多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)及探測方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計了一種多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)及探測方法，該系統(tǒng)使用偏振分束鏡和電光晶體相結(jié)合的方式控制發(fā)射激光的方向，依次向不同的方向發(fā)射激光。在接收望遠(yuǎn)鏡的焦點處和以焦點為圓心的圓上均布四個光纖，接收來自相對應(yīng)的五個不同方向的大氣后向散射信號。該方法實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)式多方位掃描的效果。多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射單元和激光接收單元，所述激光發(fā)射單元包括激光器、激光電源、擴束鏡、四組電光晶體管、四組偏振分束鏡和六組全反鏡，所述激光接收單元包括望遠(yuǎn)鏡、光纖、探測單元和計算機單元。
【專利說明】多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)及探測方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明涉及一種非機械性旋轉(zhuǎn)的掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，屬激光雷達(dá)、激光探測【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]【背景技術(shù)】:
激光雷達(dá)在大氣探測方面的應(yīng)用已越來越重要了，目前，我國一些單位、科研院所以及高校研制出了用于觀測云高、云量、大氣氣溶膠的激光雷達(dá)，比如激光云高儀，對于取代地面臺站的人工觀測業(yè)務(wù)具有良好的應(yīng)用前景，也符合氣象觀測自動化的發(fā)展步伐，但這些儀器都局限于觀測其中的一個或兩個要素，而旋轉(zhuǎn)式激光云自動觀測儀，解決了常規(guī)的云高的單點連續(xù)觀測，增加了對天空云的取樣，且能在原有云高測量的基礎(chǔ)上增加對云量的測量。在測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中，需要向不同方向發(fā)射激光，測量不同方向上的視線風(fēng)速進而得到三維風(fēng)場。
[0003]目前激光掃描的方式主要是基于機械式的掃描,如望遠(yuǎn)鏡前面安裝掃描板、光楔掃描、多望遠(yuǎn)鏡接收等。但是機械傳動存在著工作不太穩(wěn)定，儀器旋轉(zhuǎn)時要不斷的進行旋轉(zhuǎn)角度和仰角的校正，制造精度不高時振動和噪聲大、長期工作易磨損造成旋轉(zhuǎn)精度不準(zhǔn)確等缺點，不能很好的滿足對長期連續(xù)觀測的要求。而非機械掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)具有掃描探測能力，又避免了機械掃描過程中其存在的問題，易于實現(xiàn)長期連續(xù)探測。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
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本發(fā)明設(shè)計了一種多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用偏振分束鏡和電光晶體相結(jié)合的方式控制發(fā)射激光的方向，依次向不同的方向發(fā)射激光。在接收望遠(yuǎn)鏡的焦點處和以焦點為圓心的圓上均布四個光纖，接收來自相對應(yīng)的五個不同方向的大氣后向散射信號。
[0005]本發(fā)明另一目的是提供一種多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)探測方法，該方法實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)式多方位掃描的效果。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
一種多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射單元和激光接收單元，所述激光發(fā)射單元包括激光器、激光電源、擴束鏡、四組電光晶體管、四組偏振分束鏡和六組全反鏡，所述激光接收單元包括望遠(yuǎn)鏡、光纖、探測單元和計算機單元；
