CN110275154A - 一种激光雷达偏振探测光学调节机构 - Google Patents

一种激光雷达偏振探测光学调节机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光雷达偏振探测光学调节机构，属于激光技术领域。所述激光雷达偏振探测光学调节机构包括1/4波片调节机构、镜筒、偏振片调节机构、偏振片调节把手和遮光板；所述1/4波片调节机构设置于所述镜筒的一端；所述偏振片调节机构设置于所述镜筒的内部；所述偏振片调节机构的首端朝向1/4波片调节机构；所述偏振片调节机构的尾端朝向镜筒的另一端；所述偏振片调节机构的尾端安装有偏振片调节把手；所述镜筒内部设有遮光板。所述激光雷达偏振探测光学调节机构能够有效提高激光雷达偏振调节的高效性和探测的稳定性。

Description

一种激光雷达偏振探测光学调节机构
技术领域
本发明涉及一种激光雷达偏振探测光学调节机构，属于激光技术领域。
背景技术
偏振探测技术是一种激光雷达直接目标探测方案，是激光雷达一个重要发展方向。目前该技术在水下目标探测、遮掩军事目标识别、透雾目标探测等领域研究广泛。激光雷达***通过设定最优偏振探测方向实现目标高效探测，最优偏振探测方向可通过目标回波的偏振态计算获取，因此，回波偏振态获取是关键。下面介绍偏振态测量原理。
光的偏振状态通常用斯托克斯矢量的形式表示，斯托克斯矢量的形式为S＝(I,Q,U,V)T。其中I表示光波的总光强，Q表示x方向与y方向上的线偏振光的差，U表示+1/4π方向与+1/4π方向上线偏振光的差，V表示圆偏振分量。图1所示是一种斯托克斯矢量测定原理，回波光经过1/4波片、线偏振片及后端光学***实现回波光偏振探测，通过旋转线偏振片方向可实现回波光不同偏振分量的强度探测。
通常使用Muller矩阵来计算光经过光学***的偏振状态变化。四分之一波片的Muller矩阵为
其中m为该波片的透射系数，可视为一常数，θ为波片方位角。
偏振片x方向的Muller矩阵为其中n为偏振片的透射系数，视为常数。设待测光的斯托克斯矢量为[S0 S1 S2 S3]T，则待测光通过四分之一波片与偏振片后斯托克斯矢量为
由于光电探测器可测到的是总光强值，即斯托克斯矢量的第一行，所以省略了后三行元素。光电探测器上光强Iθ＝kmn(S0+S1cos22θ+S2sin2θcos2θ-S3sin2θ)/2，k为后端光学***及光电探测器的响应相关系数。K＝kmn为已知参量，在波片方位角确定的情况下，只有待测斯托克斯矢量的四个参量未知，所以只要转动偏振片或波片来获得四个不同的光强即可测得斯托克斯矢量。由于x方向的偏振片的Muller矩阵简单，所以测定时固定偏振片可始终为x方向，转动波片来改变光强。为了简化计算，通常波片角度为
待测光的斯托克斯矢量可由公式(3)解出。
回波光的偏振态需要至少四个偏振方向实现测量，偏振调节结构是测量关键，本发明提供了一种偏振调节结构。
发明内容
本发明为了解决偏振探测装置各部分的调节问题，提出了一种激光雷达偏振探测光学调节机构，所采取的技术方案如下：
一种激光雷达偏振探测光学调节机构，所述激光雷达偏振探测光学调节机构包括1/4波片调节机构、镜筒4、偏振片调节机构5、偏振片调节把手6和遮光板7；所述1/4波片调节机构设置于所述镜筒4的一端；所述偏振片调节机构5设置于所述镜筒4的内部；所述偏振片调节机构5的首端朝向1/4波片调节机构；所述偏振片调节机构5的尾端朝向镜筒4的另一端；所述偏振片调节机构5的尾端安装有偏振片调节把手6；所述镜筒4内部设有遮光板7。
