CN220120984U - 一种激光雷达分光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种激光雷达分光装置，应用于激光雷达中，包括依次设置的光源输入装置、准直耦合镜、光栅、反射镜模组、聚焦镜模组及光源输出装置，所述光源输入装置将接收到的光信号发送给所述准直耦合镜，所述准直耦合镜对所述光信号进行准直并发送至所述光栅，所述光栅将不同波长的光信号以不同角度衍射至所述反射镜模组中，所述反射镜模组将不同波长的光信号反射至所述聚焦镜模组中，所述聚焦镜模组将不同波长的光信号聚焦发送至所述光源输出装置，所述光源输出装置将接收到的光信号转换为电信号。

Description

一种激光雷达分光装置

技术领域

本实用新型涉及大气环境激光雷达监测技术领域，尤其涉及一种激光雷达分光装置。

背景技术

当今大气环境污染已经成为人民关注的焦点问题，其中对流层臭氧作为大气污染物，是大气光化学反应的重要参与成分，也是重要产物，它不仅危害人类健康，破坏生态***，甚至可以影响区域甚至全球气候变化。因而对臭氧浓度的监测受到研究人员的广泛关注，对其研究包括地面臭氧浓度、大气臭氧浓度总量、臭氧浓度廓线等方面。而激光雷达作为主动式遥感仪器，其空间分辨率高、探测范围广，能实现高精度、快速实时、连续探测等功能，是近几年迅速发展的大气探测技术。

大气激光雷达的接收光学***一般由接收望远镜、分光装置以及信号采集***所组成。其中分光装置耦合在接收望远镜的底部，通常由二向色镜和干涉滤光片组成，利用其来抑制天空辐射背景光，并且将回波信号光进行分光、滤光。其中二向色镜可以将不同波长的回波信号分离到不同方向的通道中，从而导入光电探测器；进入光电探测器前，回波信号光会经过滤光片，该滤光片用以让工作波长的回波信号光通过而抑制其他波长的天空背景光或者杂散光。

然而，这种分光装置存在以下缺点：

(1)对光学元件要求高、导致总体成本较高。尤其是在紫外和深紫外波段，当激光雷达对滤光片的带通要求十分窄，或对光密度需求高时，所需滤光片的成本通常较高，甚至有些可能还需要进口或定制；又或是需要分光的两个波长比较相近时，二向色镜就需要特殊定制导致费用较高；而且波长越多，这些光学元件就需要越多，总体成本越高。

(2)稳定性较差。由于二向色镜对角度就比较敏感，当二向色镜分光的两个波长比较接近时，容易因为振动造成角度的偏差而使分光效果变差，并出现波长窜扰的现象。尤其是定制成品质量不佳时更容易出现这种状况，严重影响探测效果。

(3)波长选择或兼容能力有限。差分吸收雷达通常需要选择某个波段内的几个相近的波长，由于激光光源技术路线的不同选择，对应波长的选择也各不相同。如果使用二向色镜和滤光片的方式进行分光，对各波长的兼容能力比较有限，需要对不同方案做不同的选型，甚至光机结构也不兼容，通常需要定制、比较复杂且成本较高。不仅如此，滤光片的带宽通常是固定的，不可调整。

实用新型内容

鉴于以上内容，本实用新型旨在至少解决现有分光装置中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出了一种激光雷达分光装置，所述激光雷达分光装置可实现稳定快速的对光信号进行分光、滤光，并且该装置结构简单、成本低，便于生产。

本实用新型实施例提供一种激光雷达分光装置，应用于激光雷达中，包括依次设置的光源输入装置、准直耦合镜、光栅、反射镜模组、聚焦镜模组及光源输出装置，所述光源输入装置将接收到的光信号发送给所述准直耦合镜，所述准直耦合镜对所述光信号进行准直并发送至所述光栅，所述光栅将不同波长的光信号以不同角度衍射至所述反射镜模组中，所述反射镜模组将不同波长的光信号反射至所述聚焦镜模组中，所述聚焦镜模组将不同波长的光信号聚焦发送至所述光源输出装置，所述光源输出装置将接收到的光信号转换为电信号。

