CN116953671A - 相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置，通过引入额外的监测光与探测光共光路，不仅可以利用全部的回波信号，提高***探测效率，而且可以同时监测发射光轴与接收光轴之间存在的偏差，通过分离、调整监测光的偏振态，分别构建发射光轴和接收光轴，利用面阵相机实时成像发射光斑和接收光斑，实时进行监测，监测结果反馈到光束调整镜控制器，从而实现实时校正光轴的功能，增大***耦合效率。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达领域，具体涉及一种相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置。
背景技术
大气风场在军事国防、气象预报与研究以及风能发电等领域具有重要作用。从20世纪60年代开始，国外学者就开始研究相干探测激光多普勒测风雷达。虽然国内起步相对较晚，但到目前为止，地基、船载、车载和机载的相干探测激光多普勒测风雷达已经得到了较为成熟的发展。随着中国航天事业在新时代快速发展，未来的星载相干探测激光多普勒测风雷达也正处于预研阶段。航天事业的迅猛发展对雷达***提出了越来越高的要求。基于收发同轴设计的雷达***，要实现高精度和高效率的探测需求，保持发射光轴和接收光轴高度同轴是重要的前提。然而，在***工作过程中，复杂的外部环境、***振动、力学冲击和重力释放等因素导致收发光轴存在偏差，从而降低了***的探测能力，特别是在星载雷达中更为明显。具体而言，激光的发散角通常在数百微弧度范围内，光轴变化达到几十微弧度将导致回波信号的损失甚至无法探测到回波信号，因此实时监测光轴的状态并进行自适应校正是至关重要且必不可少的。
为了监测发射和接收光轴之间的相对位置是否重合，通常根据发射光轴与接收光轴在相机上成像的相对位置来反映光轴的重合情况。专利201921931090.0提出了一种基于偏振分光的反射望远镜光轴监测的光校装置。该方案的缺点是使用了辅助大口径平面镜。一方面，大口径平面镜加工难度大，面型精度要求高，成本高；另一方面，该方案需要人为调节装置来确保发射和接收光斑质心一致，而调节范围通常在微弧度量级，这在实际操作中非常困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提供一种相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置，无需辅助大口径平面镜，引入额外的监测光与探测光共光路，有效利用了全部的回波信号，提高了***探测效率，而且可以同时监测发射光轴与接收光轴之间存在的偏差，通过分离、调整监测光的偏振态，分别构建发射光轴和接收光轴，利用面阵相机实时成像发射光斑和接收光斑，实时进行监测，监测结果反馈到光束调整镜控制器，解决了光轴监测与自适应校正的问题，增大了***耦合效率。
本发明利用镀有探测光源波长的透射膜和监测光源的反射膜技术，在不损失回波信号的前提下进行光轴监测，利用偏振分光棱镜和四分之一波片将监测激光分成线偏振S光和线偏振P光两束光，分别构建发射光轴和接收光轴。具体而言，将监测光源发射的激光入射到偏振分光棱镜45°分光面上，线偏振S光呈与原光轴90°方向出射，这部分光经过四分之一波片和全反镜后，光束方向改变180°再次经过四分之一波片最终变为线偏振P光，接着经过一系列的光学***后在相机上成像，以此建立雷达发射光轴。而线偏振P光透过偏振分光棱镜，不改变光束方向。该部分光经过四分之一波片后变为圆偏光，接着被望远镜反射。由于后向散射信号强度较弱，无法在相机上成像。因此在雷达***中引入雷达接收光轴的小口径平面镜，并将其垂直安装在雷达接收望远镜的次镜支架结构上。该平面镜的偏转方向代表了雷达接收光轴的变化，监测光入射该平面镜后被反射原路返回再次经过四分之一波片最终变为线偏振S光，同样经过一系列的光学***后，最终在相机上成像，以此建立雷达接收光轴。
通过对发射和接收光斑在相机上成像的相对位置进行图像处理解算，实时计算发射光轴与接收光轴之间的偏差。接着光束调整镜控制器根据计算的偏差结果调整光束调整镜的角度，使得收发光轴之间的偏差为零，保证最大耦合效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置，其特点在于，包括：