进一步地，所述1/4波片调节机构包括波片安装机构1、波片调节手柄2和波片固定轴3；所述波片安装机构1垂直安装于所述镜筒4的一端，并位于所述镜筒4一端的端面处；所述波片调节手柄2和波片固定轴3安装于所述波片安装机构1的机构体上。
进一步地，所述波片调节手柄2调节波片安装机构1上安装的波片绕镜筒中心轴进行转动，转动范围为±75°；所述镜筒4的侧壁上与所述波片调节手柄2对应的位置设有波片调节手柄条形孔；所述波片调节手柄2通过所述波片调节手柄条形孔向外伸出。
进一步地，所述波片安装机构1采用圆形结构；所述波片安装机构1中心处设有波片安装孔。
进一步地，所述偏振片调节机构5包括偏振片中心轴8、偏振片固定轴a9、偏振片固定轴b10、偏振片固定轴c11、偏振片内层安装结构12和偏振片外层安装结构13；偏振片安装于所述偏振片内层安装结构12上；所述偏振片内层安装结构12以可转动方式活动套装在所述偏振片外层安装结构13的内侧；所述偏振片内层安装结构12的尾端与所述偏振片调节把手6相连；所述偏振片中心轴8和偏振片固定轴a9以所述内层安装结构12上的轴向中心线为对称轴对称安装在所述内层安装结构12的侧壁上，所述偏振片中心轴8和偏振片固定轴a9用于顶住内层安装结构12，实现左右方向偏振片角度固定；所述偏振片固定轴b10和偏振片固定轴c11以所述镜筒4的轴向中心线为对称轴对称安装在所述镜筒4的侧壁上，所述偏振片固定轴b10和偏振片固定轴c11顶住偏振片外层安装结构13,实现前后方向角度固定。
进一步地，所述偏振片调节把手6转动调节偏振片调节机构5，使偏振片调节机构5上安装的偏振片绕镜筒4的中心轴转动，转动范围为±60°。
进一步地，所述偏振片调节把手6转动调节偏振片绕偏振片中心轴8进行转动，转动范围为45°±4°，此时，偏振片的转动调节范围为45°±2°。
进一步地，所述镜筒4侧壁上设有中心轴条形孔，所述偏振片中心轴8通过中心轴条形孔向外伸出。
进一步地，所述镜筒4侧壁上设有偏振片调节把手条形孔；所述偏振片调节把手6通过偏振片调节把手条形孔延伸至镜筒4外。
本发明有益效果：
本发明提出的一种激光雷达偏振探测光学调节机构的波片调节机构、偏振片调节机构、遮光板等部件的空间位置排布和对应的结构关系有效实现了整个激光雷达偏振探测光学调节机构的小型化体积设置，同时，利用波片角度调节及固定结构，通过波片调节把手实现可调范围为±75°，通过波片固定轴实现角度固定；偏振片角度调节及固定结构，通过内外层结构使前后、左右角度调节成为可能，通过偏振调节把手实现前后可调范围45°±4°，左右可调范围±60°，通过内外层结构紧凑设计及固定轴a实现左右角度固定，通过中心轴、固定轴b及固定轴c实现前后角度调节固定。
本发明提出的一种激光雷达偏振探测光学调节机构通过多组固定螺丝的位置和功能是指有效实现光学校准及结构稳定性，由于光学有效校准及保持光学、力学稳定是激光雷达偏振调节结构高效、稳定探测的前提，因此，本发明提出的一种激光雷达偏振探测光学调节机构大幅度提高了官学和力学稳定性，进而提高了激光雷达偏振调节的高效性和探测的稳定性。
附图说明
图1为斯托克斯矢量测量原理图；
图2为激光雷达偏振探测调节机构的结构示意图，其中，a为剖面图，b为前下视图；
图3为1/4波片及偏振片调节机构的结构示意图，其中，a为波片调节结构；b为偏振光调节结构；
图4为所述激光雷达偏振探测光学调节机构的实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种激光雷达偏振探测光学调节机构，如图2和图3所示，所述激光雷达偏振探测光学调节机构包括1/4波片调节机构、镜筒4、偏振片调节机构5、偏振片调节把手6和遮光板7；所述1/4波片调节机构设置于所述镜筒4的一端；所述偏振片调节机构5设置于所述镜筒4的内部；所述偏振片调节机构5的首端朝向1/4波片调节机构；所述偏振片调节机构5的尾端朝向镜筒4的另一端；所述偏振片调节机构5的尾端安装有偏振片调节把手6；所述镜筒4内部设有遮光板7。
