專利名稱：一種雷達探測系統(tǒng)的光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達探測系統(tǒng)，具體涉及一種雷達探測系統(tǒng)的光源裝置。
背景技術(shù)：
借助雷達技術(shù)遙感探測大氣氣溶膠是環(huán)境研究的重要方法之一，它能提供寬泛的光譜信息，幫助我們更好地解釋發(fā)生在大氣中的各種現(xiàn)象，例如污染排放及其遷移傳輸、逆溫層的形成、云的物理和化學(xué)特性等，這些信息對許多科學(xué)分支的研究工作都起到重要的作用?，F(xiàn)有的雷達探測系統(tǒng)采用脈沖激光器作光源，無論是大功率脈沖激光器還是微焦級的微功率脈沖激光器，由于脈沖激光器體積較大，驅(qū)動電路復(fù)雜，環(huán)境條件要求高，導(dǎo)致系統(tǒng)成本高，維護困難；同時脈沖激光器的輸出波長很少，不利于開展氣溶膠特性研究以及大氣痕量氣體探測，尤其是研究大氣在特定波長上的輻射效應(yīng)是很困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小且波長豐富的雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，以解決現(xiàn)有雷達探測系統(tǒng)采用脈沖激光器作為光源存在的弊端。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，包括W級大功率發(fā)光二極管組、透鏡組和光纖，所述發(fā)光二極管發(fā)出的光束經(jīng)所述透鏡組聚焦，進入所述光纖。所述發(fā)光二極管不少于九個且組成陣列，所述透鏡組前每個發(fā)光二極管都設(shè)有一個反光杯。所述光纖的出射光經(jīng)單透鏡IV準直擴束。所述反光杯為拋物曲面反光杯，其母線為拋物線。所述透鏡組包括三個單透鏡和一個雙膠合透鏡，其中兩個單透鏡設(shè)置在所述雙膠合透鏡前，其余一個單透鏡設(shè)置在所述雙膠合透鏡后。本發(fā)明具有如下有益效果，本發(fā)明采用W級大功率發(fā)光二極管LED作為發(fā)光源，且組合成陣列，先通過反光杯聚焦，壓縮發(fā)光二極管出射光的發(fā)散角，再經(jīng)透鏡組聚焦，耦合進入光纖，光纖的出射光再經(jīng)透鏡準直擴束，得到均勻的高準直出射光，并且發(fā)散角可達到mrad量級，滿足光學(xué)雷達對光源的要求。本發(fā)明利用了 LED光源具有豐富波長的特點，發(fā)光效率高，能量消耗低，發(fā)散角能達到mrad量級，滿足光學(xué)雷達對光源的要求。同時結(jié)構(gòu)簡單，體積小，并具有綠色環(huán)保的功效，是小型氣溶膠探測雷達理想的探測光源。


圖I為本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例發(fā)光二極管組合陣列示意圖；圖3為本發(fā)明實施例反光杯設(shè)計圖4為本發(fā)明實施例光源光路示意圖；圖5為本發(fā)明實施例透鏡組結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明光纖勻光原理圖；圖7為本發(fā)明實施例單透鏡III 4的像平面接收到的光能量分布圖；圖8為本發(fā)明理想光線追跡下光纖耦合效率圖；圖9為本發(fā)明光的偏振和散射現(xiàn)象下光纖耦合效率圖；圖10為本發(fā)明單透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；圖11為檢驗本發(fā)明發(fā)散角壓縮效果的測量原理； 圖12為本發(fā)明系統(tǒng)測試像平面位置與該位置上的光斑直徑關(guān)系的曲線；圖中，I.單透鏡I，2.單透鏡II，3.雙膠合透鏡，4.單透鏡III，5.光纖，6.單透鏡IV，7.發(fā)光二極管及其反光杯。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明作詳細說明。