專利名稱：基于雙邊緣檢測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的分光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙邊緣檢測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的分光裝置，屬于大氣 探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中主要使用條紋成像技術(shù)與邊緣技 術(shù)。條紋技術(shù)主要是通過(guò)探測(cè)干涉條紋的移動(dòng)來(lái)獲得多普勒頻移，系統(tǒng)較為
復(fù)雜，成本昂貴；邊緣技術(shù)是利用已知透過(guò)率曲線的邊帶濾波器，將激光頻 率的變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的變化，通過(guò)探測(cè)激光光強(qiáng)的變化就可以得到頻率信息， 進(jìn)而利用多普勒頻移原理測(cè)得速度，邊緣技術(shù)主要分為單邊緣與雙邊緣，雙 邊緣技術(shù)相對(duì)于單邊緣技術(shù)具有探測(cè)精度高且能有效濾除噪聲的優(yōu)點(diǎn)。
直接探測(cè)多普勒激光雷達(dá)利用雙邊緣技術(shù)進(jìn)行測(cè)風(fēng)時(shí)，為了提高測(cè)量靈 敏度，初始激光頻率一般都固定在兩標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率譜線的交叉處，且兩標(biāo)準(zhǔn) 具透過(guò)譜線中心間距固定。如果通過(guò)使用兩塊單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)雙邊緣技術(shù)， 會(huì)由于外界振動(dòng)或溫度的變化使激光相對(duì)于兩標(biāo)準(zhǔn)具透射譜線的位置獨(dú)立發(fā) 生變化，這樣會(huì)給初始工作點(diǎn)的校準(zhǔn)帶來(lái)很大麻煩，造成測(cè)量速度慢，精度 低等后果。，
如果將兩標(biāo)準(zhǔn)具制作在同一底板上，通過(guò)鍍膜使得有一定的厚度差，也 可以實(shí)現(xiàn)雙邊緣技術(shù)，這樣溫度或振動(dòng)盡管可以造成兩標(biāo)準(zhǔn)具透射譜中心相 對(duì)于激光中心頻率位置發(fā)生變化，但由于它制作在同一底板上，所以兩標(biāo)準(zhǔn) 具透射譜中心會(huì)相對(duì)于激光中心頻率同時(shí)向 一個(gè)方向移動(dòng)，這樣校準(zhǔn)起來(lái)就 比較方便，能夠快速鎖定初始工作點(diǎn)，提高測(cè)量速度和精度，但是這么做有 以下缺點(diǎn)，首先厚度差大約是幾十個(gè)納米，加工非常困難，且成本較高，其 次膜層鍍好后，厚度差也就固定，也即兩標(biāo)準(zhǔn)具透射譜中心固定，不能再調(diào) 節(jié)。
為了解決這些問(wèn)題，我們提出利用角度調(diào)諧的方法，利用一塊標(biāo)準(zhǔn)具， 通過(guò)控制入射在標(biāo)準(zhǔn)具表面的角度，以及兩束光的夾角就可以來(lái)實(shí)現(xiàn)雙邊緣
技術(shù)。這種方法的好處就是只需要一塊標(biāo)準(zhǔn)具，且兩透射譜線中心間距可調(diào)，
但難點(diǎn)就是兩束光的夾角很小， 一般在l-2毫弧度，調(diào)諧其角度時(shí)， 一般要求 每次轉(zhuǎn)動(dòng)0.1毫弧度左右，難以調(diào)整，現(xiàn)有的角度調(diào)諧技術(shù)中沒(méi)能很好的解決 這個(gè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有角度調(diào)諧技術(shù)對(duì)于單標(biāo)準(zhǔn)具的兩束入射光的小 夾角難以調(diào)整的問(wèn)題，提供了一種基于雙邊緣檢測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的分光裝
本發(fā)明包括分光棱鏡，分光棱鏡包括鍍?cè)鐾改さ娜肷涿妗㈠儼胪赴敕茨?的第一出射面、鍍?cè)鐾改さ牡诙錾涿婧湾內(nèi)茨さ娜瓷涿?，入射光束?預(yù)設(shè)最小偏向角經(jīng)入射面入射至第一 出射面并分成兩束光線，所述兩束光線 為經(jīng)第一出射面折射出來(lái)的第一出射光束和經(jīng)第一出射面反射的半反射光 束，所述半反射光束入射至全反射面，并經(jīng)全反射面反射至第二出射面，然 后折射出第二出射光束，入射面與第二出射面平行設(shè)置，入射面與第一出射 面之間的夾角和第二出射面與全反射面之間的夾角滿足方程組