所述1/4波片调节机构包括波片安装机构1、波片调节手柄2和波片固定轴3，具体结构如图2a和图3a所示；所述波片安装机构1垂直安装于所述镜筒4的一端，并位于所述镜筒4一端的端面处；所述波片调节手柄2和波片固定轴3安装于所述波片安装机构1的机构体上。
所述波片调节手柄2调节波片安装机构1上安装的波片绕镜筒中心轴进行转动，转动范围为±75°；所述镜筒4的侧壁上与所述波片调节手柄2对应的位置设有波片调节手柄条形孔；所述波片调节手柄2通过所述波片调节手柄条形孔向外伸出。
本实施例所述1/4波片调节机构，波片安装结构垂直安装在镜筒内，其用于安装波片，并与波片调节把手相连，以图2(b)方位为例，通过左右调节把手可实现波片绕镜筒中心轴转动，转动范围为±75°，满足斯托克斯矢量测量，当波片转动到所需角度，将波片固定轴向里面拧，固定轴将波片安装结构顶住，实现角度固定。
所述波片安装机构1采用圆形结构；所述波片安装机构1中心处设有波片安装孔。
所述偏振片调节机构5包括偏振片中心轴8、偏振片固定轴a9、偏振片固定轴b10、偏振片固定轴c11、偏振片内层安装结构12和偏振片外层安装结构13；偏振片安装于所述偏振片内层安装结构12上；所述偏振片内层安装结构12以可转动方式活动套装在所述偏振片外层安装结构13的内侧；所述偏振片内层安装结构12的尾端与所述偏振片调节把手6相连；所述偏振片中心轴8和偏振片固定轴a9以所述内层安装结构12上的轴向中心线为对称轴对称安装在所述内层安装结构12的侧壁上，所述偏振片中心轴8和偏振片固定轴a9用于顶住内层安装结构12，实现左右方向偏振片角度固定；所述偏振片固定轴b10和偏振片固定轴c11以所述镜筒4的轴向中心线为对称轴对称安装在所述镜筒4的侧壁上，所述偏振片固定轴b10和偏振片固定轴c11顶住偏振片外层安装结构13,实现前后方向角度固定。
在偏振片调节机构5中，偏振片内层安装结构用于安装偏振片，偏振片外层安装结构13恰好能将内层安装结构放进去且内层安装结构可在外层安装结构中转动，结构紧凑；调节把手与内层结构相连，如图2(b)方位所示，调节把手左右转动可实现偏振片绕镜筒中心轴转动，转动范围±60°，固定轴a与8号中心轴对称，可顶住内部结构，实现左右方向偏振片角度固定；调节把手前后转动可实现偏振片绕8号中心轴转动，转动范围45°±4°，以满足所选用偏振片在使用时倾斜角度的要求45°±2°，固定轴a与固定轴b可顶住偏振片外层安装结构，实现前后方向角度固定。
所述镜筒4用于安装偏振结构，且后部刻有螺纹，可与后面光学***相连；同时，所述镜筒4侧壁上设有中心轴条形孔，所述偏振片中心轴8通过中心轴条形孔向外伸出。所述镜筒4侧壁上设有偏振片调节把手条形孔；所述偏振片调节把手6通过偏振片调节把手条形孔延伸至镜筒4外。
遮光板7可拆卸方式安装与镜筒内，用于避免外部环境光进入偏振***，在调节偏振片时取下，偏振片角度调节完成后盖上。
本实施例所述激光雷达偏振探测光学调节机构的工作过程包括：
步骤一、将整个激光雷达偏振探测调节结构与后续接收装置连接固定；
步骤二、取下遮光板，松开偏振片固定轴a和固定轴b，将圆偏振光入射到偏振***上，前后转动偏振片，当后端探测器强度最大，拧紧固定轴a和b，偏振片此时对应的倾斜角度为最佳激光入射角度；