光源模块，用于主动发射合适波长的激光；
透反射模块，用于将探测光透射和监测光反射；
反射模块，用于反射监测光波长；
滤光模块，用于吸收探测光波长，而透射监测光波长；
偏振分束模块，用于将激光分为两束，即线偏振S光和线偏振P光；
偏振转换模块，用于光束两次经过偏振转换模块后，其偏振方向改变90°；
准直模块，用于将探测光和监测光的发散角压缩，进而出射光为平行光；
望远镜模块，用于将探测光的发散角进一步压缩发射到大气中并接收大气回波信号；
光纤模块，用于耦合探测光的回波信号。
进一步，还包括：
光束调整模块，用于实时调整发射光轴和接收光轴之间的偏差。
或者，还包括：
聚焦与光电探测模块，用于将发射光斑和接收光斑进行聚焦，并传输至光电探测模块进行成像，对其进行数据采集和处理后产生光束调整镜控制器的输入信号。
优选的，所述偏振分束模块为偏振分光棱镜。
优选的，所述反射模块为反射率尽量为99％的高反镜。
优选的，所述透反射模块为透射率尽量为99％，反射率尽量为1％的平面镜。
与现有技术相比，发明的有益效果在于：
(1)通过引入额外的监测光与探测光共光路，不仅可以利用全部的回波信号，提高***探测效率，而且可以同时监测发射光轴与接收光轴之间存在的偏差。
(2)通过分离、调整监测光的偏振态，分别构建发射光轴和接收光轴，通过面阵相机实时成像发射光斑和接收光斑，实时进行监测，监测结果反馈给光束调整镜控制器，从而实现实时校正光轴的功能，增大***耦合效率。
(3)装置结构简单，成本低，易操作，适用于地基、船载、车载、机载和星载等各种平台。
附图说明
图1是本发明相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置实施例1示意图。
图中：1探测光源，2监测光源，3a第一平面镜，3b第二平面镜，3c第三平面镜，4准直透镜，5a第一四分之一波片，5b第二四分之一波片，5c第三四分之一波片，6偏振分光棱镜，7滤光片，8高反镜，9光束调整镜，10a第一聚焦透镜，10b第二聚焦透镜，11面阵相机，12计算机，13光束调整镜控制器，14望远镜主镜，15望远镜次镜，16单模光纤。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
参阅图1，图1是本发明相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置实施例1示意图，如图可知，一种相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置，包括探测光源1，监测光源2，第一平面镜3a，第二平面镜3b，第三平面镜3c，准直透镜4，第一四分之一波片5a，第二四分之一波片5b，第三四分之一波片5c，偏振分光棱镜6，滤光片7，高反镜8，光束调整镜9，第一聚焦透镜10a，第二聚焦透镜10b，面阵相机11，计算机12，光束调整镜控制器13，望远镜主镜14，望远镜次镜15，单模光纤16。
探测光源1发射激光，透过第一平面镜3a(镀有探测光源波长的透射膜和监测光源的反射膜)，准直透镜4和第一四分之一波片5a后到达偏振分光棱镜6，转动第一四分之一5a，使得探测光源1被分成极小部分的线偏振S光和大部分的线偏振P光。其中小部分的线偏振S光呈与原光轴90°夹角方向出射，通过该波长的滤光片7后被吸收；而大部分的线偏振P光沿原光轴方向透过第三四分之一波片5c后变为圆偏光，接着依次经过望远镜次镜15和主镜14反射后，透过第三平面镜3c(镀有探测光源波长的透射膜和监测光源的反射膜)后入射到大气中。大气的回波信号原路返回，再次经过第三四分之一波片5c变为线偏振S光，入射到偏振分光棱镜45°的分光面后被全部反射进入接收光路，依次经过光束调整镜9反射和第二平面镜3b透射(镀有探测光源波长的透射膜和监测光源的反射膜)后经第二聚焦透镜10b后进入单模光纤16，从而获得回波信号。