實施例，一種雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，包括W級大功率的發(fā)光二極管、透鏡組和光纖5。透鏡組由單透鏡I I、單透鏡II 2、雙膠合透鏡3和單透鏡III 4組成，透鏡組前設(shè)有發(fā)光二極管LED及其反光杯7，發(fā)光二極管為9個且組成陣列，每個LED發(fā)出的光束需要先經(jīng)獨立的反光杯聚焦，再經(jīng)透鏡組聚焦，耦合進入光纖5，光纖5的出射光經(jīng)透鏡6準直擴束。參見圖1，多個發(fā)光二極管LED組成的光源頭發(fā)出的光束，經(jīng)耦合透鏡組耦合進入光纖5，光纖5的出射光再經(jīng)透鏡6準直擴束后，得到均勻的mrad級高準直出射光。注意在準直擴束前需經(jīng)過光纖。參見圖2，為了提高光源的能量，解決單個LED能量不足問題，光源頭設(shè)計成多個LED組合陣列的形式，以9個LED組合為例。由于陣列的排列方式會影響出射光的均勻性，設(shè)計時用Lighttools光學(xué)軟件對光源頭的陣列形式進行仿真，光源頭的反光方式為單個反光，需要設(shè)置9個反光杯對光源頭反光。參見圖3，由于LED發(fā)散角太大，能量分布也很分散，每個LED需要用反光杯進行前期聚焦，使每個LED發(fā)出的光經(jīng)反光杯聚焦后以接近平行光出射。反光杯需采用拋物曲面(即母線為拋物線，將拋物線繞其光軸旋轉(zhuǎn)180°就構(gòu)成了旋轉(zhuǎn)拋物曲面)反射鏡制作，依據(jù)拋物曲面的性質(zhì)，在拋物曲面焦點上發(fā)出的光經(jīng)拋物曲面反射后是平行出射的。采用拋物曲面反光杯來減小LED的發(fā)散角。該旋轉(zhuǎn)拋物面的母線方程為y2 = 4f · X (I)式中f為拋物面的焦距。由于所用LED光源直徑為6mm，因此需要反光杯的小端口徑為6mm，光源要放在焦點f上，點(f，3)應(yīng)是焦面上的一點，帶入到上述拋物線方程(I)中，可求得拋物線焦距f=l. 5_，則拋物線方程為j2 = 6x (2)拋物線繞中心軸線旋轉(zhuǎn)就可以得到反光杯拋物曲面的方程。參見圖4，為了獲得高準直光源，本發(fā)明采用耦合透鏡組與光纖5及透鏡6相結(jié)合的方法對光源進行準直，光纖為多模光纖。耦合透鏡組主要用來聚焦，使光束能夠高效率的耦合到光纖5中，多模光纖5用來限制發(fā)散角，同時還起到使出射光能量均勻的作用，透鏡6用于準直擴束。LED光源與光纖的耦合采用透鏡組耦合的方法，透鏡耦合是將光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡組聚焦，使其聚焦到光纖的纖芯上，讓大部分光都進入光纖中。用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件對耦合透鏡組進行優(yōu)化設(shè)計與仿真，聚焦透鏡組結(jié)構(gòu)如圖5所示，由三個單透鏡和一個雙膠合透鏡組成單透鏡I I、單透鏡II 2將大面積的近平行光匯聚并縮短光路結(jié)構(gòu)；雙膠合透鏡3為消色差負透鏡，可將匯聚光束轉(zhuǎn)變?yōu)樾∶娣e的平行光，單透鏡III4將該平行光聚焦進入光纖5前端面。本發(fā)明采用光纖來實現(xiàn)光均勻性。光纖勻光分為兩個部分，一是波前分割，即將光波分成多個波前；二是波前重組，即將分割的波前進行重組，產(chǎn)生均勻光波。光纖勻光原理如圖6所示，從入射面上點B發(fā)出的光線，經(jīng)光纖反射后，反射光線CD相當(dāng)于從虛光點BI發(fā)出的光線。這樣入射面上每個光點(如B)經(jīng)過一次反射就對應(yīng)一個虛光點(如BI)，隨著光線反射次數(shù)的增多，虛光源的個數(shù)也不斷增加，光束相當(dāng)于由多個虛光源發(fā)出的光線，將 光波分成多列波，即實現(xiàn)光波波前分割。這些光波經(jīng)過光纖內(nèi)通過不同的反射路徑，在光纖的輸出端面相遇，光波發(fā)生疊加，光纖輸出面上的每個點都是光源不同角度光的疊加，得到較均勻的光波，即完成波前重組。