步骤三、通过左右调节波片调节把手及偏振片调节把手，可实现回波光各偏振分量探测，并可获得回波光的偏振态，注意，在探测过程中盖上遮光板。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种激光雷达偏振探测光学调节机构，其特征在于，所述激光雷达偏振探测光学调节机构包括1/4波片调节机构、镜筒(4)、偏振片调节机构(5)、偏振片调节把手(6)和遮光板(7)；所述1/4波片调节机构设置于所述镜筒(4)的一端；所述偏振片调节机构(5)设置于所述镜筒(4)的内部；所述偏振片调节机构(5)的首端朝向1/4波片调节机构；所述偏振片调节机构(5)的尾端朝向镜筒(4)的另一端；所述偏振片调节机构(5)的尾端安装有偏振片调节把手(6)；所述镜筒(4)内部设有遮光板(7)。
2.根据权利要求1所述激光雷达偏振探测光学调节机构，其特征在于，所述1/4波片调节机构包括波片安装机构(1)、波片调节手柄(2)和波片固定轴(3)；所述波片安装机构(1)垂直安装于所述镜筒(4)的一端，并位于所述镜筒(4)一端的端面处；所述波片调节手柄(2)和波片固定轴(3)安装于所述波片安装机构(1)的机构体上。
3.根据权利要求2所述激光雷达偏振探测光学调节机构，其特征在于，所述波片调节手柄(2)调节波片安装机构(1)上安装的波片绕镜筒中心轴进行转动，转动范围为±75°；所述镜筒(4)的侧壁上与所述波片调节手柄(2)对应的位置设有波片调节手柄条形孔；所述波片调节手柄(2)通过所述波片调节手柄条形孔向外伸出。
4.根据权利要求2所述激光雷达偏振探测光学调节机构，其特征在于，所述波片安装机构(1)采用圆形结构；所述波片安装机构(1)中心处设有波片安装孔。
5.根据权利要求1所述激光雷达偏振探测光学调节机构，其特征在于，所述偏振片调节机构(5)包括偏振片中心轴(8)、偏振片固定轴a(9)、偏振片固定轴b(10)、偏振片固定轴c(11)、偏振片内层安装结构(12)和偏振片外层安装结构(13)；偏振片安装于所述偏振片内层安装结构(12)上；所述偏振片内层安装结构(12)以可转动方式活动套装在所述偏振片外层安装结构(13)的内侧；所述偏振片内层安装结构(12)的尾端与所述偏振片调节把手(6)相连；所述偏振片中心轴(8)和偏振片固定轴a(9)以所述内层安装结构(12)上的轴向中心线为对称轴对称安装在所述内层安装结构(12)的侧壁上，所述偏振片中心轴(8)和偏振片固定轴a(9)用于顶住内层安装结构(12)，实现左右方向偏振片角度固定；所述偏振片固定轴b(10)和偏振片固定轴c(11)以所述镜筒(4)的轴向中心线为对称轴对称安装在所述镜筒(4)的侧壁上，所述偏振片固定轴b(10)和偏振片固定轴c(11)顶住偏振片外层安装结构(13),实现前后方向角度固定。
6.根据权利要求1或5所述激光雷达偏振探测光学调节机构，其特征在于，所述偏振片调节把手(6)转动调节偏振片调节机构(5)，使偏振片调节机构(5)上安装的偏振片绕镜筒(4)的中心轴转动，转动范围为±60°。
7.根据权利要求5所述激光雷达偏振探测光学调节机构，其特征在于，所述偏振片调节把手(6)转动调节偏振片绕偏振片中心轴(8)进行转动，转动范围为45°±4°，此时，偏振片的转动调节范围为45°±2°。
8.根据权利要求5所述激光雷达偏振探测光学调节机构，其特征在于，所述镜筒(4)侧壁上设有中心轴条形孔，所述偏振片中心轴(8)通过中心轴条形孔向外伸出。
9.根据权利要求1所述激光雷达偏振探测光学调节机构，其特征在于，所述镜筒(4)侧壁上设有偏振片调节把手条形孔；所述偏振片调节把手(6)通过偏振片调节把手条形孔延伸至镜筒(4)外。
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