接收的光信号聚焦到焦点附近，在焦点位置放置视场光阑2限制接收视场，光信号经准直透镜3准直后入射到窄带滤光片8，再由分光镜13将接收光路分成近场和远场两个通道，其中：近场通道经聚焦透镜9.1聚焦到光电探测器10.1进行探测；远场通道经折反镜14和聚焦透镜9.2聚焦到光电探测器10.2进行探测。显然，上述接收光路需要两路光电探测，不但体积较大、成本增加，而且，分光比固定，不能连续可调，因此限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光雷达光学接收装置，该装置具有光路简单、稳定性好的特点，可应用于激光雷达和其它需要去除背景光的光学***。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种激光雷达光学接收装置，包括望远镜、视场光阑、准直透镜、1/2波片、转动电机、电光晶体、偏振器、窄带滤光片、聚焦透镜、光电探测器、高压电源和电机伺服控制***，其特征在于沿所述的望远镜输出光方向依次是视场光阑、准直透镜、1/2波片、转动电机、电光晶体、偏振器、窄带滤光片、聚焦透镜和光电探测器，高压电源的两极与所述的电光晶体的两端相连，电机伺服控制***与所述的转动电机相连，所述的视场光阑位于望远镜的焦点位置，通过胶粘的方式将所述的1/2波片胶粘在所述的空心式转动电机上，所述的1/2波片的几何中心和转动电机轴线重合。

所述的望远镜物镜和目镜表面镀有与激光光源波长相符的高反射率介质膜，且其F数大于5。

所述的准直透镜的表面镀有与激光光源波长相应的增透介质膜。

所述的1/2波片表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜。

所述的电光晶体表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜。

所述的窄带滤光片表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜，且其入射角度θ满足如下关系：

$\mathrm{\θ}\≤\arcsin (\sqrt{1+{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\λ}}_0}\right)}^2}\·\frac{N^{*}}{N_e})---\left(1\right)$

其中：θ为光束的入射角度；λ_θ为光束入射角为θ时，窄带滤光片的中心波长；λ₀为光束入射角为0°时，窄带滤光片的中心波长；Ne为空气折射率，一般取1；N^*为窄带滤光片的折射率。

所述的聚焦透镜的表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜。

该装置的实现方法包括下列步骤：

①分别旋转偏振器和1/2波片，使偏振器的起偏方向和1/2波片的快轴或慢轴与线偏光的偏振方向垂直，并将该位置设定为1/2波片的初始位置，望远镜接收到的回波光强为I₀；

②近场测距，当1/2波片沿初始位置旋转角度α时，出射光偏振方向与起偏方向夹角为(90°-2α)，电光晶体上不加电压，经电光晶体的线偏光偏振状态不发生改变，此时经偏振器出射的光强为I₁＝I₀·cos(90°-2α)；偏振光通过窄带滤光片对背景光进行带通滤光，最后经过聚焦透镜将信号光聚焦在光电探测器上进行探测；

③远场测距，由于1/2波片沿初始位置旋转α角度，所以，经1/2波片后，出射光偏振方向与起偏方向夹角仍为(90°-2α)，电光晶体上加V_λ/2电压，光沿光轴方向通过电光晶体，o光和e光产生π相位差，合成后偏振面相对于入射光旋转90°，此时经偏振器出射的光强为I₂＝I₀·cos(2α)，调制后的偏振光通过窄带滤光片对背景光进行带通滤光，最后经过聚焦透镜将信号光聚焦在光电探测器上进行探测；

④激光雷达光学接收装置的分光比γ与1/2波片沿初始位置旋转角度α之间的关系为：

通过电机伺服控制***控制转动电机带动1/2波片旋转，从而实现激光雷达光学接收装置近场和远场分光比γ的在线调整。

本发明的技术效果：

本发明可实现近场和远场双通道的方式接收激光雷达回波光信号，与传统方法相比，优势在于：结构简单、分光比连续可调、稳定性好，并可通过旋转1/2波片，实现分光比的动态实时调节，可应用于激光雷达接收***和其它需要去除背景光的光学***中。

