CN104914448A - 基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达*** - Google Patents

基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达*** Download PDF

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孙东松
陈廷娣
周安然
赵若灿
韩於立
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Abstract

本发明公开了一种基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达***，包括：激光聚焦发射***与光学接收***；其中：所述激光聚焦发射***包括：激光器、发射反射镜组、扩束发射***与扫描平面反射镜；所述激光器发射的激光依次经过发射反射镜组与扩束发射***射入扫描平面反射镜，由扫描平面镜向空中发射信号；所述光学接收***包括：离轴接收***、校准***与ICCD照相机；扫描平面镜向空中发射信号的反射信号反射回扫描平面镜后，被所述离轴接收***接收，经由校准***处理后被照相机接收。本发明公开的***，简化了光路，并具有较高的光学效率。

Description

基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达***
技术领域
本发明涉及激光遥感、大气探测、光电探测领域，尤其涉及一种基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达***。
背景技术
传统的大气湍流监测设备通常为差分像运动检测仪(DIMM)，DIMM***通过对自然星成像的被动探测，测量整个大气路径上的湍流的积分效应，不具有距离分辨特性。而采用差分像运动法(DIM)的大气湍流激光雷达技术中，使用激光导星(LGS)代替了之前测量方法中使用的自然光源。通过主动改变激光的聚焦位置与增强型CCD(ICCD)的快门时间，可以测量得到不同高度位置的大气湍流效应。
目前只有乔治亚理工学院(GTRI)研究小组按照理论分析、模拟验证、***研制的步骤对DIM激光雷达技术进行了***的研究。
GTRI研制的DIM激光雷达的光学***主要分为发射***与接收***两部分。发射***由脉冲激光器、4个转向平面镜、扩束器、扫描平面反射镜构成。***工作时，355nm激光光束从脉冲激光器射出后经过两个转向反射镜将光束导入扩束器，然后将扩束后的激光由两个转向反射镜反射到一个大平面反射镜上，由该大平面反射镜将激光反射入大气中，使激光光束在设定好的高度位置聚焦；接收***由接收主镜、接收次镜、四个接收子瞳、玻璃楔块、扫描平面反射镜构成。大气中的后向散射信号被大平面反射镜反射进入接收主镜，主镜将光信号汇聚到接收次镜，玻璃楔块将次镜反射的光分成四束进入不同的接收子瞳。该***中接收与发射共用一块扫描平面发射镜，但该平面发射镜的俯仰角不能够自动调节，在测量之前需要根据测量的方位对其进行手动的调节。
但是，上述***由于扩束器并不可自动调节扩束角度，激光汇聚到测量位置的高度必须在测量前设定，所以不可进行整个测量路径上不同高度位置的快速扫描测量；并且在发射***中采用了四级反射，对光路的调节精度要求很高，提高了调节难度；另外，由于反射镜的存在能量的损失，影响了光学效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达***，简化了光路，并具有较高的光学效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达***，其特征在于，包括：激光聚焦发射***与光学接收***；其中：
所述激光聚焦发射***包括：激光器、发射反射镜组、扩束发射***与扫描平面反射镜；所述激光器发射的激光依次经过发射反射镜组与扩束发射***射入扫描平面反射镜，由扫描平面镜向空中发射信号；
所述光学接收***包括：离轴接收***、校准***与ICCD照相机；扫描平面镜向空中发射信号的反射信号反射回扫描平面镜后，被所述离轴接收***接收，经由校准***处理后被照相机接收。
所述发射反射镜组包括：第一与第二平面反射镜；所述扩束发射***包括：发射次镜与发射主镜；
所述激光器发射的激光依次经过第一与第二平面反射镜后射入发射次镜，由发射次镜将激光反射至发射主镜光形成一定发散角的平行光束。
