CN203572962U - 一种单通道探测偏振的激光雷达*** - Google Patents

Abstract

本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***，包括光源、装有第一凸透镜的光学支架、装有第三线偏振片的光学支架、偏振态转换装置、滤光镜转盘、圆环、“L”型工具、可旋转光学支架、光电探测器。本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***占用更少的设计空间，使得整个激光雷达***结构更加紧凑，在满足探测实验需求的前提下，有效减少了激光雷达***的研制和维护成本，为研制一定数量的激光雷达***，组建激光雷达观测网提供了经济上的可能性。

Description

一种单通道探测偏振的激光雷达***

技术领域

本实用新型涉及一种激光雷达***，特别是涉及一种单通道探测偏振的激光雷达***。

背景技术

随着国内外激光雷达技术的快速发展，不同用途和功能的激光雷达***已被广泛应用。从发展初期的单波段探测型逐渐演变为单波段带不同偏振态探测型，再到发展至目前的多波段带不同偏振态探测型，激光雷达硬件***的设计经历着充满创意的变革。现有的激光雷达***的回波信号接收部分的分光装置应用多个透射镜、偏振片或偏振晶体、滤光片，这些光学镜片都由光学支架独立固定在光学平台上，回波信号接收部分的探测装置采用光电探测器，根据激光雷达***的实际探测功能，每一个波长通道对应一个光电探测器，或同一波长的水平和垂直偏振通道各需一个光电探测器，其中，光学镜片和光电探测器数量由激光雷达***具体探测功能和内容决定。随之而来造成了两个方面的问题，一方面，激光雷达***结构的紧凑型受到限制，当激光雷达***设计成为多功能多通道时，就会面临许多光学元件和电子元件的排版问题，进而产生激光雷达***成品后是否便携的问题，尤其在外场观测实验中，更需要激光雷达***小巧的结构；另一方面，目前国外的激光雷达研发和应用水平已经发展到一个比较高的水平，同时在全球不同的地区设定多个观测激光雷达站点，构成激光雷达观测网，国内的激光雷达研发和应用水平还存在比较大的发展空间，并且在***的组织激光雷达观测网方面差距较大，组建激光雷达网需要数量较多的单个激光雷达***构成，如果选择从国外购置成品的激光雷达***，将面临比自主研发成本更高的价格，自主研发的激光雷达也会由于信号接收部分的众多元件以及后期激光雷达***的维护费用让成本相对较高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种单通道探测偏振的激光雷达***，不但实现了***结构的紧凑和成本的降低，而且还能够探测更多通道的大气回波信号。

本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***，包括光源、装有第一凸透镜的光学支架、装有第三线偏振片的光学支架、偏振态转换装置、滤光镜转盘、圆环、“L”型工具、可旋转光学支架、光电探测器；

所述光源的光路上依序设置装有第一凸透镜的光学支架、装有第三线偏振片的光学支架、可旋转光学支架、滤光镜转盘、光电探测器；

其中：

所述滤光镜转盘上设有第一卡位、第二卡位，第一滤光片叠加在垂直向线偏振片上方，位于所述第一卡位内；

所述圆环位于所述第二卡位内，高度小于所述第二卡位的深度，圆环的外径与水平向线偏振片的直径相同，水平向线偏振片盖合固定在圆环上，第二滤光片叠加在所述水平向线偏振片上方，圆环任一直径的两端各设一个通孔；

所述“L”型工具数量为两个，每个“L”型工具的长边分别和可旋转光学支架固定连接，短边分别***所述圆环上的通孔内。

本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***，其中所述第一滤光片和/或第二滤光片为532nm滤光片。

本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***和现有技术相比，具有如下优点：

1、本实用新型的激光雷达***省去了透射镜、偏振晶体及相应的各光学镜片的支架等元件，将不同波段的滤光片及其对应的偏振片集中放置在滤光镜装盘中，利用一个光电探测器即可实现不同通道的信号探测，既可以实现利用同一款光电探测器对多个波段的探测，也可以同时探测到同一波段垂直和水平偏振通道的回波散射信号，明显减少了激光雷达***中光电探测器以及滤光光学元件的需求数量。

