CN1967284A - 激光雷达透射式双焦距收发光学*** - Google Patents

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赵南京
张玉钧
刘建国
刘诚
张天舒
司福祺
陆亦怀
谢品华
魏庆农
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Abstract

本发明公开了一种激光雷达透射式双焦距收发光学***，克服了已有技术反射式激光雷达结构复杂，回波信号接收损耗大缺点。其特征在于包括由反射镜、扩束镜和焦距为f1的发射透镜组成的发射光学单元；由焦距为f2的接收透镜组成的接收光学单元。发射透镜安装在接收透镜中央的孔中。激光器发射的激光束经反射镜、扩束镜及发射透镜以平行光束发出，后向散射的回波信号则经接收透镜会聚在镜筒尾部。然后由光阑、准直透镜、滤光片和探测器组成的探测***进行光电信号转换，最后送入计算机分析处理。用于气溶胶颗粒物的定性及定量探测，大气边界层高度的确定、气溶胶颗粒物垂直分布、气溶胶颗粒物时间变化以及对流层气溶胶颗粒物分层特征。

Description

激光雷达透射式双焦距收发光学***
技术领域
本发明属于激光雷达的收发光学***。
背景技术
激光雷达是迅速发展的高新技术之一，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达向空中发射激光脉冲，通过接收大气中气溶胶颗粒物对激光脉冲的后向散射进行大气光学特性研究，依此分析大气能见度、气溶胶颗粒物时空分布和时空变化、云底云高、边界层高度、气溶胶颗粒物特性等。由于返回的激光后向散射信号非常微弱，除了使用高灵敏的探测器进行信号探测外，接收激光后向散射信号的光学望远镜是影响激光雷达性能的关键组件。
无论是发射光束与接收光束同轴的激光雷达还是发射光束与接收光束的离轴的激光雷达，均采用反射式卡塞格林望远镜作为光学接收望远镜或牛顿望远镜作为光学接收望远镜。
对于反射式激光雷达，采用卡塞格林望远镜或牛顿望远镜对特定要求的雷达***有其特殊的优点，如成像扫描激光雷达，采用反射式望远镜可以消除色差，当物镜采用抛物面时可消去球差。对于以接收回波信号能量为目的的激光雷达***，采用反射式望远镜对激光雷达***的调整、加工、维护及性能优化有诸多不便。简述如下：
1、反射式望远镜***均由主镜和副镜组成，每个工作镜面上均镀有一定反射率的金属膜(如铝膜、金膜)或其它介质膜，如果每个镜面的反射率为85％，则经过望远镜***后接收到的能量也仅有总能量的72.3％，大大损耗了所接收微弱光信号的强度。
2、在反射式望远镜***中，主镜与副镜表面所镀铝膜或其它介质膜的反射率在长期的工作中(特别是野外工作)会大大降低。如长期工作在户外的激光雷达***，镜面所镀铝膜因其耐腐蚀性较差，在恶劣的大气环境中易于发生氧化。
3、在激光雷达***中，采用反射式望远镜***对于主镜与副镜的装调相当困难，特别是对于激光雷达的维护，如果主、副镜位置发生变化，必须重新对整个***的光路进行调整。
4、对于同轴收发式激光雷达***，激光束经扩束准直***后经一反射镜发出，对于发射光束与接收望远镜***的同轴调整相当困难，如果在野外试验运输中有一个部件位置发生变化，将会使发射光束与接收望远镜***的光轴发生偏离，严重影响整个雷达***的性能，甚至无法正常工作。
5、对于离轴收发式激光雷达***，在整个雷达***中必须保证发射光束与接收望远镜***的光轴平行，此种工作方式不仅在调整上比较麻烦，而且在探测空间距离上存在较大的盲区(至少大于400m)，因此在工作中必须对整个激光雷达***进行重叠修正。
发明内容
本发明的目的是为了提高激光雷达回波信号接收强度，发展易于调整、加工、维护及高性价比的激光雷达，克服已有的以接收回波信号强度为目的的反射式激光雷达***(离轴或同轴)，结构复杂、价格昂贵、调整加工维护不便，对于所接收到的回波信号强度损耗较大的缺点，发明了一种激光雷达透射式双焦距收发光学***，克服了激光雷达反射式收发光学***的不足。
本发明的技术方案如下：
激光雷达透射式双焦距收发光学***，其特征在于透射望远镜的镜筒内安装有由反射镜、扩束镜和焦距为f1的发射透镜组成发射光学单元，和由焦距为f2的接收透镜组成接收光学单元；镜筒中央安装有反射镜，透射望远镜的镜筒侧壁上安装有激光器，通过导光***把激光束导入反射镜，扩束镜安装在反射镜前方，接收透镜安装在镜筒端口，发射透镜安装在接收透镜中央的孔中，反射镜位于发射透镜的焦点处。