在一些实施例中，所述光源输入装置可以为光纤，所述光纤可以为石英光纤。

在一些实施例中，所述准直耦合镜可以为抛物面反射镜。

在一些实施例中，所述光栅可以为全息光栅，不同波长的光信号经所述光栅的衍射角由以下公式决定：d(sinβ+sinθ)＝mλ，d为光栅常数，β为入射角，θ为衍射角，λ为入射光波长，m为衍射级次。

在一些实施例中，所述反射镜模组40包括第一反射镜、第二反射镜及第三反射镜，所述第一反射镜用以将不同波长的光信号反射至所述第二反射镜及所述第三反射镜。

在一些实施例中，所述第一反射镜、所述第二反射镜及所述第三反射镜的反射面上均涂覆有高反射介质膜。

在一些实施例中，所述聚焦镜模组包括第一聚焦镜及第二聚焦镜，所述第二反射镜将对应波长的光信号反射至所述第一聚焦镜上，所述第三反射镜将对应波长的光信号反射合至所述第二聚焦镜上。

在一些实施例中，所述光源输出装置包括与所述第一聚焦镜对应的第一微孔光阑及与所述第二聚焦镜对应的第二微孔光阑，所述第一微孔光阑及所述第二微孔光阑分别设置于所述第一聚焦镜及所述第二聚焦镜的焦点上。

在一些实施例中，所述第一微孔光阑及所述第二微孔光阑可以选择可调孔径的小孔或狭缝光阑以便控制输出光的带宽并减少杂散光。

在一些实施例中，所述光源输出装置还包括与所述第一微孔光阑对应的第一光电探测器及与所述第二微孔光阑对应的第二光电探测器，所述第一光电探测器及所述第二光电探测器用于将接收对应的光信号，并将其转换为电信号。

本实用新型实施例提供的激光雷达分光装置，利用所述光栅对光信号进行分光，同时利用所述反射镜模组及所述聚焦镜模组将不同波长的光信号聚焦至所述光源输出装置，所述光源输出装置将接收到的光信号转换为电信号，从而完成处理光信号的工作。本实用新型所述激光雷达分光装置采用光栅分光形式，对光学元件选型性能要求不高、总体成本低廉；并且，光栅分光装置稳定性较好，对角度敏感度不大，便于运输；还可根据需求选择不同的波长，对应不同的设计方案；另外，通过设置可调孔径的小孔或狭缝光阑以便控制输出光的带宽并尽可能减少杂散光。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的激光雷达分光装置的结构示意图；

图2是本实用新型第二实施例的激光雷达分光装置的应用方法流程图。

附图标记：

激光雷达分光装置100；

光源输入装置10；准直耦合镜20；光栅30；

反射镜模组40；第一反射镜41；第二反射镜42；第三反射镜43；

聚焦镜模组50；第一聚焦镜51；第二聚焦镜52；

光源输出装置60；

微孔光阑70；第一微孔光阑71；第二微孔光阑72；

光电探测器80；第一光电探测器81；第二光电探测器82。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。

本实用新型第一方面实施例提供一种激光雷达分光装置100。下面参考附图描述根据本实用新型实施例的激光雷达分光装置100。

请参阅图1，所述激光雷达分光装置100应用于激光雷达中，所述激光雷达可以测量并计算出地面臭氧浓度、大气臭氧浓度总量、臭氧浓度廓线等数据。所述激光雷达包括接收光学***，所述接收光学***包括接收望远镜、所述激光雷达分光装置100及信号采集***。所述接收望远镜将接收到的光信号发送至所述激光雷达分光装置100，所述激光雷达分光装置100对接收到的光信号进行分光、滤光后将光信号转化成电信号并发送至所述信号采集***。