2、本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***占用更少的设计空间，使得整个激光雷达***结构更加紧凑，避免了当激光雷达***设计成为多功能多通道时面临的许多光学元件和电子元件的排版问题，使激光雷达***成品后结构小巧、便于携带，更方便在外场观测实验中应用；

3、在满足探测实验需求的前提下，有效减少了激光雷达***的研制和维护成本，为研制一定数量的激光雷达***，组建激光雷达观测网提供了经济上的可能性。

下面结合附图对本实用新型的一种单通道探测偏振的激光雷达***作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***的滤光镜转盘左视图；

图2为本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***的滤光镜转盘主视图；

图3为本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***的可旋转光学支架主视图；

图4为本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***的可旋转光学支架左视图；

图5为本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***的偏振态转换装置主视图；

图6为本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***的偏振态转换装置后视图；

图7为本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***的使用状态图。

其中：

1、LED绿光光源；                 2、装有第一凸透镜的光学支架；

3、装有第三线偏振片的光学支架；  4、偏振态转换装置；      41、光学镜片支架；

42、半波片；                     5、滤光镜转盘；          6、圆环；

7、“L”型工具；                 8、可旋转光学支架；      81、旋转把手；

9、光电探测器；                  10、第一卡位；           11、第二卡位；

12、第一滤光片；                 13、垂直向线偏振片；     14、水平向线偏振片；

15、第二滤光片；                 16、步进马达；           18、数据线；

19、齿轮；                       20、万用表。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一种单通道探测偏振的激光雷达***作进一步说明。

如图5至图7所示，本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***包括光源1、装有第一凸透镜的光学支架2、装有第三线偏振片的光学支架3、偏振态转换装置4、滤光镜转盘5、圆环6、“L”型工具7、可旋转光学支架8、光电探测器9；

光源1的光路上依序设置装有第一凸透镜的光学支架2、装有第三线偏振片的光学支架3、可旋转光学支架8、滤光镜转盘5、光电探测器9、万用表20；

滤光镜转盘为光学领域常用装置，实用新型专利CN202710575U中即公开了一种滤光轮转盘，滤光轮转盘中的孔槽相当于本实用新型滤光镜转盘5上的卡位，孔槽或卡位的数量可以根据实际情况设置，从而进行多通道探测，另外，滤光轮转盘通过电机驱动电机轴旋转，从而带动转盘旋转，本实用新型中滤光镜转盘5也是通过电机带动齿轮，从而带动滤光镜转盘5旋转。

如图2所示，上述滤光镜转盘5上设有第一卡位10、第二卡位11，第一滤光片12叠加在垂直向线偏振片13上方，位于上述第一卡位10内；根据实际探测需要，也可以在转盘上设置多个卡位，进行多通道探测。

如图2所示，圆环6位于第二卡位11内，高度小于上述第二卡位11的深度，圆环6的外径与水平向线偏振片14的直径相同，水平向线偏振片14盖合固定在圆环6上，与圆环6的外缘重合，第二滤光片15叠加在上述水平向线偏振片14上方，圆环6任一直径的两端各设一个通孔。根据实际探测情况，第一滤光片12、第二滤光片15可以择一选择或两者都选择其他波长的滤光片，例如，可以为532nm滤光片。

如图3、图4、图7所示，上述“L”型工具7数量为两个，每个“L”型工具7的长边分别和可旋转光学支架8固定连接，短边分别***上述圆环6上的通孔内。

由于水平向线偏振片14表面光滑，当放入第二卡位11中后，拧上螺圈（图中未标示），就无法直接调节其旋转，并且不能用手直接去转动，通过使用圆环6，一方面可以借助”L”型工具7去调节，另一方面避免直接用手去转动，导致污染水平向线偏振片14。

如图1至图7所示，下面以LED绿光光源1为例，结合附图说明实验室条件下利用本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***进行偏振态探测的步骤：

