專利名稱：多波長激光雷達(dá)單元分立的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大氣污染探測技術(shù)領(lǐng)域。尤其是涉及一種用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達(dá)單元分立的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。


圖1是激光雷達(dá)的一般原理方框圖，圖中的激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，信號檢測與處理系統(tǒng)以及接收系統(tǒng)組成。其中，激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡等。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡是用來改善激光發(fā)射信號的。激光經(jīng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡射向大氣，在大氣中傳輸時，受到大氣介質(zhì)的衰減和散射。其中的后向散射信號返回到激光雷達(dá)。激光雷達(dá)接收系統(tǒng)包括接收望遠(yuǎn)鏡、光電轉(zhuǎn)換和放大等部分。返回到激光雷達(dá)的激光散射信號被接收望遠(yuǎn)鏡收集，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換放大等環(huán)節(jié)，再由信號檢測與處理系統(tǒng)分析和處理，得到我們所需要的大氣參數(shù)和過程信息?？刂葡到y(tǒng)是用于控制激光的發(fā)射與接收的同步和水平、俯仰轉(zhuǎn)動等。
探測臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達(dá)是一種具有大功率激光發(fā)射能力的和大口徑(D＝1m)接收望遠(yuǎn)鏡的、多波長(從紫外到紅外)的激光雷達(dá)，它的探測能力是很強(qiáng)的，是目前我國口徑最大的激光雷達(dá)。
圖2是本發(fā)明用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達(dá)的原理方框圖。其中，所述的多波長激光雷達(dá)由接收望遠(yuǎn)鏡(1)，光欄電機(jī)(2)，小孔光欄(3)，光閘葉片(4)，光閘電機(jī)(5)，準(zhǔn)光鏡(6)，308nm光路(7)，355nm光路(8)，1060nm光路(9)，532nm光路(10)，偏振棱鏡(11)，532nm水平偏振(12)，532nm垂直偏振(13)，355nm發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(14)，532nm發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(15)，308nm發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(16)，1060nm發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(17)組成。
圖中所述的多波長激光雷達(dá)有兩臺大功率激光器，其中Nd-YAG激光器輸出三個波長的激光，分別是1060nm、532nm和355nm；XeCl激光器輸出波長為308nm。這些激光經(jīng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束并壓縮發(fā)散角射向大氣，接收望遠(yuǎn)鏡是一個口徑為1米的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡，焦點被側(cè)轉(zhuǎn)拉出，在焦點處有一個可調(diào)節(jié)的視場光闌。在近焦點處設(shè)置光閘，減少光閘的開關(guān)過渡時間。分光系統(tǒng)將激光雷達(dá)收集的不同波長的激光回波信息分離，并等向光電轉(zhuǎn)換器的光敏面上。其中308nm、355nm為紫外波段，采用微弱信號檢測技術(shù)(光子計數(shù)技術(shù))進(jìn)行檢測，光信號532nm、1060nm采用模擬信號接收技術(shù)，并通過高速A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行信號處理。532nm的信號有三個通道接收，其中有兩個通道是用來檢測激光大氣偏振信息的。
控制部分包括光閘控制、激光觸發(fā)控制、接收信號同步控制、望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦控制、接收視場角控制(改變視場光闌)、濾光片選擇控制以及光軸平行調(diào)整。
激光雷達(dá)的總體結(jié)構(gòu)直接影響到整機(jī)的技術(shù)性能，制約著各單元的技術(shù)指標(biāo)，也決定著整機(jī)總裝的可行性，整機(jī)調(diào)試的準(zhǔn)確性和整機(jī)造價的經(jīng)濟(jì)性。如圖3所示，目前國內(nèi)外已有的激光雷達(dá)其總體結(jié)構(gòu)都采用經(jīng)緯儀式的結(jié)構(gòu)。這種經(jīng)緯儀式的激光雷達(dá)包括，接收望遠(yuǎn)鏡(1)，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(2)，觀測圓頂房(3)，分光與接收系統(tǒng)及激光器(4)和機(jī)座。