监测光源2发射激光入射第一平面镜3a，其光束传播方向与第一平面镜3a法线呈45°夹角以及其入射位置与探测光源1在第一平面镜3a上的入射位置重合。经第一平面镜3a反射后的监测光与探测光共光路，从而监测光的光轴便可以表征探测光的光轴。接着监测光经过准直透镜4发出平行光，经过第一四分之一波片5a后到达偏振分光棱镜6，监测光被分为线偏振S光和线偏振P光两束光。其中一束线偏振S光呈与原光轴90°夹角出射后，透过滤光片7和第二四分之一波片5b后，变为圆偏光，接着经过高反镜8反射，光束方向改变180°，再次经过第二四分之一波片5b，变为线偏振P光，透射经过偏振分光棱镜6后到达光束调整镜9被反射到第二平面镜4b表面，然后被全部反射经第一聚焦透镜10a汇聚后最终成像在面阵相机11上，即发射光轴的成像光斑。另一束线偏振P光透射偏振分光棱镜6，经过第三四分之一波片5c变为圆偏光，接着依次经过望远镜次镜15和主镜14反射后到达第三平面镜4c，反射光原路返回，再次经过第三四分之一波片5c变为线偏振S光，入射到偏振分光棱镜的45°分光面上被全部反射进入接收光路，依次经过光束调整镜9、第二平面镜4b和第一聚焦透镜10a后最终成像在面阵相机11上，即接收光轴的成像光斑。在不损失回波信号的前提下，根据发射光轴和接收光轴在面阵相机11上的成像光斑，计算机12对其进行实时数据处理，计算出两者的相对位置。通过计算结果得到光束调整镜控制器13的输入信号，从而进一步调整光束调整镜9的偏转角度，使得两者光斑质心重合，这便表征收发光轴同轴，即耦合效率最大。
下面是一个实施例采用的主要器件的参数，适合但不仅限于如下参数：
所述的探测光源1采用波长为2051nm，输出能量为100mJ的单模激光。
所述的监测光源2采用波长为1064nm，输出功率为50mW的单模激光。
所述的第一、第二和第三平面镜3a、3b和3c镀有2051nm的99％透射膜和1064nm的1％反射膜。
所述的准直透镜4采用Thorlabs公司型号为LA6002的平凸透镜，工作波段为200-6000nm，焦距为50mm，通光口径25.4mm，材料为氟化镁。
所述的第一、第二和第三四分之一波片5a、5b和5c由石英半波片构成，能够产生λ/4光程差。
所述的偏振分光棱镜6边长可以取为25mm，由两个熔融石英棱镜构成，适用于1064nm和2051nm。
所述的滤光片7采用Thorlabs公司型号为FLH1064-3的硬膜带通滤光片，波长范围为1000-1250nm，中心波长为1064nm，透过率大于90％，通光口径为21mm。
所述的高反镜8表面镀有介质膜，针对1064nm波长平均反射率大于99％。
所述的光束调整镜9表面镀有介质膜，针对1064nm和2051nm波长平均反射率大于99％。
所述的第一聚焦透镜10a采用Thorlabs公司型号为LA1074-YAG的平凸透镜，镀有1064nm的增透膜，焦距为20mm，通光口径为25mm，材料为N-BK7。
所述的第二聚焦透镜10b采用Thorlabs公司型号为LA8126-E的平凸透镜，镀有2-5μm的增透膜，焦距为20mm，通光口径为12.7mm，材料为硅。
所述的面阵相机11采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，工作波段为190nm-1100nm，像素大小为4.4um*4.4um，像素个数为1600*1200。
所述的计算机12为可连接面阵相机的任何一台台式电脑或笔记本。
所述的光束调整镜控制器13可以控制光束调整镜的偏转角度。
所述的望远镜主镜14和次镜15所组成的***采用放大倍数为30，有效口径为400mm，面型精度优于1/10λ@2051nm。
所述的单模光纤16采用美国Coherent公司型号为PM1950的单模光纤，工作波长为1850-2200nm，数值孔径为0.2，纤芯直径为7μm。
利用上述相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置进行探测的具体过程如下：