所述的导光***是指反射镜组或者光纤。
所述的发射透镜镶嵌在接收透镜中央的孔中。
激光器发射的激光束经反射镜、扩束镜及发射透镜以平行光束发出，后向散射的回波信号则经接收透镜、光阑、准直透镜及滤光片后直接进行探测。
利用透射式激光雷达***进行回波信号的探测，由于发射透镜与接收透镜为一体且具有不同的焦距，经发射透镜发出的激光束虽有部分反射也不能进入到探测器，因此大大降低了初始发射激光束对探测器的影响，提高了探测的灵敏度。
本发明适用于大气环境监测(大气能见度、气溶胶颗粒物时空分布和时空变化、云底云高、边界层高度、气溶胶颗粒物特性等)、水体污染激光诱导荧光遥感监测，适于以探测回波信号强度为谜底的各种激光雷达***。
本发明的优点：
1、激光雷达***中采用了透射式望远镜***，其结构简单、加工容易，易于密封，适合于野外工作；
2、激光束发射接收同轴，大大缩小了探测盲区。与反射式激光雷达相比(盲区至少大于400米)，此种结构的探测盲区仅有50米，因而特别适合于底层大气环境探测；
3、采用不同焦距的发射透镜和接收透镜，使得激光束和探测器处于同一轴线，装调方便，且光信号损失小，大大提高可探测的信噪比，同时无需对激光束进行整形，使得***工作稳定可靠；
4、无需在镜子表明镀铝反射膜，避免了长期使用镀铝反射膜的发射率下降。
附图说明
图1为激光雷达透射式双焦距收发光学***的结构图。
图2是采用透射式双焦距收发光学***激光雷达***测量的北京地区气溶胶颗粒物时空分布和了气边界层内气溶胶颗粒物的时空结构。
具体实施方式
激光雷达透射式双焦距收发光学***，在透射望远镜镜筒内安装有由反射镜、扩束镜和焦距为f1的发射透镜组成的发射光学单元；由焦距为f2的接收透镜组成的接收光学单元。望远镜的镜筒侧壁上安装有激光器，通过导光***(反射镜或者光纤)把激光束导入反射镜，反射镜安装在镜筒中央，反射镜前方安装有焦距为f1的发射光学单元，镜筒端口安装有接收透镜，接收透镜中央有一块小的发射透镜，反射镜位于发射透镜的焦点处。
激光器发射的激光束经反射镜、扩束镜及发射透镜以平行光束发出，后向散射的回波信号则经接收透镜会聚在镜筒尾部。然后由光阑、准直透镜、滤光片和探测器组成的探测***进行光电信号转换，最后送入计算机分析处理。
由透射式双焦距收发光学***组成的激光雷达性能指标见下表
  发射单元   测量指标
  脉冲光源   Nd:YAD激光器   空间测量范围   0～15Km
  波长(nm)   可选1064、532、355   空间分辨率   7.5～150m可选
  重复频率   1～20Hz   时间分辨率   10～600s
  发散角   ＜0.6mrad   最大探测距离   30Km
  接收单元   有效探测距离   15Km
  望远镜   透射式望远镜   其它
  视场角   2mrad   仰角   -5°～+95°
  探测单元   尺寸   800×600×850mm
  探测器   PMT、APD   体积   45Kg
  滤光片   2nm带宽   电源   220VAC，50～60Hz
  模数转换   A/D转换(14位、50MHz)   功率   800W
  计算机   工业控制机   工作温度   -10～50℃
图2给出利用透射式激光雷达***实际测量北京地区气溶胶颗粒物时空分布和了大气边界层内气溶胶颗粒物的时空结构的测量结果，北京城区大气边界层内的气溶胶颗粒物分布具有明显的多层结构，且富有变化。边界层内气溶胶颗粒物污染大多聚集在0.8km高度以下，在2005年8月21日、22日凌晨除近地面存在较厚的气溶胶颗粒物污染层外，在测站上空约1.0km～1.2km高度处还存在着浓度较高的气溶胶颗粒物污染团。

Claims (3)

1、激光雷达透射式双焦距收发光学***，其特征在于透射望远镜的镜筒内安装有由反射镜、扩束镜和焦距为f1的发射透镜组成发射光学单元，和由焦距为f2的接收透镜组成接收光学单元；镜筒中央安装有反射镜，透射望远镜的镜筒侧壁上安装有激光器，通过导光***把激光束导入反射镜，扩束镜安装在反射镜前方，接收透镜安装在镜筒端口，发射透镜安装在接收透镜中央的孔中，反射镜位于发射透镜的焦点处。
2、根据权利要求1所述的光学***，其特征在于所述的导光***是指反射镜组或者光纤。
3、根据权利要求1所述的光学***，其特征在于所述的发射透镜镶嵌在接收透镜中央的孔中。
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