所述激光雷达分光装置100包括光源输入装置10、准直耦合镜20、光栅30、反射镜模组40、聚焦镜模组50及光源输出装置60。

所述光源输入装置10的一端与所述接收望远镜的光路进行耦合，用以传导光信号，另一端与所述准直耦合镜20耦合。在本实施例中，所述光源输入装置10可以为光纤，使用光纤耦合光源的好处是安装简单、调试方便，且光纤可随时插拔。另外，采用光纤可以使所述激光雷达分光装置100的摆放位置不受限制。进一步地，为了提高耦合效率，所述光纤可以选用大纤芯多模光纤，且纤芯直径在400μm以上。可以理解的是，由于臭氧的探测波长属于紫外波段，因此所述光纤优先选用对紫外波段透过率高的，优选的，所述光纤可以为石英光纤。

在另一实施例中，所述光源输入装置10也可以采用自由空间耦合方式，此时，需保证所述准直耦合镜20与所述接收望远镜光路要对准，且数值孔径要相匹配。

所述准直耦合镜20用以将通过所述光源输入装置10输入的光信号进行准直，减小发散角，以便于分光。在本实施例中，所述准直耦合镜20为抛物面反射镜，采用抛物面反射镜的准直耦合镜20具有准直效率高、无色差的优点。可以理解的是，所述准直耦合镜20可以根据不同的需求选择不同反射角度的抛物面反射镜。

所述光栅30可以将不同波长的光信号以不同角度衍射至所述反射镜模组40中，以实现分光的目的。在本实施例中，由于臭氧的探测波长属于紫外波段(通常在260～320nm)，且所需差分的波长比较接近，因此所述光栅30优先选择紫外波段效率高、刻线数较多的(反射式)全息光栅，这样不同波长的光线经全息光栅后的衍射角差距较大，便于分离。而且全息衍射光栅具有低杂散光的特点，可以消除刻划光栅所无法避免的鬼影，因此非常适合需要高信噪比的应用。具体地，不同波长的光信号经所述光栅30衍射角由以下公式决定：d(sinβ+sinθ)＝mλ。其中，d为光栅常数，β为入射角，θ为衍射角，λ为入射光波长，m为衍射级次。

所述反射镜模组40用于将光路转折，以减小整体光路体积，不同波长的光信号对应不同的反射角度，根据分离角度的不同可调整反射镜的位置和反射面大小。在本实施例中，所述反射镜模组40包括第一反射镜41、第二反射镜42及第三反射镜43。其中，所述第一反射镜41用于控制经所述光栅30衍射后整体光信号的走向，并将不同波长的光信号分别反射至所述第二反射镜42及所述第三反射镜43。所述聚焦镜模组50包括第一聚焦镜51及第二聚焦镜52，所述第二反射镜42用以将对应波长的光信号反射至所述第一聚焦镜51上，所述第三反射镜43用以将对应波长的光信号反射合至所述第二聚焦镜52上。例如，所述第二反射镜42将波长为280nm的光信号反射至所述第一聚焦镜51上，所述第三反射镜43将波长为295nm的光信号反射至所述第二聚焦镜52上。

在本实施例中，为了更好地反射光信号，所述反射镜模组40的反射面上均涂覆有高反射介质膜。

所述光源输出装置60包括微孔光阑70及光电探测器80，所述微孔光阑70包括与所述第一聚焦镜51对应的第一微孔光阑71及与所述第二聚焦镜52对应的第二微孔光阑72。所述第一微孔光阑71及所述第二微孔光阑72分别设置于所述第一聚焦镜51及所述第二聚焦镜52的焦点上，用于滤去多余的杂散光。所述第一微孔光阑71及所述第二微孔光阑72可以选择固定孔径的小孔或狭缝光阑，也可以选择可调孔径的小孔或狭缝光阑以便控制输出光的带宽并尽可能减少杂散光。

所述光电探测器80包括与所述第一微孔光阑71对应的第一光电探测器81及与所述第二微孔光阑72对应的第二光电探测器82。所述第一光电探测器81及所述第二光电探测器82用于接收经分光和滤光后的对应的光信号，并将其转换为电信号发送至所述信号采集***以进行后续的处理和分析。