其中，擴束鏡、電光晶體Al、偏振分束鏡BI和全反鏡Cl依次設(shè)于同一水平面光路上；偏振分束鏡B2與全反鏡C2，偏振分束鏡B3與全反鏡C3、C4，偏振分束鏡B4與全反鏡C5，全反鏡C6均位于同一水平面上；B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4、C5依次由上至下垂直設(shè)置；C1、C2、C3、C4、C6依次由上至下垂直設(shè)置；B1、B2、B3、C3、B4均垂直于平板放置且與激光光軸夾角為45° ;C1與平板夾角為45°向北傾斜放置且與光軸夾角為45° ;C2與平板夾角為42.5°向北傾斜放置且與光軸夾角為42.5° ;C4與平板夾角為42.5°向西傾斜放置且與光軸夾角為42.5° ;C5與平板夾角為42.5°向南傾斜放置且與光軸夾角為42.5° ;C6與平板夾角為42.5°向東傾斜放置且與光軸夾角為42.5° ;
所述光纖設(shè)有五根，一根連接在望遠(yuǎn)鏡焦點處，另四根均布安裝在以焦點為圓心的圓周上，五根光纖的另一端分別連接各自的探測單元，各探測單元分別與計算機單元連接。
[0007]所述探測單元包括凸透鏡、窄帶濾光片、光電倍增管和光電探測器。
[0008]一種多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)探測方法，該方法包括以下步驟:
1)激光器2發(fā)射一束波長為532nm的光束，光束經(jīng)擴束鏡3擴大準(zhǔn)直，送入Al；
2)電光晶體A1、A2、A3、A4不施加電壓,擴束后的激光經(jīng)Al輸出，輸出的激光經(jīng)偏振分束鏡BI透射后，再經(jīng)45度傾斜的第一全反鏡Cl反射，通過第一輸出窗口垂直向上出射；
3)接著，給第一電光晶體Al施加脈沖電壓，同時第二、三、四電光晶體A2、A3、A4不施加電壓，激光經(jīng)第一電光晶體Al輸出，輸出的激光經(jīng)第一偏振分束鏡BI反射，激光再由第二電光晶體A2輸出，輸出的激光經(jīng)第二偏振分束鏡B2反射后,進入42.5度傾斜的第二全反鏡反射C2反射后，通過第二輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏北向出射；
4)接著，同時給第一、二、三電光晶體Al、A2、A3施加脈沖電壓,第四電光晶體A4不施加電壓，激光經(jīng)第二電光晶體A2輸出，輸出的激光經(jīng)第二偏振分束鏡B2透射,激光再經(jīng)過第三電光晶體A3輸出，輸出的激光經(jīng)第三偏振分束鏡B3反射后，經(jīng)45度傾斜的第三全反鏡C3反射后，再經(jīng)42.5度傾斜的第四全反鏡C4反射后通過第三輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏西向出射；
5)接著，同時給第一、二、四電光晶體Al、A2、A4施加脈沖電壓,第三電光晶體A3不施加電壓，，激光經(jīng)過第三電光晶體A3輸出，輸出的激光經(jīng)第三偏振分束鏡B3透射后,激光經(jīng)過第四電光晶體A4輸出，輸出的激光經(jīng)第四偏振分束鏡B4反射后，再經(jīng)42.5度傾斜的第五全反鏡C5反射后通過第四輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏南向出射；
6)接著，同時給第一、二電光晶體Al、A2施加電壓，第三、四電光晶體A3、A4不施加電壓，激光經(jīng)過第四電光晶體A4輸出，輸出的激光經(jīng)第四偏振分束鏡B4透射后，經(jīng)42.5度傾斜的第六全反鏡C6反射后通過第五輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏東向出射；
7)五個輸出窗口輸出的激光進入大氣中，與大氣分子、氣溶膠粒子相互作用，產(chǎn)生散射，激光接收單元的望遠(yuǎn)鏡4接收來自不同方向的后向散射光，接收的散射光被匯聚在焦平面上的五個點，并分別由五根光纖6接收(其中,光纖6-1接收西向返回的后向散射光(第三輸出窗口)；光纖6-2接收北向返回的后向散射光(第二輸出窗口)；光纖6-3接收垂直方向返回的后向散射光(第一輸出窗口)；光纖6-4接收南向返回的后向散射光(第四輸出窗口)；光纖6-5接收東向返回的后向散射光(第五輸出窗口))；
8)光纖傳輸?shù)墓庑盘栐偻ㄟ^凸透鏡7準(zhǔn)直、窄帶濾光片8濾波降噪后，被光電倍增管9放大并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，再由光子計數(shù)卡10進行采集計數(shù)，得到的數(shù)據(jù)傳給計算機11單
J Li ο
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點如下:
本發(fā)明基于無機械部件轉(zhuǎn)動的情況下實現(xiàn)激光雷達(dá)掃描，簡化激光雷達(dá)系統(tǒng)，使激光雷達(dá)穩(wěn)定可靠。具體優(yōu)點如下:
1、系統(tǒng)使用偏振分束鏡和電光晶體相結(jié)合的方式控制發(fā)射激光的方向，依次向不同的方向發(fā)射激光，達(dá)到旋轉(zhuǎn)掃描的效果，避免了機械掃描的弊端；
2、系統(tǒng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),保證出射光方向的準(zhǔn)確性；
3、系統(tǒng)依次向不同方向發(fā)射激光，實現(xiàn)激光束的小天頂角掃描；