探测光源1发射2051nm激光，依次透过第一平面镜3a，准直透镜4和第一四分之一波片5a，稍微转动第一四分之一波片5a，偏振分光棱镜6把探测光源1分成极小部分的线偏振S光和大部分的线偏振P光。其中线偏振S光呈与原光轴90°夹角方向出射，被滤光片7吸收；而线偏振P光沿原光轴方向透过第三四分之一波片5c后变为圆偏光，接着依次经过望远镜次镜15和主镜14反射后，最后透过第三平面镜3c后入射到大气。大气的后向散射信号被望远镜接收后，再次经过第三四分之一波片5c变为线偏振S光，接着被偏振分光棱镜全部反射进入接收光路，依次经过光束调整镜9反射和第二平面镜3b透射后，最后经第二聚焦透镜10b聚焦后耦合进单模光纤16。
监测光源2发射1064nm激光，入射到第一平面镜3a，其入射方向与第一平面镜3a法线的夹角为45°，入射位置与探测光源1在第一平面镜3a上的入射位置重合，经过到第一平面镜3a反射后，与探测光共光路，从而监测光的光轴便可以表征探测光的光轴。接着监测光经过准直透镜4发出平行光，然后经过第一四分之一波片5a后到达偏振分光棱镜6。偏振分光棱镜6把监测光分为线偏振S光和线偏振P光两束光。其中一束线偏振S光呈与原光轴90°夹角出射后，透过滤光片7和第二四分之一波片5b后，变为圆偏光，接着被镀有介质膜的高反镜8反射，光束方向改变180°，再次经过第二四分之一波片5b，变为线偏振P光，透射经过偏振分光棱镜6后到达光束调整镜9被反射到第二平面镜4b表面，最后线偏振P光被全部反射经第一聚焦透镜10a汇聚后成像在面阵相机11上，此为发射光轴的成像光斑。而另一束线偏振P光透射偏振分光棱镜6，经过第三四分之一波片5c变为圆偏光，接着依次经过望远镜次镜15和主镜14反射后又被镀有1064nm反射膜的第三平面镜4c反射，光路反向改变180°后再次经过望远镜，然后再次经过第三四分之一波片5c变为线偏振S光，入射到偏振分光棱镜的45°分光面上被全部反射进入接收光路，依次经过光束调整镜9、第二平面镜4b和第一聚焦透镜10a后最终成像在面阵相机11上，此为接收光轴的成像光斑。
在不损失回波信号的前提下，计算机12可以根据发射光轴和接收光轴在面阵相机11的成像光斑相对位置，实时计算发射光轴和接收光轴的夹角，将计算结果输入到光束调整镜控制器13中作为反馈信号，从而可以实时调整光束调整镜9的偏转角度，保证发射光轴和接收光轴重合，此时的***耦合效率最大。
Claims (4)
1.一种相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置，其特征在于，包括：
光源模块，用于主动发射合适波长的激光；
透反射模块，用于将探测光透射和监测光反射；
反射模块，用于反射监测光波长；
滤光模块，用于吸收探测光波长，而透射监测光波长；
偏振分束模块，用于将激光分为两束，即线偏振S光和线偏振P光；
偏振转换模块，用于光束两次经过偏振转换模块后，其偏振方向改变90°；
准直模块，用于将探测光和监测光的发散角压缩，进而出射光为平行光；
望远镜模块，用于将探测光的发散角进一步压缩发射到大气中并接收大气回波信号；
光纤模块，用于耦合探测光的回波信号。
2.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置，其特征在于，还包括：光束调整模块，用于实时调整发射光轴和接收光轴之间的偏差。
3.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置，其特征在于，还包括：聚焦与光电探测模块，用于将发射光轴和接收光轴进行聚焦，并传输至光电探测模块进行成像，对其进行数据采集和处理后产生光束调整镜控制器的输入信号。
4.根据权利要求1-3任一所述的相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置，其特征在于，所述光源模块包括探测光源(1)，监测光源(2)，所述透反射模块包括透射率为99％、反射率为1％的第一平面镜(3a)，第二平面镜(3b)和第三平面镜(3c)，其中，所述第一平面镜(3a)镀有探测光源波长的透射膜和监测光源的反射膜；所述第二平面镜(3b)镀有探测光源波长的透射膜和监测光源的反射膜，所述第三平面镜(3c)镀有探测光源波长的透射膜和监测光源的反射膜，所述反射模块为反射率为99％的高反镜(8)，所述滤光模块为滤光片(7)，所述偏振分束模块为偏振分光棱镜(6)，所述偏振转换模块包括第一四分之一波片(5a)，第二四分之一波片(5b)，第三四分之一波片(5c)，所述准直模块为准直透镜(4)，所述聚焦与光电模块包括第一聚焦透镜(10a)，第二聚焦透镜(10b)，面阵相机(11)，所述望远镜模块包括望远镜主镜(14)，望远镜次镜(15)，所述光束调整模块包括光束调整镜(9)，光束调整镜控制器(13)，所述光纤模块为单模光纤(16)。