在本实施例中，所述光源输出装置60可以按照实际需求进行改装，例如，在调试阶段需要调节波长时，可以将所述第一光电探测器81及所述第二光电探测器82改为光纤耦合装置，并分别连接至光谱仪，以实时监测经所述第一微孔光阑71及所述第二微孔光阑72滤光后的光信号的波长范围及带宽大小。

当所述激光雷达分光装置100工作时，所述接收望远镜将接收到的光信号通过所述光源输入装置10输入到所述激光雷达分光装置100中，所述光源输入装置10将光信号传导至所述准直耦合镜20中，所述准直耦合镜20将光信号进行准直后反射至所述光栅30中，所述光栅30将不同波长的光信号以不同角衍射至所述第一反射镜41上，不同波长的光信号到达所述第一反射镜41后由于入射角度不同而分别反射到所述第二反射镜42及所述第三反射镜43上，所述第二反射镜42用以将对应波长的光信号耦合至所述第一聚焦镜51上，所述第三反射镜43用以对应波长的光信号耦合至所述第二聚焦镜52上。不同波长的光信号被所述第一聚焦镜51及所述第二聚焦镜52分别汇聚到对应的第一微孔光阑71及所述第二微孔光阑72上，经过所述第一微孔光阑71及所述第二微孔光阑72滤光后被所述第一光电探测器81及所述第二探测器82接收。所述第一光电探测器81及所述第二光电探测器82用于将经分光和滤光后的对应的光信号，并将其转换为电信号后发送至所述信号采集***以进行后续的处理和分析。

在实际使用中，本实用新型所述激光雷达分光装置100可以根据所述激光雷达光源的波长选择对应的接收光信号波长。具体来说，可以根据波长选择对应的结构安装位置安装所述第二反射镜42及所述第三反射镜43，并在安装好后对所述第二反射镜42及所述第三反射镜43的角度进行微调，使对应波长的光信号能够通过所述第一聚焦镜51及所述第二聚焦镜52并聚焦至所述第一微孔光阑71及所述第二微孔光阑72中。此时，即可完成调整接收光信号的波长。

本实用新型所述激光雷达分光装置100利用所述光栅30对光信号进行分光，同时利用所述反射镜模组40及所述聚焦镜模组50将不同波长的光信号聚焦至所述光源输出装置60，所述光源输出装置60将接收到的光信号转换为电信号并发送至所述信号采集***，从而完成处理光信号的工作。本实用新型所述激光雷达分光装置100采用光栅分光形式，对光学元件选型性能要求不高、总体成本低廉；并且，光栅分光装置稳定性较好，对角度敏感度不大，便于运输；可根据需求选择不同的波长，对应不同的设计方案；另外，所述微孔光阑70可以通过设置可调孔径的小孔或狭缝光阑以便控制输出光的带宽并尽可能减少杂散光。

本实用新型第二方面实施例提供一种激光雷达分光装置的应用方法，如图2所示，本实用新型实施例的方法包括如下步骤：

步骤S1、所述光信号输入装置10将接收到的光信号发送至所述准直耦合镜20；

其中，所述光信号输入装置10与所述接收望远镜的光路进行耦合，所述光信号来自所述接收望远镜，所述光源输入装置10可以为光纤。进一步地，所述光纤优先选用对紫外波段透过率高的，优选的，所述光纤可以为石英光纤。

步骤S2、所述准直耦合镜20将光信号进行准直并发送至所述光栅30；

在本实施例中，为了提高准直效率及降低色差，所述准直耦合镜20采用抛物面反射镜。

步骤S3、所述光栅30将光信号按照波长分成不同的光信号并以不同角度衍射至所述反射镜模组40中；

在本实施例中，不同波长光信号经所述光栅30衍射角由以下公式决定：d(sinβ+sinθ)＝mλ。其中，d为光栅常数，β为入射角，θ为衍射角，λ为入射光波长，m为衍射级次。

所述反射镜模组40可以包括第一反射镜41、第二反射镜42及第三反射镜43，其中所述第一反射镜41用于控制经所述光栅30衍射后整体光信号的走向，并将不同波长的光信号分别反射至所述第二反射镜42及所述第三反射镜43。