附图说明

图1为本发明激光雷达光学接收装置光路结构示意图。

图2是本发明光强调制原理示意图。

图3是一般激光雷达光学接收装置光路结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明激光雷达光学接收装置光路结构示意图。由图可见，一种激光雷达光学接收装置，包括望远镜1、视场光阑2、准直透镜3、1/2波片4、转动电机5、电光晶体6、偏振器7、窄带滤光片8、聚焦透镜9、光电探测器10、高压电源11和电机伺服控制***12，其特征在于沿所述的望远镜1输出光方向依次是视场光阑2、准直透镜3、1/2波片4、转动电机5、电光晶体6、偏振器7、窄带滤光片8、聚焦透镜9和光电探测器10，高压电源11的两极与所述的电光晶体6的两端相连，电机伺服控制***12与所述的转动电机5相连，所述的视场光阑2位于望远镜1的焦点位置，通过胶粘的方式将所述的1/2波片4胶粘在所述的空心式转动电机5上，所述的1/2波片4的几何中心和转动电机5轴线重合。

所述的望远镜1物镜和目镜表面镀有与激光光源波长相符的高反射率介质膜，且其F数大于5。

所述的准直透镜3的表面镀有与激光光源波长相应的增透介质膜。

所述的1/2波片4表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜。

所述的电光晶体6表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜。

所述的聚焦透镜9的表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜。

该装置的实现方法包括下列步骤：

①分别旋转偏振器7和1/2波片4，使偏振器7的起偏方向和1/2波片4的快轴或慢轴与线偏光的偏振方向垂直，并将该位置设定为1/2波片的初始位置，望远镜1接收到的回波光强为I₀；

②近场测距，当1/2波片4沿初始位置旋转角度α时，出射光偏振方向与起偏方向夹角为(90°-2α)，电光晶体5上不加电压，经电光晶体5的线偏光偏振状态不发生改变，此时经偏振器7出射的光强为I₁＝I₀·cos(90°-2α)；偏振光通过窄带滤光片8对背景光进行带通滤光，最后经过聚焦透镜9将信号光聚焦在光电探测器10上进行探测；

③远场测距，由于1/2波片4沿初始位置旋转α角度，所以，经1/2波片4后，出射光偏振方向与起偏方向夹角仍为(90°-2α)，电光晶体5上加V_λ/2电压，光沿光轴方向通过电光晶体5，o光和e光产生π相位差，合成后偏振面相对于入射光旋转90°，此时经偏振器7出射的光强为I₂＝I₀·cos(2α)，调制后的偏振光通过窄带滤光片8对背景光进行带通滤光，最后经过聚焦透镜9将信号光聚焦在光电探测器10上进行探测；

④激光雷达光学接收装置的分光比γ与1/2波片4沿初始位置旋转角度α之间的关系为：

通过电机伺服控制***12控制转动电机5带动1/2波片4旋转，从而实现激光雷达光学接收装置近场和远场分光比γ的在线调整。

当选用的转动电机的转动角精度为δ_α＝0.00008rad，激光波长λ＝1064nm，望远镜1F数为8.5，电光晶体6选用RTP，两块RTP晶体正交放置，并联供电，进一步降低半波电压V_λ/2，偏振器7选用空气隙格兰-傅克棱镜，光电探测器10选用Excelitas公司的型号为C30659-1060-R8BH APD探测器，该探测器集成有前端放大电路。设激光雷达接收到的回波光强为I₀，则近场模式下，经偏振器7出射的光强为I₁，远场模式下，经偏振器7出射的光强为I₂，则近场和远场的最大分光比γ可表示为：

${\mathrm{\γ}}_{\min }=\frac{I_1}{I_2}=tan\left({\begin{array}{c}2\mathrm{\δ}\end{array}}_{\mathrm{\α}}\right)=1.6\×{10}^{-4}---\left(2\right)$

窄带滤光片8入射角度θ与其中心波长λ₀具有如下函数关系：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\λ}}_0\sqrt{1-{\left(\frac{N_e}{N^{*}}\right)}^2\·{\sin }^2\mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

选用的窄带滤光片8的带宽Δλ＝1nm，折射率为N^*＝1.44963，因此，窄带滤光片8的入射角θ应满足如下关系：

其中：λ_θ为光束入射角为θ时，窄带滤光片8的中心波长；λ₀为光束入射角为0°时，窄带滤光片8的中心波长；N_e为空气折射率，一般取1；N^*为窄带滤光片8的折射率；θ为光束的入射角度。

由公式(1)可知，激光雷达光学接收装置的分光比γ与夹角α存在函数关系，通过调节α值，即可实现分光比γ的连续可调，且最大分光比γ为：γ＝1.6×10^-4：1。由公式(3)和公式(4)可知，对于带宽Δλ＝1nm的窄带滤光片8，其入射角度θ应满足θ≤2.55°。