4、本發(fā)明易于實現(xiàn)長期連續(xù)探測。[0010]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明中第一輸出窗口出射激光時對電光晶體施加電壓的信號圖；
圖2為本發(fā)明中第二輸出窗口出射激光時對電光晶體施加電壓的信號圖；
圖3為本發(fā)明中第三輸出窗口出射激光時對電光晶體施加電壓的信號圖；
圖4為本發(fā)明中第四輸出窗口出射激光時對電光晶體施加電壓的信號圖；
圖5為本發(fā)明中第五輸出窗口出射激光時對電光晶體施加電壓的信號圖；
圖6為本發(fā)明的激光發(fā)射系統(tǒng)光路示意圖；
圖中:設(shè)定的三維坐標(biāo)系，垂直向上表示天空方向，水平的四個方向分別為東、西、南、北。
[0011]圖7為本發(fā)明的原理示意圖。
[0012]圖中:1、激光電源；2、激光器；3、擴束鏡；4、激光發(fā)射系統(tǒng)光路；5、望遠(yuǎn)鏡；6、光纖；7、凸透鏡；8、窄帶濾光片；9、光電倍增管；10、光子計數(shù)卡；11、計算機單元;A1-A4為電光晶體有為偏振分束鏡；C1-C6為全反鏡。
[0013]【具體實施方式】:
I).本發(fā)明設(shè)計的多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，通過增加不同方向的出射激光，在不改變固定天頂角的接收系統(tǒng)的前提下，在接收望遠(yuǎn)鏡焦平面不同位置設(shè)置多個探測器，接收來自不同方向的大氣后向散射信號。
[0014]2).以下做具體的說明:圖1-圖5為施加電壓的信號圖。圖6為本發(fā)明的激光發(fā)射系統(tǒng)光路不意圖；
3).圖7為本發(fā)明的原理示意圖，如圖7所示，非機械性旋轉(zhuǎn)的掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)和信號接收系統(tǒng)。
[0015]4).激光發(fā)射系統(tǒng)中激光器2發(fā)射一束波長為532nm的光束，光束經(jīng)擴束鏡3擴大準(zhǔn)直；
5).第一、二、三、四電光晶體Al、A2、A3、A4不施加電壓,擴束后的激光經(jīng)第一電光晶體Al輸出，輸出的激光經(jīng)第一偏振分束鏡BI透射后，再經(jīng)42.5度傾斜的第一全反鏡Cl反射后通過第一輸出窗口垂直向上出射；
6).激光從第一輸出窗口出射時，給第一電光晶體Al施加電壓,激光經(jīng)第一電光晶體Al輸出，輸出的激光經(jīng)第一偏振分束鏡BI反射,第二、三、四電光晶體A2、A3、A4不施加電壓，激光經(jīng)第二電光晶體A2輸出，輸出的激光經(jīng)第二偏振分束鏡B2反射后,再經(jīng)42.5度傾斜的第二全反鏡反射C2后通過第二輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏北向出射；
7).激光從第二輸出窗口出射時，給第二電光晶體A2施加電壓,激光經(jīng)第二電光晶體A2輸出，輸出的激光經(jīng)第二偏振分束鏡B2透射,給第三電光晶體A3施加電壓,第四電光晶體A4不施加電壓,激光經(jīng)過第三電光晶體A3輸出，輸出的激光經(jīng)第三偏振分束鏡B3反射，再經(jīng)45度傾斜的第三全反鏡C3反射后，經(jīng)42.5度傾斜的第四全反鏡C4通過第三輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏西向出射；
8).激光從第三輸出窗口出射時，第三電光晶體A3不施加電壓,激光經(jīng)過第三電光晶體A3輸出，輸出的激光經(jīng)第三偏振分束鏡B3透射，給第四電光晶體A4施加電壓，激光經(jīng)過第四電光晶體A4輸出，輸出的激光經(jīng)第四偏振分束鏡B4反射后，再經(jīng)42.5度傾斜的第五全反鏡C5反射后通過第四輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏南向出射； 9).激光從第四輸出窗口出射時，第四電光晶體A4不施加電壓，激光經(jīng)過第四電光晶體A4輸出，輸出的激光經(jīng)第四偏振分束鏡B4透射后，再經(jīng)42.5度傾斜的第六全反鏡C6反射后通過第五輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏東向出射。
[0016]10).當(dāng)激光光束進入大氣中，與大氣分子、氣溶膠粒子等相互作用，產(chǎn)生各種散射；
11).信號接收系統(tǒng)中的望遠(yuǎn)鏡4，接收來自不同方向的后向散射光，這些散射光被匯聚在焦平面上，經(jīng)光纖6傳輸，再通過凸透鏡7準(zhǔn)直后由窄帶濾光片8濾波降噪后，進入到光電探測系統(tǒng)中；