步骤S4、所述反射镜模组40将不同波长的光信号反射至所述聚焦镜模组50中；

其中，所述聚焦镜模组50包括第一聚焦镜51及第二聚焦镜52，所述第二反射镜42用以将对应波长的光信号反射至所述第一聚焦镜51上，所述第三反射镜43用以对应波长的光信号反射至所述第二聚焦镜52上。

步骤S5、不同波长的光信号被所述聚焦镜模组50聚焦并被所述光源输出装置60接收，所述光源输出装置60将接收到的光信号转换为电信号发送至所述信号采集***中。

其中，所述光源输出装置60包括微孔光阑70及所述光电探测器80，所述微孔光阑70位于所述聚焦镜模组50的焦点上，并用以过滤多余的杂散光，所述光电探测器80用以将经分光、滤光后的光信号转化为电信号。

本实用新型实施例提供的激光雷达分光装置的应用方法利用所述光栅30对光信号进行分光，同时利用所述反射镜模组40及所述聚焦镜模组50将不同波长的光信号聚焦至所述光源输出装置60，所述光源输出装置60将接收到的光信号转换为电信号并发送至所述信号采集***，从而完成处理光信号的工作。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种激光雷达分光装置，应用于激光雷达中，其特征在于，包括依次设置的光源输入装置、准直耦合镜、光栅、反射镜模组、聚焦镜模组及光源输出装置，所述光源输入装置将接收到的光信号发送给所述准直耦合镜，所述准直耦合镜对所述光信号进行准直并发送至所述光栅，所述光栅将不同波长的光信号以不同角度衍射至所述反射镜模组中，所述反射镜模组将不同波长的光信号反射至所述聚焦镜模组中，所述聚焦镜模组将不同波长的光信号聚焦发送至所述光源输出装置，所述光源输出装置将接收到的光信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的激光雷达分光装置，其特征在于，所述光源输入装置为光纤，所述光纤为石英光纤。

3.根据权利要求1所述的激光雷达分光装置，其特征在于，所述准直耦合镜为抛物面反射镜。

4.根据权利要求1所述的激光雷达分光装置，其特征在于，所述光栅为全息光栅，不同波长的光信号经所述光栅的衍射角由以下公式决定：d(sinβ+sinθ)＝mλ，d为光栅常数，β为入射角，θ为衍射角，λ为入射光波长，m为衍射级次。

5.根据权利要求4所述的激光雷达分光装置，其特征在于，所述反射镜模组包括第一反射镜、第二反射镜及第三反射镜，所述第一反射镜用以将不同波长的光信号反射至所述第二反射镜及所述第三反射镜。

6.根据权利要求5所述的激光雷达分光装置，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜及所述第三反射镜的反射面上均涂覆有高反射介质膜。

7.根据权利要求5所述的激光雷达分光装置，其特征在于，所述聚焦镜模组包括第一聚焦镜及第二聚焦镜，所述第二反射镜将对应波长的光信号反射至所述第一聚焦镜上，所述第三反射镜将对应波长的光信号反射合至所述第二聚焦镜上。

8.根据权利要求7所述的激光雷达分光装置，其特征在于，所述光源输出装置包括与所述第一聚焦镜对应的第一微孔光阑及与所述第二聚焦镜对应的第二微孔光阑，所述第一微孔光阑及所述第二微孔光阑分别设置于所述第一聚焦镜及所述第二聚焦镜的焦点上。

9.根据权利要求8所述的激光雷达分光装置，其特征在于，所述第一微孔光阑及所述第二微孔光阑选择可调孔径的小孔或狭缝光阑以便控制输出光的带宽并减少杂散光。

10.根据权利要求8所述的激光雷达分光装置，其特征在于，所述光源输出装置还包括与所述第一微孔光阑对应的第一光电探测器及与所述第二微孔光阑对应的第二光电探测器，所述第一光电探测器及所述第二光电探测器用于将接收对应的光信号，并将其转换为电信号。