專利名稱：激光雷達(dá)透射式雙焦距收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光雷達(dá)的收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)是迅速發(fā)展的高新技術(shù)之一，是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。激光雷達(dá)向空中發(fā)射激光脈沖，通過接收大氣中氣溶膠顆粒物對(duì)激光脈沖的后向散射進(jìn)行大氣光學(xué)特性研究，依此分析大氣能見度、氣溶膠顆粒物時(shí)空分布和時(shí)空變化、云底云高、邊界層高度、氣溶膠顆粒物特性等。由于返回的激光后向散射信號(hào)非常微弱，除了使用高靈敏的探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)探測(cè)外，接收激光后向散射信號(hào)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是影響激光雷達(dá)性能的關(guān)鍵組件。
無論是發(fā)射光束與接收光束同軸的激光雷達(dá)還是發(fā)射光束與接收光束的離軸的激光雷達(dá)，均采用反射式卡塞格林望遠(yuǎn)鏡作為光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡或牛頓望遠(yuǎn)鏡作為光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡。
對(duì)于反射式激光雷達(dá)，采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡或牛頓望遠(yuǎn)鏡對(duì)特定要求的雷達(dá)系統(tǒng)有其特殊的優(yōu)點(diǎn)，如成像掃描激光雷達(dá)，采用反射式望遠(yuǎn)鏡可以消除色差，當(dāng)物鏡采用拋物面時(shí)可消去球差。對(duì)于以接收回波信號(hào)能量為目的的激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用反射式望遠(yuǎn)鏡對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)的調(diào)整、加工、維護(hù)及性能優(yōu)化有諸多不便。簡(jiǎn)述如下1、反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)均由主鏡和副鏡組成，每個(gè)工作鏡面上均鍍有一定反射率的金屬膜(如鋁膜、金膜)或其它介質(zhì)膜，如果每個(gè)鏡面的反射率為85％，則經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后接收到的能量也僅有總能量的72.3％，大大損耗了所接收微弱光信號(hào)的強(qiáng)度。
2、在反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，主鏡與副鏡表面所鍍鋁膜或其它介質(zhì)膜的反射率在長(zhǎng)期的工作中(特別是野外工作)會(huì)大大降低。如長(zhǎng)期工作在戶外的激光雷達(dá)系統(tǒng)，鏡面所鍍鋁膜因其耐腐蝕性較差，在惡劣的大氣環(huán)境中易于發(fā)生氧化。
3、在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，采用反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)于主鏡與副鏡的裝調(diào)相當(dāng)困難，特別是對(duì)于激光雷達(dá)的維護(hù)，如果主、副鏡位置發(fā)生變化，必須重新對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的光路進(jìn)行調(diào)整。
4、對(duì)于同軸收發(fā)式激光雷達(dá)系統(tǒng)，激光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后經(jīng)一反射鏡發(fā)出，對(duì)于發(fā)射光束與接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的同軸調(diào)整相當(dāng)困難，如果在野外試驗(yàn)運(yùn)輸中有一個(gè)部件位置發(fā)生變化，將會(huì)使發(fā)射光束與接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光軸發(fā)生偏離，嚴(yán)重影響整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的性能，甚至無法正常工作。