這種經(jīng)緯儀式激光雷達(dá)的主要特點是，激光發(fā)射部分與激光接收部分全部采用剛性聯(lián)結(jié)(包括共軸系統(tǒng)和非共軸系統(tǒng))。有的激光雷達(dá)的激光器雖然沒有安裝在激光雷達(dá)主機(jī)上，但其發(fā)射望遠(yuǎn)鏡與接收望遠(yuǎn)鏡仍是剛性聯(lián)接的。它們的主要優(yōu)點是整體性強(qiáng)，但是也存在著以下幾個問題1.整機(jī)裝調(diào)復(fù)雜，特別是大型激光雷達(dá)，一般要在工廠組裝調(diào)試，然后拆卸，再在現(xiàn)場重新組裝調(diào)試，部件加工成形后，調(diào)節(jié)范圍非常有限。
2.成本高，由于要保證裝配精度，因此要提高各部件的加工精度，并增加調(diào)節(jié)環(huán)境。
3.各部件的安裝空間有限，可擴(kuò)展性差，總體結(jié)構(gòu)一旦完成，各部件很難改動，如增加接收通道將是非常困難的。
針對以上問題，本發(fā)明設(shè)計了一種新型的多波長激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要特點是
1.發(fā)射望遠(yuǎn)鏡與接收望遠(yuǎn)鏡分離，將光軸平行調(diào)整裝置設(shè)置于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡前，并將激光器與發(fā)射望遠(yuǎn)鏡放置在光學(xué)平臺上，見圖5所示；2.在激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)中，接收望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格林2式系統(tǒng)，使接收光軸側(cè)轉(zhuǎn)90°，并使接收系統(tǒng)的分光部分與光電轉(zhuǎn)換部分也與接收望遠(yuǎn)鏡分離，同時將分光元件和光電轉(zhuǎn)換元件安裝在另一個光學(xué)平臺上，見圖4所示，組成平臺分布式分光結(jié)構(gòu)。
3.在激光雷達(dá)中設(shè)置了光軸平行調(diào)整裝置，通過該裝置保證激光發(fā)射系統(tǒng)與激光接收系統(tǒng)光軸的平行，使各個獨(dú)立的部件有機(jī)的聯(lián)系起來。
圖1表示一般激光雷達(dá)的原理框圖；圖2表示本發(fā)明多波長激光雷達(dá)的總體方案的示意圖；圖3表示目前國內(nèi)外已有的激光雷達(dá)其總體結(jié)構(gòu)所采用經(jīng)緯儀式結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4表示本發(fā)明安裝分光元件和光電轉(zhuǎn)換元件(如光電倍增管)的光學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)布置示意圖；圖5表示本發(fā)明的多波長激光雷達(dá)中所采用的光軸平行調(diào)整裝置的示意圖；圖6表示傳統(tǒng)的經(jīng)緯式激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)(左圖)與本發(fā)明多波長激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)相比較的結(jié)構(gòu)示意圖(右圖)；圖7表示采用本發(fā)明的各單元獨(dú)立的多波長激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的示意圖。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的多波長激光雷達(dá)單元分立的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的說明。
參見圖4，本發(fā)明的多波長激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括多個不同發(fā)射波長的激光器，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，接收望遠(yuǎn)鏡，光軸平行調(diào)整裝置，用于分光或折光的光學(xué)部分，光電轉(zhuǎn)換部分和接收系統(tǒng)，其中，所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡與所述的接收望遠(yuǎn)鏡分離，所述的光軸平行調(diào)整裝置設(shè)置于所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡之前，所述的激光器與發(fā)射望遠(yuǎn)鏡設(shè)置在一個光學(xué)平臺上，在所述的接收系統(tǒng)中接收望遠(yuǎn)鏡使接收光軸側(cè)轉(zhuǎn)90°，并使接收系統(tǒng)的分光部分與光電轉(zhuǎn)換部分(如光電倍增管)也與所述的接收望遠(yuǎn)鏡分離，同時將分光部分的分光元件和光電轉(zhuǎn)換部分的光電轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在另一個光學(xué)平臺上，組成平臺分布式的分光結(jié)構(gòu)。