在传统方法中，一般采用双通道结构设计和分时选通的方法进行测距，分光比通过镀膜保证，且分光比固定，不可调节，结构体积较大。因此，本发明中所涉及的方法不仅结构简单，方便使用，而且分光精度得到明显提高。

综上所述，与传统方法相比，本发明中所提及的激光雷达光学接收装置结构简单，分光比连续可调，稳定性好，分光精度明显提高，能够在激光雷达接收***和其它需要去除背景光的光学***中得到广泛应用。

Claims (8)

1.一种激光雷达光学接收装置，包括望远镜(1)、视场光阑(2)、准直透镜(3)、1/2波片(4)、转动电机(5)、电光晶体(6)、偏振器(7)、窄带滤光片(8)、聚焦透镜(9)、光电探测器(10)、高压电源(11)和电机伺服控制***(12)，其特征在于沿所述的望远镜(1)输出光方向依次是视场光阑(2)、准直透镜(3)、1/2波片(4)、转动电机(5)、电光晶体(6)、偏振器(7)、窄带滤光片(8)、聚焦透镜(9)和光电探测器(10)，高压电源(11)的两极与所述的电光晶体(6)的两端相连，电机伺服控制***(12)与所述的转动电机(5)相连，所述的视场光阑(2)位于望远镜(1)的焦点位置，通过胶粘的方式将所述的1/2波片(4)胶粘在所述的转动电机(5)上，所述的1/2波片(4)的几何中心和转动电机(5)轴线重合。

2.根据权利要求1所述的激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的望远镜(1)物镜和目镜表面镀有与激光光源波长相符的高反射率介质膜，且其F数大于5。

3.根据权利要求1所述的激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的准直透镜(3)的表面镀有与激光光源波长相应的增透介质膜。

4.根据权利要求1所述的激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的1/2波片(4)表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜。

5.根据权利要求1所述的激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的电光晶体(6)表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜。

6.根据权利要求1所述的激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的窄带滤光片(8)表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜，且其入射角度θ满足如下关系：

$\mathrm{\θ}\≤arcsin(\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\λ}}_0}\right)}^2}\·\frac{N^{*}}{N_e})---\left(1\right)$

其中：θ为光束的入射角度；λ_θ为光束入射角为θ时，窄带滤光片(8)的中心波长；λ₀为光束入射角为0°时，窄带滤光片(8)的中心波长；Ne为空气折射率，一般取1；N^*为窄带滤光片(8)的折射率。

7.根据权利要求1所述的激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的聚焦透镜(9)的表面镀有与激光光源波长相符的增透介质膜。

8.根据权利要求1所述的激光雷达光学接收装置，其特征在于该装置的实现方法包括下列步骤：

①分别旋转偏振器(7)和1/2波片(4)，使偏振器(7)的起偏方向和1/2波片(4)的快轴或慢轴与线偏光的偏振方向垂直，并将该位置设定为1/2波片的初始位置，望远镜(1)接收到的回波光强为I₀；

②近场测距，当1/2波片(4)沿初始位置旋转角度α时，出射光偏振方向与起偏方向夹角为(90°-2α)，电光晶体(5)上不加电压，经电光晶体(5)的线偏光偏振状态不发生改变，此时经偏振器(7)出射的光强为I₁＝I₀·cos(90°-2α)；偏振光通过窄带滤光片(8)对背景光进行带通滤光，最后经过聚焦透镜(9)将信号光聚焦在光电探测器(10)上进行探测；

③远场测距，由于1/2波片(4)沿初始位置旋转α角度，所以，经1/2波片(4)后，出射光偏振方向与起偏方向夹角仍为(90°-2α)，电光晶体(5)上加V_λ/2电压，光沿光轴方向通过电光晶体(5)，o光和e光产生π相位差，合成后偏振面相对于入射光旋转90°，此时经偏振器(7)出射的光强为I₂＝I₀·cos(2α)，调制后的偏振光通过窄带滤光片(8)对背景光进行带通滤光，最后经过聚焦透镜(9)将信号光聚焦在光电探测器(10)上进行探测；

④激光雷达光学接收装置的分光比γ与1/2波片(4)沿初始位置旋转角度α之间的关系为：

通过电机伺服控制***(12)控制转动电机(5)带动1/2波片(4)旋转，从而实现激光雷达光学接收装置近场和远场分光比γ的在线调整。