5、對(duì)于離軸收發(fā)式激光雷達(dá)系統(tǒng)，在整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)中必須保證發(fā)射光束與接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光軸平行，此種工作方式不僅在調(diào)整上比較麻煩，而且在探測(cè)空間距離上存在較大的盲區(qū)(至少大于400m)，因此在工作中必須對(duì)整個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行重疊修正。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高激光雷達(dá)回波信號(hào)接收強(qiáng)度，發(fā)展易于調(diào)整、加工、維護(hù)及高性價(jià)比的激光雷達(dá)，克服已有的以接收回波信號(hào)強(qiáng)度為目的的反射式激光雷達(dá)系統(tǒng)(離軸或同軸)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、調(diào)整加工維護(hù)不便，對(duì)于所接收到的回波信號(hào)強(qiáng)度損耗較大的缺點(diǎn)，發(fā)明了一種激光雷達(dá)透射式雙焦距收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，克服了激光雷達(dá)反射式收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的不足。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下激光雷達(dá)透射式雙焦距收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于透射望遠(yuǎn)鏡的鏡筒內(nèi)安裝有由反射鏡、擴(kuò)束鏡和焦距為f1的發(fā)射透鏡組成發(fā)射光學(xué)單元，和由焦距為f2的接收透鏡組成接收光學(xué)單元；鏡筒中央安裝有反射鏡，透射望遠(yuǎn)鏡的鏡筒側(cè)壁上安裝有激光器，通過導(dǎo)光系統(tǒng)把激光束導(dǎo)入反射鏡，擴(kuò)束鏡安裝在反射鏡前方，接收透鏡安裝在鏡筒端口，發(fā)射透鏡安裝在接收透鏡中央的孔中，反射鏡位于發(fā)射透鏡的焦點(diǎn)處。
所述的導(dǎo)光系統(tǒng)是指反射鏡組或者光纖。
所述的發(fā)射透鏡鑲嵌在接收透鏡中央的孔中。
激光器發(fā)射的激光束經(jīng)反射鏡、擴(kuò)束鏡及發(fā)射透鏡以平行光束發(fā)出，后向散射的回波信號(hào)則經(jīng)接收透鏡、光闌、準(zhǔn)直透鏡及濾光片后直接進(jìn)行探測(cè)。
利用透射式激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行回波信號(hào)的探測(cè)，由于發(fā)射透鏡與接收透鏡為一體且具有不同的焦距，經(jīng)發(fā)射透鏡發(fā)出的激光束雖有部分反射也不能進(jìn)入到探測(cè)器，因此大大降低了初始發(fā)射激光束對(duì)探測(cè)器的影響，提高了探測(cè)的靈敏度。
本發(fā)明適用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)(大氣能見度、氣溶膠顆粒物時(shí)空分布和時(shí)空變化、云底云高、邊界層高度、氣溶膠顆粒物特性等)、水體污染激光誘導(dǎo)熒光遙感監(jiān)測(cè)，適于以探測(cè)回波信號(hào)強(qiáng)度為謎底的各種激光雷達(dá)系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、激光雷達(dá)系統(tǒng)中采用了透射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易，易于密封，適合于野外工作；2、激光束發(fā)射接收同軸，大大縮小了探測(cè)盲區(qū)。與反射式激光雷達(dá)相比(盲區(qū)至少大于400米)，此種結(jié)構(gòu)的探測(cè)盲區(qū)僅有50米，因而特別適合于底層大氣環(huán)境探測(cè)；3、采用不同焦距的發(fā)射透鏡和接收透鏡，使得激光束和探測(cè)器處于同一軸線，裝調(diào)方便，且光信號(hào)損失小，大大提高可探測(cè)的信噪比，同時(shí)無需對(duì)激光束進(jìn)行整形，使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠；4、無需在鏡子表明鍍鋁反射膜，避免了長(zhǎng)期使用鍍鋁反射膜的發(fā)射率下降。


圖1為激光雷達(dá)透射式雙焦距收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是采用透射式雙焦距收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量的北京地區(qū)氣溶膠顆粒物時(shí)空分布和了氣邊界層內(nèi)氣溶膠顆粒物的時(shí)空結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