所述激光聚焦发射***还包括：第一电动平台；
所述扩束发射***中的发射次镜固定在所述第一电动平台上，通过所述第一电动平台上来控制扩束发射***中发射次镜与发射主镜之间的距离。
所述离轴接收***包括：第一与第二接收主镜、第一与第二接收次镜、第一与第二平面转向镜以及分光棱镜；
所述扫描平面镜向空中发射信号的反射信号反射回扫描平面镜后，被第一与第二接收主镜接收；第一接收主镜将接收到的光信息依次经过第一接收次镜与第一平面转向镜射入分光棱镜；第二接收主镜将接收到的光信息依次经过第二接收次镜与第二平面转向镜射入分光棱镜。
所述光学接收***还包括：第二电动平台；
所述ICCD照相机固定在所述第二电动平台上，通过所述第二电动平台上来控制ICCD照相机与校准***之间的间距。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本***中发射***采用二级反射，光路调节非常简单，并具有较高的光学效率；同时，发射、接收的角度与扩束***可自动调节，能自动将激光光束聚焦到指定位置，解决不能对整个测量路径进行快速扫描测量的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达***的框图；
图2为本发明实施例提供的一种基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的一种基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达***的框图。如图1所示，该***主要包括：激光聚焦发射***与光学接收***；其中：
所述激光聚焦发射***包括：激光器、发射反射镜组、扩束发射***与扫描平面反射镜；所述激光器发射的激光依次经过发射反射镜组与扩束发射***射入扫描平面反射镜，由扫描平面镜向空中发射信号；
所述光学接收***包括：离轴接收***、校准***与ICCD照相机；扫描平面镜向空中发射信号的反射信号反射回扫描平面镜后，被所述离轴接收***接收，经由校准***处理后被照相机接收。
为了便于理解，下面对图1中的部件进行细化，并结合图2做进一步的说明。
本发明实施例所提供的***采用3通道设计，即一个激光发射通道和两个离轴接收通道。如图2所示，所述发射反射镜组包括：第一与第二平面反射镜(图2中的1与2)；所述扩束发射***包括：发射次镜3与发射主镜4；所述离轴接收***包括：第一与第二接收主镜(图2中的6与7)、第一与第二接收次镜(图2中的8与9)、第一与第二平面转向镜(图2中的10与11)以及分光棱镜12。
所述激光聚焦发射***采用反射式卡塞格林结构，所述激光器(532nm ND:YAGlaser)发射的激光依次经过第一与第二平面反射镜后射入发射次镜3，由发射次镜3将激光反射至发射主镜4光形成一定发散角的平行光束，再由扫描平面镜5向空中不同方向发射信号，光信号经过大气散射，反射回扫描平面镜5。
示例性的，上述部件可采用如下参数：激光器光斑直径为Ф9mm，可采用型号为Continuum公司的Powerlite DLS 9050激光器，可提供50Hz的532nm的脉冲激光，单脉冲能量≥600mJ，脉冲宽度4～8ns；第一与第二平面反射镜均为Ф40mm的平面镜，平面镜调节采用北京北光世纪光学仪器有限公司的二维调整镜座，型号TP203；发射次镜3为有效口径为Ф9mm的凸抛物面镜，发射主镜4为有效口径为Ф250mm、中心通孔Ф10mm的凹抛物面镜，即光信号的入瞳直径为Ф9mm，出射口径为Ф250mm，扩束倍率约为27.5倍，主次镜之间名义间距为530mm，二者的间距可通过第一电动平台来调节实现不同距离的会聚发射，同时不同距离的聚焦光斑达到最小。扫描平面反射镜5采用一块八角平面反射镜，长度580mm，宽度400mm，厚40mm，由42步进电机驱动一组蜗轮蜗杆传动，实现平面镜的翻转调节；示例性的，蜗轮蜗杆设计参数为：传动比：200，蜗杆头数z1：1，蜗轮齿数z2：200，实际中心距a：225.5mm，蜗杆分度圆直径d1：51mm，蜗轮分度圆直径d2：400mm，法面模数mn：1.998mm。
所述扫描平面镜向空中发射信号的反射信号反射回扫描平面镜后，被第一与第二接收主镜接收；第一接收主镜6将接收到的光信息依次经过第一接收次镜8与第一平面转向镜10射入分光棱镜12；第二接收主镜7将接收到的光信息依次经过第二接收次镜9与第二平面转向镜11射入分光棱镜12；通过分光棱镜12将光信号射入校准***(collimatingsystem)进行光信号的准直与分束，最后在ICCD照相机的不同的区域上形成两个像。