（1）根据实验需要选取光源，例如，可以选取输出能量稳定的LED绿光光源1，在激光雷达实际作业过程中，光源1应为望远镜接收的回波信号；

（2）在LED绿光光源1的光路上，首先放置装有第一凸透镜（图中未标示）的光学支架2，通过第一凸透镜将发散的光线转为平行光束；

（3）在光学支架2的后方放置装有第三线偏振片的光学支架3，使得（2）中的平行光束转换为线偏振光；

（4）第三线偏振片的光学支架3后依序放置可旋转光学支架8、滤光镜转盘5，通过步进马达16将滤光镜转盘5转至第一卡位10的位置后，保持滤光镜转盘5不动；

（5）缓慢调节第三线偏振片，此时，位于滤光镜转盘5后方的光电探测器9接收到的光信号强度会随着垂直向线偏振片13和第三线偏振片之间偏振方向夹角的变化而变化，当光电探测器9接收到信号最小（几乎为零）的位置后，保持第三线偏振片不动，此时垂直向线偏振片13和第三线偏振片的线偏振方向相互垂直；

光学支架3带有角度数且可旋转，带有角度数是为了方便多次调整第三线偏振片，光电探测器9出现最大值时可以记录位置，这样多次重复调整中，都会有前面调整的读数作为参考，以便调节的精度更高；

（6）转动滤光镜转盘5至水平向线偏振片14的位置，将两根“L”型工具7的长边固定在可旋转光学支架8上，然后从滤光镜转盘5的前端缓缓进入，并将两个短边***已经在圆环6上加工好的两个通孔内，其中”L”型工具7的粗细以能***通孔内为宜，短边长度以不遮挡光路为宜，长边长度可根据圆环6与可旋转光学支架8之间的距离而定；

（7）通过旋转把手81转动可旋转光学支架8，带动“L”型工具7旋转，进而通过“L”型工具7带动圆环6和水平向线偏振片14一起缓缓转动，多次重复调整，找到光电探测器9接收光信号最强的位置后，完全固定水平向线偏振片14的螺圈（图中未标示），使得水平向线偏振片14不动，此时水平向线偏振片14和第三线偏振片的线偏振方向相互平行；

（8）轻轻取出“L”型工具7；

（9）将两块透过率已知的532nm滤光片12、15分别叠加固定在上述垂直向线偏振片13和水平向线偏振片14上；

（10）相互垂直通道的校正：

进一步检验和校正放在卡位中的线偏振片的放置效果，由于放在滤光镜转盘5两个卡位上的线偏振片和532nm滤光片等光学镜片自身属性的差异，导致相同的光源通过不同卡位的镜片时得到的最大值不同。因此，需要重复多次轮流测量经过其中一个卡位镜片时最大信号值以及另一个卡位镜片的对应值。有两个指标可以作为后续试验的参考依据：其一：一个通道的最大值与另一个通道的对应数值的比值可以判定两块线偏振片的偏振化方向垂直程度；其二，两个通道最大探测值的比值可以判断由镜片透过率等因素引起的测量差异，获得信号的校正系数。

如果两个偏振通道各对应一个光电探测器，在获得两个偏振通道校正系数时，或许要利用实际大气的回波信号进行得到，或者是在实验光源的条件下，需要考虑两个光电探测器光电效率的差异，而这都将增加校正系数获得时的复杂程度。本实用新型的激光雷达***，避免了上述问题，减少了光学元件的数量，用更紧凑的结构，直接在实验室内利用实验光源得到两个偏振通道信号的校正系数；

（11）回波信号偏振方向的调试：

由于激光雷达***发射出的激光是以线偏振的状态被传输至大气，激光束与大气粒子相互作用，其中后向散射信号就会被激光雷达的望远镜接收。回波信号中垂直和水平的偏振状态可能与滤光镜转盘5中的两块线偏振片的线偏振方向既不垂直又不平行，因此需要通过调整激光发射部分的偏振态转换装置4中半波片42的角度以满足与滤光镜转盘5中线偏振片的偏振方向相互垂直或平行，调试方法如下：