12).光信號被光電倍增管9放大并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，再由光子計數(shù)卡10進行采集計數(shù)，得到的數(shù)據(jù)通過計算機11單元進行處理分析，最終反演云高、云量和風(fēng)場等的信息，并保存原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射單元和激光接收單元，其特征是:所述激光發(fā)射單元包括激光器、激光電源、擴束鏡、四組電光晶體管、四組偏振分束鏡和六組全反鏡，所述激光接收單元包括望遠(yuǎn)鏡、光纖、探測單元和計算機單元； 其中，擴束鏡、電光晶體Al、偏振分束鏡BI和全反鏡Cl依次設(shè)于同一水平面光路上；偏振分束鏡B2與全反鏡C2，偏振分束鏡B3與全反鏡C3、C4，偏振分束鏡B4與全反鏡C5，全反鏡C6均位于同一水平面上；B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4、C5依次由上至下垂直設(shè)置；C1、C2、C3、C4、C6依次由上至下垂直設(shè)置；B1、B2、B3、C3、B4均垂直于平板放置且與激光光軸夾角為45° ;C1與平板夾角為45°向北傾斜放置且與光軸夾角為45° ;C2與平板夾角為42.5°向北傾斜放置且與光軸夾角為42.5° ;C4與平板夾角為42.5°向西傾斜放置且與光軸夾角為42.5° ;C5與平板夾角為42.5°向南傾斜放置且與光軸夾角為42.5° ;C6與平板夾角為42.5°向東傾斜放置且與光軸夾角為42.5° ; 所述光纖設(shè)有五根，一根連接在望遠(yuǎn)鏡焦點處，另四根均布安裝在以焦點為圓心的圓周上，五根光纖的另一端分別連接各自的探測單元，各探測單元分別與計算機單元連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特征是:所述探測單元包括凸透鏡、窄帶濾光片、光電倍增管和光電探測器。
3.權(quán)利要求1所述多方位掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)探測方法，該方法包括以下步驟: 1)激光器2發(fā)射一束波長為532nm的光束，光束經(jīng)擴束鏡3擴大準(zhǔn)直，送入Al； 2)電光晶體A1、A2、A3、A4不施加電壓,擴束后的激光經(jīng)Al輸出，輸出的激光經(jīng)偏振分束鏡BI透射后，再經(jīng)45度傾 斜的第一全反鏡Cl反射，通過第一輸出窗口垂直向上出射； 3)接著，給第一電光晶體Al施加脈沖電壓，同時第二、三、四電光晶體A2、A3、A4不施加電壓，激光經(jīng)第一電光晶體Al輸出，輸出的激光經(jīng)第一偏振分束鏡BI反射，激光再由第二電光晶體A2輸出，輸出的激光經(jīng)第二偏振分束鏡B2反射后,進入42.5度傾斜的第二全反鏡反射C2反射后，通過第二輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏北向出射； 4)接著，同時給第一、二、三電光晶體Al、A2、A3施加脈沖電壓,第四電光晶體A4不施加電壓，激光經(jīng)第二電光晶體A2輸出，輸出的激光經(jīng)第二偏振分束鏡B2透射,激光再經(jīng)過第三電光晶體A3輸出，輸出的激光經(jīng)第三偏振分束鏡B3反射后，經(jīng)45度傾斜的第三全反鏡C3反射后，再經(jīng)42.5度傾斜的第四全反鏡C4反射后通過第三輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏西向出射； 5)接著，同時給第一、二、四電光晶體Al、A2、A4施加脈沖電壓,第三電光晶體A3不施加電壓，，激光經(jīng)過第三電光晶體A3輸出，輸出的激光經(jīng)第三偏振分束鏡B3透射后,激光經(jīng)過第四電光晶體A4輸出，輸出的激光經(jīng)第四偏振分束鏡B4反射后，再經(jīng)42.5度傾斜的第五全反鏡C5反射后通過第四輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏南向出射； 6)接著，同時給第一、二電光晶體Al、A2施加電壓，第三、四電光晶體A3、A4不施加電壓，激光經(jīng)過第四電光晶體A4輸出，輸出的激光經(jīng)第四偏振分束鏡B4透射后，經(jīng)42.5度傾斜的第六全反鏡C6反射后通過第五輸出窗口與垂直方向夾角為5度偏東向出射； 7)五個輸出窗口輸出的激光進入大氣中，與大氣分子、氣溶膠粒子相互作用，產(chǎn)生散射，激光接收單元的望遠(yuǎn)鏡4接收來自不同方向的后向散射光，接收的散射光被匯聚在焦平面上的五個點，并分別由五根光纖(6)接收 8)光纖傳輸?shù)墓庑盘栐偻ㄟ^凸透鏡(7)準(zhǔn)直、窄帶濾光片(8)濾波降噪后，被光電倍增管(9)放大并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，再由光子計數(shù)卡(10)進行采集計數(shù)，得到的數(shù)據(jù)傳給計算機(11) 單元。
【文檔編號】G01S17/95GK103941249SQ201410199560
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】單坤玲, 卜令兵, 丘祖京, 黃興友, 高愛臻, 袁靜 申請人:南京信息工程大學(xué)