<formula>formula see original document page 4</formula>其中"為分光棱鏡的折射率，
AS為入射光束工作于最小偏向角時(shí)第一出射光束與第二出射光束的夾
角，由公式A0-arccos
<formula>formula see original document page 4</formula>
得出，式中、為入射光束的波長(zhǎng)，少adwg為
雙邊緣間距。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、 改進(jìn)了現(xiàn)有角度調(diào)諧技術(shù)，將角度調(diào)諧精度提高1一2個(gè)數(shù)量級(jí);
2、 使用一塊標(biāo)準(zhǔn)具，簡(jiǎn)化了裝置、降低了成本；
3、 操作簡(jiǎn)單、易于控制。


圖1是本發(fā)明裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是分光棱鏡與F-B標(biāo)準(zhǔn)具的 連接示意圖，圖3是角度調(diào)諧雙邊緣原理圖，圖4是出射光束夾角與入射角 的關(guān)系示意圖，圖5是出射光束夾角與入射角及分光棱鏡折射率之間的關(guān)系 示意圖，圖6為本發(fā)明切去頂角后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖2、圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括
分光棱鏡l，分光棱鏡l包括鍍?cè)鐾改さ娜肷涿鎙-l、鍍半透半反膜的第一出
射面1-2、鍍?cè)鐾改さ牡诙錾涿?-3和鍍?nèi)茨さ娜瓷涿?-4，入射光束 L,沿預(yù)設(shè)最小偏向角經(jīng)入射面1-1入射至第一出射面1-2并分成兩束光線，所 述兩束光線為經(jīng)第一出射面1-2折射出來(lái)的第一出射光束L2和經(jīng)第一出射面 l-2反射的半反射光束L4，所述半反射光束L4入射至全反射面l-4，并經(jīng)全反 射面l-4反射至第二出射面l-3，然后折射出第二出射光束L3，入射面l-l與 第二出射面1-3平行設(shè)置，入射面1-1與第一出射面l-2之間的夾角"和第二 出射面1-3與全反射面l-4之間的夾角/T滿足方程組
<formula>formula see original document page 5</formula>其中"為分光棱鏡l的折射率，
AP為入射光束L！工作于最小偏向角時(shí)第一出射光束L2與第二出射光束
L3的夾角，由公式= arccos
2、 一柳c/"g
得出，式中、為入射光束L,的波長(zhǎng)，
2、 + 5pac/"g ^ac/Mg為雙邊緣間距。
雙邊緣間距^"c^g和半高全寬/^7/M是由測(cè)量誤差a^要求決定的。參 考文獻(xiàn) Matthew J. McGill, James D. Spinhirne, Comparison of two direct-detection Doppler lidar techniques, Opt. Eng. 37 (10) 2675-2686 (October 1998).可得式(1)和式(2)。
<formula>formula see original document page 6</formula> (1)
式(l)中A^w為探測(cè)通道的接受光子數(shù)，^是儀器常數(shù)，^是分光器的 分光比，^探測(cè)器的量子效率，c是光速，A孔徑精細(xì)度，A^是激光脈寬， A義，是標(biāo)準(zhǔn)具自由光譜區(qū)，A^是分子展寬，A是激光的波長(zhǎng)，t^是水平風(fēng) 速，^是激光雷達(dá)的天頂角，《#是標(biāo)準(zhǔn)具的有效精細(xì)度，"和"分別是其溶膠 探測(cè)因子和分子探測(cè)因子。
其中標(biāo)準(zhǔn)具半高全寬的整數(shù)倍^^^^l-^f ，其中4為標(biāo)準(zhǔn)具中 心譜線的波長(zhǎng)。
<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
式(2)中c 是測(cè)風(fēng)誤差，c是光速，S7Vi^和SA^2分別是第一探測(cè)通道 和第二探測(cè)通道的信噪比，M和iV2分別是第一探測(cè)通道和第二探測(cè)通道的接 受光子數(shù)，4是激光波長(zhǎng)。
禾擁式(1)求出第一探測(cè)通道和第二探測(cè)通道的接受光子數(shù)并代入式(2)， 即可以得到測(cè)風(fēng)誤差cr 與標(biāo)準(zhǔn)具間距^ac/w和半高全寬F『i/M的關(guān)系式， 簡(jiǎn)化為如式(3)所示。<formula>formula see original document page 6</formula> (3)