首先，将半波片42固定在可自由旋转且带有角度刻度的光学镜片支架41上，光学镜片支架41位于出射激光束的光路上；

然后，调节光学镜片支架41的高度与出射激光束的高度相当并固定底盘；

再次，在水平方向微调光学镜片支架41，使半波片42的镜面与激光束方向垂直后完全固定光学镜片支架41；

最后，在垂直方向缓慢拨动旋转把手调节半波片42与激光束偏振方向的角度。

将滤光镜转盘5转至垂直向线偏振片13的位置，然后缓慢旋转半波片42，使得激光雷达数据采集***探测到的回波信号最强。此时回波信号中的垂直或水平偏振态与垂直向线偏振片13的偏振方向相互平行，而与水平向线偏振片14的偏振方向相互垂直。

半波片42安装在带有角度数且可旋转的光学镜片支架41上，带有角度数是为了方便多次调整半波片42，光电探测器9出现最大值时可以记录位置，这样多次重复调整中，都会有前面调整的读数作为参考，以便调节的精度更高。而且，当入射线偏振光的方位固定而改变半波片42的方向时，随着半波片42的旋转，通过的光将成为在相同方向上以二倍于半波片42的旋转角度旋转的线偏振光，因此，半波片42可作为线偏振光的旋光器使用。

另外，通过控制软件设定滤光镜转盘5转动的速度和每个卡位的信号采集时间，本实用新型的激光雷达***可分别探测532nm垂直和水平偏振向的Mie散射回波信号及其他波长的回波信号。

以上实施例中，装有第一凸透镜的光学支架2、装有第三线偏振片的光学支架3、光学镜片支架41、可旋转光学支架8可以根据实际作业需求选择常用的有刻度或无刻度、可以旋转并带动固定在支架上的镜片旋转的光学支架。

综上所述，本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***和现有技术相比，至少具有如下优点：

1、本实用新型的激光雷达***省去了透射镜、偏振晶体及相应的各光学镜片的支架等元件，将不同波段的滤光片及其对应的偏振片集中放置在滤光镜装盘中，利用一个光电探测器即可实现不同通道的信号探测，既可以实现利用同一款光电探测器对多个波段的探测，也可以同时探测到同一波段垂直和水平偏振通道的回波散射信号，明显减少了激光雷达***中光电探测器以及滤光光学元件的需求数量；

2、本实用新型一种单通道探测偏振的激光雷达***占用更少的设计空间，使得整个激光雷达***结构更加紧凑，避免了当激光雷达***设计成为多功能多通道时面临的许多光学元件和电子元件的排版问题，使激光雷达***成品后结构小巧、便于携带，更方便在外场观测实验中应用；

3、在满足探测实验需求的前提下，有效减少了激光雷达***的研制和维护成本，为研制一定数量的激光雷达***，组建激光雷达观测网提供了经济上的可能性。

以上上述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种单通道探测偏振的激光雷达***，其特征在于：包括光源（1）、装有第一凸透镜的光学支架（2）、装有第三线偏振片的光学支架（3）、偏振态转换装置（4）、滤光镜转盘（5）、圆环（6）、“L”型工具（7）、可旋转光学支架（8）、光电探测器（9）；

所述光源（1）的光路上依序设置装有第一凸透镜的光学支架（2）、装有第三线偏振片的光学支架（3）、可旋转光学支架（8）、滤光镜转盘（5）、光电探测器（9）；

其中：

所述滤光镜转盘（5）上设有第一卡位（10）、第二卡位（11），第一滤光片（12）叠加在垂直向线偏振片（13）上方，位于所述第一卡位（10）内；

所述圆环（6）位于所述第二卡位（11）内，高度小于所述第二卡位（11）的深度，圆环（6）的外径与水平向线偏振片（14）的直径相同，水平向线偏振片（14）盖合固定在圆环（6）上，第二滤光片（15）叠加在所述水平向线偏振片（14）上方，圆环（6）任一直径的两端各设一个通孔；

所述“L”型工具（7）数量为两个，每个“L”型工具（7）的长边分别和可旋转光学支架（8）固定连接，短边分别***所述圆环（6）上的通孔内。

2.根据权利要求1所述的激光雷达***，其特征在于：所述第一滤光片（12）和/或第二滤光片（15）为532nm滤光片。

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