所述的光學(xué)平臺上設(shè)置接收主光路(1)，視場光欄(2)光閘(3)，準(zhǔn)光鏡(4)，雙軸平行調(diào)整機(jī)構(gòu)(5)，分光片(6)，308nm光電倍增管(7)，分光片(8)，355nm光電倍增管(9)，分光片(10)，1060nm光電倍增管(11)，分光片(12)，532nm光子記數(shù)(13)，偏振棱鏡(14)，532nm模擬信號裝置(15、16)，如圖4所示。
圖7表示一個本發(fā)明的各單元相對獨(dú)立的多波長激光雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一個實例示意圖。圖中，所述的激光雷達(dá)由主計算機(jī)(7-1)，激光電源(7-2)，激光器(7-3)，光學(xué)平臺(7-4)，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(7-5)，調(diào)整鏡(7-6)，光學(xué)平臺(7-7)，監(jiān)視器(7-8)，頂層樓板(7-9)，觀測圓頂房(7-10)，接收望遠(yuǎn)鏡(7-11)，光學(xué)平臺(7-12)，分光與接收系統(tǒng)(7-13)，控制機(jī)柜(7-14)，光閘(7-15)組成。
圖5是本發(fā)明光軸平行調(diào)整裝置的示意圖，其中半導(dǎo)體激光器(1)，準(zhǔn)分子激光器(2)，308nm發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(3)，氦氖激光器(4)，YAG激光器(5)，1060nm，532nm，355nm發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(6)，折光鏡(7)，等腰棱鏡(8)，接收主鏡(9)，接收副鏡(10)，接收轉(zhuǎn)向折光鏡(11)，視場光欄(12)，準(zhǔn)光鏡(13)，可移動的光軸平行調(diào)整折光鏡(14)，聚光鏡(15)，CCD探頭(16)，監(jiān)視器(17)，分光系統(tǒng)(18)。該調(diào)整裝置已在另一份專利申請中提出，因此本文不作詳述。
圖6表示傳統(tǒng)的經(jīng)緯式激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)(左圖)與本發(fā)明多波長激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)相比較的結(jié)構(gòu)示意圖(右圖)。圖中，左圖內(nèi)為調(diào)雙軸平行的兩塊45度的調(diào)整鏡。右圖內(nèi)45度平面鏡既起轉(zhuǎn)向又用作條雙軸平行。
本發(fā)明所述的多波長激光雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是1.無須考慮各單元間的組裝和精度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，降低了激光雷達(dá)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、加工、組裝、調(diào)試的復(fù)雜程度。
2.除接收望遠(yuǎn)鏡外，所有部件、分光元件等都獨(dú)立的安放在光學(xué)平臺上，使光路調(diào)整大大簡化，降低了復(fù)雜光路光學(xué)調(diào)整的聯(lián)動性。
3.由于各單元相對獨(dú)立，有充分的安裝空間，分光光路可后延伸或向兩側(cè)擴(kuò)展，并且任何部件都可隨時更換或更新，使整個激光雷達(dá)具有很強(qiáng)的可調(diào)換性和可擴(kuò)展性，使激光雷達(dá)成為一種新型的激光探測實驗平臺。
4.由于簡化了總體機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和降低了配合精度等技術(shù)要求，使整機(jī)成本大大降低。
5.由于光軸平行調(diào)整裝置改在發(fā)射望遠(yuǎn)鏡前，使光軸平行調(diào)整所需的平面調(diào)整鏡由原來每個發(fā)射光路至少兩塊減少到每路一塊。(原來的方法既要調(diào)平行又要調(diào)同軸，現(xiàn)在的方法只需調(diào)平行)如圖6所示。使光軸平行調(diào)整簡單、快捷。
6.由于激光經(jīng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束后，單位面積的功率密度降低，提高了光軸平行調(diào)整鏡的安全性(大功率激光雷達(dá)經(jīng)常燒蝕光軸平行調(diào)整鏡，是常見故障)，見圖6。