由此可根據(jù)測(cè)風(fēng)誤差C7 要求，確定雙邊緣間距^a"V2g和半高全寬
F『7/M，根據(jù)求得的雙邊緣間距s/^/"g求出入射光束Lt工作于最小偏向角 時(shí)第一出射光束L2與第二出射光束L3的夾角，繼而根據(jù)所述方程組求出 入射面1-1與第一出射面1-2之間的夾角a和第二出射面1-3與全反射面1-4 之間的夾角P。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于分光棱鏡1
采用光學(xué)玻璃，如K9玻璃、石英光學(xué)玻璃等，其它組成及連接方式與實(shí)施 方式一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于預(yù)設(shè)最小偏
向角在最小偏向角土0.1md范圍內(nèi)，其它組成及連接方式與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖l-圖6說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與實(shí)
施方式一的不同之處在于入射面1-1、第一出射面1-2、第二出射面1-3和全 反射面1-4鍍的膜與入射光束L,的波長(zhǎng)、相匹配，其它組成及連接方式與實(shí) 施方式一相同。
參照?qǐng)D2給出一個(gè)具體的實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的工作原理。本發(fā)明的主要 目的是完成對(duì)第一出射光束L2與第二出射光束L3之間的夾角的調(diào)諧，因?yàn)榈?一出射光束L2與第二出射光束L3之間的夾角很小， 一般在l-2毫弧度，調(diào)諧 其夾角時(shí)， 一般要求每次轉(zhuǎn)動(dòng)0.1毫弧度左右，很不容易控制，因此，本發(fā)明 采用特殊設(shè)計(jì)的分光棱鏡1，通過(guò)調(diào)節(jié)其入射光束"沿最小偏向角附近入射 來(lái)控制兩條出射光束的夾角(即改變?nèi)肷浣莍，讓其在最小偏向角附近士0.1rad 范圍變化)，調(diào)節(jié)入射光束Li的入射角可能通過(guò)旋轉(zhuǎn)分光棱鏡1來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩條 出射光束通過(guò)一個(gè)F-B標(biāo)準(zhǔn)具2就能實(shí)現(xiàn)雙邊緣曲線控制。能使兩邊帶的雙 邊緣間距5)^"'"g以及與入射光束b的相對(duì)位置都起到調(diào)制作用，配合F-B 標(biāo)準(zhǔn)具2的旋轉(zhuǎn)可以在提高雙邊緣間距SpadMg的調(diào)節(jié)精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)F-B 標(biāo)準(zhǔn)具2透過(guò)率曲線中心與激光頻譜中心的任意相對(duì)位置的改變。
如圖1所示，分光棱鏡1的厚度d(也就是分光棱鏡1上下頂面之間距離) 要大于入射光束"的直徑。
設(shè)定入射光束的激光波長(zhǎng)、為1064nm,則在入射面1-1和第二出射面1-3 上鍍波長(zhǎng)為1064 nm激光的增透膜，在第一出射面1-2上鍍波長(zhǎng)為1064 nm激 光的半反半透膜，在全反射面1-4上鍍波長(zhǎng)為1064 nm激光的全反膜。
分光棱鏡1的材質(zhì)選用K9玻璃，其折射率"=1.50,則第一出射光束L2 與第二出射光束L3的夾角<Z3，A >與入射角之間的關(guān)系如圖4所示。分光棱鏡 1工作于最小偏向角附近，即圖4中的B點(diǎn)附近兩條出射光束的直徑與發(fā)散 角就不會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)分光棱鏡1工作于B點(diǎn)附近士0.1rad時(shí)，入射光束" 角度改變時(shí)，兩條出射光線的夾角〈Z3，A〉作微小變化，此實(shí)施例中c^0.31rad，
變化系數(shù)小于0.02，即角度調(diào)諧精度約為50倍。
兩條出射光束的夾角<13，丄2 >與分光棱鏡的折射率w及入射角i之間的關(guān) 系如圖5所示，并用式(4)表示
〈丄3,Z2 >=or —arcsiri"l wsin
a — arcsin
A sin/A
V 乂
'一 arcsm < w sm
2" — 2or + arcsin
V w 乂