最終達到均勻光斑的目的。根據(jù)以上所述原理和方法，用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件對系統(tǒng)光路進行模擬仿真，選擇LED波長為530nm，將光源設(shè)置為朗伯光源，并給每個LED加入反光杯，確定好光源頭后，光源出射光的大部分為平行光。再選用由三個單透鏡和一個雙耦合透鏡組成的耦合透鏡組將平行光聚焦為一個小光斑。設(shè)計耦合透鏡組系統(tǒng)參數(shù)為波長530nm，入瞳直徑80mm，視場O. 10°。單透鏡I I :焦距500mm,厚度6. I謹,通光口徑8Ctam ;單透鏡II 2 :焦距500mm,厚度6. I謹,通光口徑8Ctam ;雙膠合透鏡3 :焦距-100mm,厚度4. 6mm,通光口徑25. 4mm ；單透鏡III 4 :焦距120mm,厚度5謹,通光口徑3Ctam ;單透鏡III 4的像平面(即光纖前端面)接收到的光能量分布如圖7所示，由所述光路耦合聚焦的光斑面積小且能量高，利于光纖傳播。在用Zemax軟件進行設(shè)計仿真過程中，將光纖耦合效率、光纖前端面接收到的光斑半徑(即像高)作為主要的評價函數(shù)，經(jīng)過多次優(yōu)化之后得到的耦合系統(tǒng)參數(shù)如下耦合系統(tǒng)參數(shù)入瞳直徑80有效的焦點長度518· 3396 (在像空間)后焦長度138·6236圖像空間F = 6. 479245離軸工作面F = 6. 479245工作面F = 6. 583697像空間NA :0· 076940了2物空間NA 4e-009光闌半徑40
離軸像高0.9046742近軸放大率0入瞳直徑80入瞳區(qū)域0最大視場0· I主光波長0· 53鏡頭單位毫米角度放大率0·4204857為了與上述透鏡組輸出端的像方數(shù)值孔徑相匹配，取光纖數(shù)值孔徑NA為O. 65，纖芯直徑2_，計算得到理想光線追跡下光纖像方耦合效率如圖8所示?？梢?，經(jīng)設(shè)計的聚焦透鏡組進行耦合后，理論上光纖的耦合效率能達到100%。但在實際光路追跡中，由于有多種因素影響光的傳播和光纖耦合，考慮光的偏振和散射現(xiàn)象，耦合效率會有所下降，如圖9所示，光纖耦合效率為69. 747%。為了說明該準直方法的有益效果，按照圖I搭建準直光路實驗系統(tǒng)。單透鏡I 1，型號為GCL-010124，材料為K9玻璃；單透鏡II 2，型號為GCL-010124，材料為K9玻璃；雙膠合透鏡3是由雙膠合消色差負透鏡構(gòu)成的耦合透鏡，型號為GCL-010715，正透鏡材料為冕牌玻璃，負透鏡材料為火石玻璃；單透鏡III 4，型號為GCL-010222，材料為K9玻璃；光纖5是多模光纖，NA為O. 65,纖芯直徑2mm ；單透鏡IV 6是準直透鏡，型號為GCL-010122，材料為K9玻璃；上述透鏡相關(guān)參數(shù)見表I。表I中單透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖10所示，與表I中各數(shù)據(jù)對應(yīng)。檢驗發(fā)散角壓縮效果的測量原理如圖11所示，測光束兩個截面的距離和半徑差求出發(fā)散角。實驗測得的像平面位置和該位置上的光斑直徑數(shù)據(jù)擬合曲線如圖12所示
Al)/2 0.0073 ,、 、tan θ =---=-= 0.00365