激光雷達(dá)透射式雙焦距收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，在透射望遠(yuǎn)鏡鏡筒內(nèi)安裝有由反射鏡、擴(kuò)束鏡和焦距為f1的發(fā)射透鏡組成的發(fā)射光學(xué)單元；由焦距為f2的接收透鏡組成的接收光學(xué)單元。望遠(yuǎn)鏡的鏡筒側(cè)壁上安裝有激光器，通過導(dǎo)光系統(tǒng)(反射鏡或者光纖)把激光束導(dǎo)入反射鏡，反射鏡安裝在鏡筒中央，反射鏡前方安裝有焦距為f1的發(fā)射光學(xué)單元，鏡筒端口安裝有接收透鏡，接收透鏡中央有一塊小的發(fā)射透鏡，反射鏡位于發(fā)射透鏡的焦點(diǎn)處。
激光器發(fā)射的激光束經(jīng)反射鏡、擴(kuò)束鏡及發(fā)射透鏡以平行光束發(fā)出，后向散射的回波信號(hào)則經(jīng)接收透鏡會(huì)聚在鏡筒尾部。然后由光闌、準(zhǔn)直透鏡、濾光片和探測(cè)器組成的探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，最后送入計(jì)算機(jī)分析處理。
由透射式雙焦距收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)組成的激光雷達(dá)性能指標(biāo)見下表


圖2給出利用透射式激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量北京地區(qū)氣溶膠顆粒物時(shí)空分布和了大氣邊界層內(nèi)氣溶膠顆粒物的時(shí)空結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果，北京城區(qū)大氣邊界層內(nèi)的氣溶膠顆粒物分布具有明顯的多層結(jié)構(gòu)，且富有變化。邊界層內(nèi)氣溶膠顆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較厚的氣溶膠顆粒物污染層外，在測(cè)站上空約1.0km～1.2km高度處還存在著濃度較高的氣溶膠顆粒物污染團(tuán)。
權(quán)利要求
1.激光雷達(dá)透射式雙焦距收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于透射望遠(yuǎn)鏡的鏡筒內(nèi)安裝有由反射鏡、擴(kuò)束鏡和焦距為f1的發(fā)射透鏡組成發(fā)射光學(xué)單元，和由焦距為f2的接收透鏡組成接收光學(xué)單元；鏡筒中央安裝有反射鏡，透射望遠(yuǎn)鏡的鏡筒側(cè)壁上安裝有激光器，通過導(dǎo)光系統(tǒng)把激光束導(dǎo)入反射鏡，擴(kuò)束鏡安裝在反射鏡前方，接收透鏡安裝在鏡筒端口，發(fā)射透鏡安裝在接收透鏡中央的孔中，反射鏡位于發(fā)射透鏡的焦點(diǎn)處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的導(dǎo)光系統(tǒng)是指反射鏡組或者光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的發(fā)射透鏡鑲嵌在接收透鏡中央的孔中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光雷達(dá)透射式雙焦距收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，克服了已有技術(shù)反射式激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回波信號(hào)接收損耗大缺點(diǎn)。其特征在于包括由反射鏡、擴(kuò)束鏡和焦距為f1的發(fā)射透鏡組成的發(fā)射光學(xué)單元；由焦距為f2的接收透鏡組成的接收光學(xué)單元。發(fā)射透鏡安裝在接收透鏡中央的孔中。激光器發(fā)射的激光束經(jīng)反射鏡、擴(kuò)束鏡及發(fā)射透鏡以平行光束發(fā)出，后向散射的回波信號(hào)則經(jīng)接收透鏡會(huì)聚在鏡筒尾部。然后由光闌、準(zhǔn)直透鏡、濾光片和探測(cè)器組成的探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，最后送入計(jì)算機(jī)分析處理。用于氣溶膠顆粒物的定性及定量探測(cè)，大氣邊界層高度的確定、氣溶膠顆粒物垂直分布、氣溶膠顆粒物時(shí)間變化以及對(duì)流層氣溶膠顆粒物分層特征。
文檔編號(hào)G02B27/00GK1967284SQ20061009606
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者劉文清, 趙南京, 張玉鈞, 劉建國, 劉誠, 張?zhí)焓? 司福祺, 陸亦懷, 謝品華, 魏慶農(nóng) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所