在實(shí)際應(yīng)用中，分光棱鏡1的上下頂面不拋光，不用鍍膜，只要透光性 不強(qiáng)即可，這樣能減少光損失。因?yàn)榉止饫忡R1的兩個(gè)頂角"和"往往比較小， 造成分光棱鏡1的形狀狹長(zhǎng)，故加工時(shí)將這兩個(gè)頂角沿分光棱鏡1的厚度方 向切去，如圖6所示。
權(quán)利要求
1.基于雙邊緣檢測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的分光裝置，其特征在于它包括分光棱鏡(1)，分光棱鏡(1)包括鍍?cè)鐾改さ娜肷涿?1-1)、鍍半透半反膜的第一出射面(1-2)、鍍?cè)鐾改さ牡诙錾涿?1-3)和鍍?nèi)茨さ娜瓷涿?1-4)，入射光束(L1)沿預(yù)設(shè)最小偏向角經(jīng)入射面(1-1)入射至第一出射面(1-2)并分成兩束光線，所述兩束光線為經(jīng)第一出射面(1-2)折射出來(lái)的第一出射光束(L2)和經(jīng)第一出射面(1-2)反射的半反射光束(L4)，所述半反射光束(L4)入射至全反射面(1-4)，并經(jīng)全反射面(1-4)反射至第二出射面(1-3)，然后折射出第二出射光束(L3)，入射面(1-1)與第二出射面(1-3)平行設(shè)置，入射面(1-1)與第一出射面(1-2)之間的夾角(α)和第二出射面(1-3)與全反射面(1-4)之間的夾角(β)滿足方程組其中n為分光棱鏡(1)的折射率，Δθ為入射光束(L1)工作于最小偏向角時(shí)第一出射光束(L2)與第二出射光束(L3)的夾角，由公式得出，式中λL為入射光束(L1)的波長(zhǎng)，spacing為雙邊緣間距。
2、 +的波長(zhǎng)，2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙邊緣檢測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的分光裝置， 其特征在于分光棱鏡(l)采用光學(xué)玻璃。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙邊緣檢測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的分光裝置， 其特征在于預(yù)設(shè)最小偏向角在最小偏向角±0.lmd范圍內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙邊緣檢測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的分光裝置， 其特征在于入射面(l-l)、第一出射面(l-2)、第二出射面(l-3)和全反射面(l-4) 鍍的膜與入射光束(LD的波長(zhǎng)、相匹配。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙邊緣檢測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的分光裝置， 其特征在于分光棱鏡(l)上下頂面之間的距離d大于入射光束(Li)的直徑。
全文摘要
基于雙邊緣檢測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的分光裝置，屬于大氣探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有角度調(diào)諧技術(shù)對(duì)于單標(biāo)準(zhǔn)具的兩束入射光的小夾角控制不好的問(wèn)題。本發(fā)明分光棱鏡包括鍍?cè)鐾改さ娜肷涿?、鍍半透半反膜的第一出射面、鍍?cè)鐾改さ牡诙錾涿婧湾內(nèi)茨さ娜瓷涿?，入射光束沿預(yù)設(shè)最小偏向角經(jīng)入射分光棱鏡并分成兩束光線，一光束經(jīng)第一出射面折射出來(lái)的第一出射光束，另一光束經(jīng)全反射面、第二出射面折射出第二出射光束，入射面與第二出射面平行設(shè)置，分光棱鏡的兩個(gè)頂角α和β滿足設(shè)定的方程組。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，易于控制，成本低，改進(jìn)了現(xiàn)有角度調(diào)諧技術(shù)，將角度調(diào)諧精度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
文檔編號(hào)G01S7/481GK101369015SQ20081013733
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者任德明, 宋寶安, 張合勇, 曲彥臣, 胡孝勇, 趙衛(wèi)疆, 錢黎明, 陳振雷 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)