所述探测光源(1)发射激光依次透过所述第一平面镜(3a)、准直透镜(4)和第一四分之一波片(5a)，使得探测光源(1)被分成极小部分的线偏振S光和大部分的线偏振P光，其中小部分的线偏振S光经所述偏振分光棱镜(6)反射后呈与原光轴90°夹角方向出射，由该波长的滤光片(7)吸收；大部分的线偏振P光沿原光轴方向依次透过偏振分光棱镜(6)和第三四分之一波片(5c)后变为圆偏光，接着依次经过望远镜次镜(15)和主镜(14)反射后，透过第三平面镜(3c)后入射到大气中；大气的回波信号原路返回，再次经过第三四分之一波片(5c)变为线偏振S光，入射到偏振分光棱镜45°的分光面后被全部反射进入接收光路，依次经过光束调整镜(9)反射和第二平面镜(3b)透射后经第二聚焦透镜(10b)后进入单模光纤(16)，从而获得回波信号；
所述监测光源(2)发射激光入射第一平面镜(3a)，其光束传播方向与第一平面镜(3a)法线呈45°夹角以及其入射位置与探测光源(1)在第一平面镜(3a)上的入射位置重合，经第一平面镜(3a)反射后的监测光与探测光共光路，从而监测光的光轴便表征探测光的光轴；接着监测光经过准直透镜(4)发出平行光，经过第一四分之一波片(5a)后到达偏振分光棱镜(6)，监测光被分为线偏振S光和线偏振P光两束光，其中一束线偏振S光经所述偏振分光棱镜(6)反射呈与原光轴90°夹角出射后，透过滤光片(7)和第二四分之一波片(5b)后，变为圆偏光，接着经过高反镜(8)反射，光束方向改变180°，再次经过第二四分之一波片(5b)，变为线偏振P光，透射经过偏振分光棱镜(6)后到达光束调整镜(9)被反射到第二平面镜(4b)表面，然后被全部反射经第一聚焦透镜(10a)汇聚后最终成像在面阵相机(11)上，即发射光轴的成像光斑；另一束线偏振P光透射偏振分光棱镜(6)，经过第三四分之一波片(5c)变为圆偏光，接着依次经过望远镜次镜(15)和主镜(14)反射后到达第三平面镜(4c)，反射光原路返回，再次经过第三四分之一波片(5c)变为线偏振S光，入射到偏振分光棱镜的45°分光面上被全部反射进入接收光路，依次经过光束调整镜(9)、第二平面镜(4b)和第一聚焦透镜(10a)后最终成像在面阵相机(11)上，即接收光轴的成像光斑。在不损失回波信号的前提下，根据发射光轴和接收光轴在面阵相机(11)上的成像光斑，计算机(12)对其进行实时数据处理，计算出两者的相对位置。通过计算结果得到光束调整镜控制器(13)的输入信号，从而进一步调整光束调整镜(9)的偏转角度，使得两者光斑质心重合，这便表征收发光轴同轴，即耦合效率最大。
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| CN202310874964.8A CN116953671A (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 相干测风激光雷达光轴监测及自适应校正装置 |
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2023
- 2023-07-17 CN CN202310874964.8A patent/CN116953671A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117949934A (zh) * | 2024-03-27 | 2024-04-30 | 南京信息工程大学 | 一种相干测风激光雷达回波信号标定***及设计方法 |
| CN117949934B (zh) * | 2024-03-27 | 2024-06-04 | 南京信息工程大学 | 一种相干测风激光雷达回波信号标定***及设计方法 |
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