從圖7中可以看出，探測臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)在樓下而接收系統(tǒng)在樓上圓頂房內(nèi)。由于發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)在空間拉得比較遠(yuǎn)，使得激光發(fā)射系統(tǒng)在發(fā)射激光時產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾對接收系統(tǒng)的弱信號檢測產(chǎn)生的影響減少許多。由于系統(tǒng)的自動化程度較高，圓頂房無須進(jìn)人，更無須開燈，大大減少了激光雷達(dá)的背景噪聲。觀測人員只在主計算機(jī)房內(nèi)便可進(jìn)行觀測操作。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不偏離上述本發(fā)明所述的多波長激光雷達(dá)的單元分立的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的精神和范圍內(nèi)所作出的任何修改或變動均屬于本發(fā)明的權(quán)利要求所保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達(dá)單元分立的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述的激光雷達(dá)由主計算機(jī)(7-1)，激光電源(7-2)，激光器(7-3)，光學(xué)平臺(7-4)，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(7-5)，調(diào)整鏡(7-6)，光學(xué)平臺(7-7)，監(jiān)視器(7-8)，頂層樓板(7-9)，觀測圓頂房(7-10)，接收望遠(yuǎn)鏡(7-11)，光學(xué)平臺(7-12)，分光與接收系統(tǒng)(7-13)，控制機(jī)柜(7-14)，光閘(7-15)組成。
2.如權(quán)利要求1所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達(dá)單元分立的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于多個不同發(fā)射波長的激光器，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，接收望遠(yuǎn)鏡，光軸平行調(diào)整裝置，用于分光或折光的光學(xué)部分，光電轉(zhuǎn)換部分和接收系統(tǒng)，其中，所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡與所述的接收望遠(yuǎn)鏡分離，所述的光軸平行調(diào)整裝置設(shè)置于所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡之前，所述的激光器與發(fā)射望遠(yuǎn)鏡設(shè)置在一個光學(xué)平臺上，在所述的接收系統(tǒng)中接收望遠(yuǎn)鏡使接收光軸側(cè)轉(zhuǎn)90°，并使接收系統(tǒng)的分光部分與光電轉(zhuǎn)換部分(如光電倍增管)也與所述的接收望遠(yuǎn)鏡分離，同時將分光部分的分光元件和光電轉(zhuǎn)換部分的光電轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在另一個光學(xué)平臺上，組成平臺分布式的分光結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達(dá)單元分立的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其特征在于所述的光學(xué)平臺上設(shè)置接收主光路(1)，視場光欄(2)光閘(3)，準(zhǔn)光鏡(4)，雙軸平行調(diào)整機(jī)構(gòu)(5)，分光片(6)，308nm光電倍增管(7)，分光片(8)，355nm光電倍增管(9)，分光片(10)，1060nm光電倍增管(11)，分光片(12)，532nm光子記數(shù)(13)，偏振棱鏡(14)，532nm模擬信號裝置(15、16)。
全文摘要
一種用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達(dá)單元分立的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng),主計算機(jī)(7－1),激光電源(7－2),激光器(7－3),光學(xué)平臺(7－4),發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(7－5),調(diào)整鏡(7－6),光學(xué)平臺(7－7),監(jiān)視器(7－8),頂層樓板(7－9),觀測圓頂房(7－10),接收望遠(yuǎn)鏡(7－11),光學(xué)平臺(7－12),分光與接收系統(tǒng)(7－13),控制機(jī)柜(7－14),光閘(7－15)組成。它可以抗強(qiáng)的電磁干擾,減少背景噪聲,可以遠(yuǎn)距離的進(jìn)行觀測和操作。
文檔編號G01S17/95GK1340698SQ0012364
公開日2002年3月20日 申請日期2000年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月24日
發(fā)明者鄭斯平, 王淑芳, 王文明, 邱金桓 申請人:中國科學(xué)院大氣物理研究所