示例性的，上述部件可采用如下参数：根据接收***有效口径为Ф100mm、主***焦距4000mm、视场±0.5mrad等设计要求，第一与第二接收主镜均采用离轴抛物面，次镜采用离轴凸双曲面的光学结构形式，主镜离轴量取为140。望远镜***设定的坐标中断面Y方向140的离轴量与离轴抛物面Y方向140的离轴量相对应，接收次镜离轴量选取Y方向18，口径为20mm。***视场选取Y field 0°、±0.0286°等三个视场，工作波长为532mm。ICCD照相机型号为Princeton Instruments公司的PI-MAX4：1024i，像面有1024X1024个像素点，模数转换速率可达到32MHz/16-bit，每秒可提供56帧512×512的图像。
另外，本发明实施例中，所述激光聚焦发射***还包括：第一电动平台；所述扩束发射***中的发射次镜固定在所述第一电动平台上，通过所述第一电动平台上来控制扩束发射***中发射次镜与发射主镜之间的距离，实现激光光束在空间不同距离的会聚。
所述光学接收***还包括：第二电动平台；所述ICCD照相机固定在所述第二电动平台上，通过所述第二电动平台上来控制ICCD照相机与校准***之间的间距，可使其对不同距离的测量位置进行成像。
本发明的方案与现有技术相比，主要具有如下优点：
1)激光发射、接收***的可自动调节，能够对整个测量路径不同高度进行快速扫描的测量
a、激光扩束发射***的次镜具有电控调节功能以实现发射***不同发射距离的聚焦光斑。
b、扫描平面镜具有电控扫描功能，发射及接收***俯仰角范围为30°～90°，便于调节测量的方向。
c、光学接收***可调节，ICCD固定于电控平移台，可以由程序控制前后移动，以实现对应不同的测量距离自动调焦。
2)简化了激光光束出射光路，激光器发射的激光经过二级反射，扩束后直接经平面扫面镜射入大气。减少了能量消耗，降低了光路调节难度。
3)支撑平台上面板采用标准光学平台，支撑平台底面具有四只可调整水平的支撑腿，并具有可实现小范围移动的转向轮，同时支撑平台具有起吊装置，便于整体起吊及搬运。
4)激光器及发射接收***均由隔热板密封，最大程度上保证内部温度稳定性。
5)非工作状态下扫描平面镜可收藏于密封舱内，以保持仪器外观的美观及光学组件的洁净。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于差分像运动法的距离分辨主动大气湍流激光雷达***，其特征在于，包括：激光聚焦发射***与光学接收***；其中：
所述激光聚焦发射***包括：激光器、发射反射镜组、扩束发射***与扫描平面反射镜；所述激光器发射的激光依次经过发射反射镜组与扩束发射***射入扫描平面反射镜，由扫描平面镜向空中发射信号；
所述光学接收***包括：离轴接收***、校准***与ICCD照相机；扫描平面镜向空中发射信号的反射信号反射回扫描平面镜后，被所述离轴接收***接收，经由校准***处理后被照相机接收。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，
所述发射反射镜组包括：第一与第二平面反射镜；所述扩束发射***包括：发射次镜与发射主镜；
所述激光器发射的激光依次经过第一与第二平面反射镜后射入发射次镜，由发射次镜将激光反射至发射主镜光形成一定发散角的平行光束。
3.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述激光聚焦发射***还包括：第一电动平台；
所述扩束发射***中的发射次镜固定在所述第一电动平台上，通过所述第一电动平台上来控制扩束发射***中发射次镜与发射主镜之间的距离。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述离轴接收***包括：第一与第二接收主镜、第一与第二接收次镜、第一与第二平面转向镜以及分光棱镜；
所述扫描平面镜向空中发射信号的反射信号反射回扫描平面镜后，被第一与第二接收主镜接收；第一接收主镜将接收到的光信息依次经过第一接收次镜与第一平面转向镜射入分光棱镜；第二接收主镜将接收到的光信息依次经过第二接收次镜与第二平面转向镜射入分光棱镜。
5.根据权利要求1或4所述的***，其特征在于，所述光学接收***还包括：第二电动平台；
所述ICCD照相机固定在所述第二电动平台上，通过所述第二电动平台上来控制ICCD照相机与校准***之间的间距。
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