Al 2從中可以解出系統(tǒng)出光發(fā)散角為2 Θ =7. 3mrad。由此，經(jīng)所述結(jié)構(gòu)后，LED光可將1200的大發(fā)散角轉(zhuǎn)化為mrad量級，實現(xiàn)了高準直性。近幾年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，綠色環(huán)保光源Light_emittingdiode:LED技術(shù)得到飛速發(fā)展，目前已能生產(chǎn)出數(shù)W級的大功率LED。LED作為電致發(fā)光半導(dǎo)體器件，具有豐富的波長，發(fā)光效率高，能量消耗低，是氣溶膠理想的探測光源。但是，LED作為雷達探測光源的突出缺點是單個能量不足，LED的另一個問題是出光發(fā)散角很大，一般在90° -120°之間。所以，在技術(shù)上，只要能提高LED光源的輸出光功率，壓縮發(fā)散角，就能夠作為雷達光源用于低層大氣氣溶膠探測。本發(fā)明利用透鏡組合與光纖對大發(fā)散角的LED光進行高度準直，并且以高效的組合方式解決了單個LED發(fā)光能效低的問題。結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，解決了 LED應(yīng)用在大氣探測領(lǐng)域的諸多問題，使其在該領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。
表I系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種小型雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，其特征在于包括W級大功率發(fā)光二極管組、透鏡組和光纖(5 )，所述發(fā)光二極管發(fā)出的光束經(jīng)所述透鏡組聚焦，進入所述光纖(5 )。
2.如權(quán)利要求I所述的雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，其特征在于所述發(fā)光二極管不少于九個且組成陣列，所述透鏡組前每個發(fā)光二極管都設(shè)有一個反光杯。
3.如權(quán)利要求2所述雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，其特征在于所述光纖(5)的出射光經(jīng)單透鏡IV (6)準直擴束。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，其特征在于所述反光杯為拋物曲面反光杯，其母線為拋物線。
5.如權(quán)利要求1-3任一項所述雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，其特征在于所述透鏡組包括三個單透鏡(1，2，4)和一個雙膠合透鏡(3)，其中兩個單透鏡(I, 2)設(shè)置在所述雙膠合透鏡(3 )前，其余一個單透鏡(4 )設(shè)置在所述雙膠合透鏡(4 )后。
6.如權(quán)利要求4所述雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，其特征在于所述透鏡組包括三個單透鏡(1，2，4)和一個雙膠合透鏡(3)，其中兩個單透鏡(1，2)設(shè)置在所述雙膠合透鏡(3)前，其余一個單透鏡(4 )設(shè)置在所述雙膠合透鏡(4 )后。
全文摘要
一種雷達探測系統(tǒng)的光源裝置，包括W級大功率發(fā)光二極管組、透鏡組和光纖，所述發(fā)光二極管發(fā)出的光束經(jīng)所述透鏡組聚焦，進入所述光纖。本發(fā)明采用W級大功率發(fā)光二極管作為發(fā)光源，且組合成陣列，先通過反光杯聚焦，壓縮發(fā)光二極管出射光的發(fā)散角，再經(jīng)透鏡組聚焦，耦合進入光纖，光纖的出射光再經(jīng)透鏡準直擴束，得到均勻的高準直出射光，并且發(fā)散角可達到mrad量級，滿足光學(xué)雷達對光源的要求。本發(fā)明利用了LED光源具有豐富波長的特點，發(fā)光效率高，能量消耗低，發(fā)散角能達到mrad量級，滿足光學(xué)雷達對光源的要求。同時結(jié)構(gòu)簡單，體積小，并具有綠色環(huán)保的功效，是小型氣溶膠探測雷達理想的探測光源。
文檔編號F21S8/00GK102913817SQ201210372019
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者劉君, 晏克俊, 華燈鑫, 王國海, 王方 申請人:西安理工大學(xué)