一種焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)及自標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)及自標(biāo)定方法，包括激光器，成像CCD，控制計(jì)算機(jī)，擴(kuò)束鏡(8)，第一直角反射棱鏡(9)，角反射器(10)，平面反射鏡(11)，準(zhǔn)直鏡(12)和第二直角反射棱鏡(13)；激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡(8)、第一直角反射棱鏡(9)、平面反射鏡(11)、角反射器(10)、接收光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直鏡(12)、第二直角反射棱鏡(13)后到達(dá)成像CCD，成像CCD連接控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)控制激光器。本發(fā)明主鏡位置的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)焦平面和焦點(diǎn)位置可調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)一整套從粗調(diào)到精調(diào)的細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程。此方法取代人為標(biāo)定及無(wú)目標(biāo)圖像作為參考點(diǎn)，精度提高的同時(shí)更消除人為操作所帶來(lái)的人為誤差。
【專利說(shuō)明】一種焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)及自標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)中的焦點(diǎn)位置可調(diào)及高精度標(biāo)定方法，屬于激光雷達(dá)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]細(xì)粒子激光雷達(dá)可以實(shí)時(shí)對(duì)大氣氣溶膠后向散射系數(shù)、大氣消光系數(shù)、大氣顆粒物質(zhì)量濃度、大氣邊界層高度等參數(shù)在線立體監(jiān)測(cè)，隨著大氣污染檢測(cè)任務(wù)的加重，激光雷達(dá)在開(kāi)展大氣科學(xué)、大氣氣候?qū)W以及大氣環(huán)境科學(xué)研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
[0003]為了減少盲區(qū)對(duì)雷達(dá)測(cè)量距離的影響，現(xiàn)在大多出都采用同軸式發(fā)射和接收裝置及同心的發(fā)射和接收裝置。而接收裝置中望遠(yuǎn)系統(tǒng)是其重要的組成部分，接收光學(xué)系統(tǒng)的指標(biāo)也主要是以望遠(yuǎn)系統(tǒng)的指標(biāo)來(lái)制定。目前的激光雷達(dá)系統(tǒng)的接收光學(xué)系統(tǒng)多采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其中望遠(yuǎn)鏡的焦平面的位置根據(jù)不同的雷達(dá)要求可置于望遠(yuǎn)鏡主鏡的前方和后方。本專利提出一種方法，即主鏡位置可調(diào)進(jìn)而達(dá)到焦點(diǎn)位置可以按照需求進(jìn)行調(diào)解，實(shí)現(xiàn)儀器通用性的同時(shí)，也可通過(guò)解整主鏡方向來(lái)實(shí)現(xiàn)主次鏡平行即焦點(diǎn)位置按照要求調(diào)整到小孔光闌中心位置。此外對(duì)于目前監(jiān)測(cè)大氣參數(shù)的高精密儀器細(xì)粒子激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，測(cè)量的精度和測(cè)量高度是十分重要的。接收光學(xué)系統(tǒng)中的視場(chǎng)大小直接影響儀器的測(cè)量距離，激光雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)中的發(fā)散小如果太小則影響近場(chǎng)信號(hào)的飽和及測(cè)量數(shù)值的代表性。發(fā)散角太大則直接儀器的測(cè)量高度，激光雷達(dá)的發(fā)射光學(xué)發(fā)散角大于本身接收光學(xué)系統(tǒng)，則視場(chǎng)外的信號(hào)完全不會(huì)被接收光學(xué)系統(tǒng)所接受，從而導(dǎo)致測(cè)量參數(shù)的限制。本專利提出的焦平面位置可調(diào)則直接可以改變接收光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角，避免回波信號(hào)的損失增強(qiáng)測(cè)量數(shù)值的代表性。
[0004]對(duì)于高精密的測(cè)量?jī)x器而言，自身標(biāo)定的精度高低直接影響測(cè)量參數(shù)的真實(shí)性及精度。當(dāng)前多采用人為的標(biāo)定方法及CCD圖像進(jìn)行標(biāo)定，二維標(biāo)定本身存在的人為誤差和不可控誤差因素比較多，因此調(diào)節(jié)精度低，自動(dòng)化程度差等缺點(diǎn)。而目前所采用的CCD標(biāo)定方法，雖然取代了人為標(biāo)定，較少了人為誤差，但是由于缺少標(biāo)定點(diǎn)而帶來(lái)的標(biāo)定精度并不是很高。本專利采用更換小孔光闌并用成像CCD來(lái)進(jìn)行標(biāo)定，這樣不僅節(jié)省成本方法也簡(jiǎn)單明了，同時(shí)靶標(biāo)可以在CCD中成像而作為標(biāo)定的標(biāo)定點(diǎn)，我們只需要對(duì)靶圖像進(jìn)行標(biāo)定即可，這樣不僅提高了自身標(biāo)定的精度也減少人為調(diào)試帶來(lái)的誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了提供一種高精度細(xì)粒子激光雷達(dá)標(biāo)定方法，此方法取代人為標(biāo)定及無(wú)目標(biāo)圖像作為參考點(diǎn)，精度提高的同時(shí)更消除人為操作所帶來(lái)的人為誤差。此發(fā)明也提出的接收光學(xué)系統(tǒng)中主鏡位置的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)焦平面和焦點(diǎn)位置可調(diào)節(jié)的一種結(jié)構(gòu)形式，并用上述標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)一整套從粗調(diào)到精調(diào)的細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括激光器，成像CCD，控制計(jì)算機(jī)，擴(kuò)束鏡，第一直角反射棱鏡，角反射器，平面反射鏡，準(zhǔn)直鏡和第二直角反射棱鏡；其中接收光學(xué)系統(tǒng)包括接收系統(tǒng)次鏡、接收系統(tǒng)主體、主鏡、調(diào)節(jié)頂絲、可調(diào)小孔光闌、拉緊拉簧和主鏡固定座；主鏡固定在主鏡固定座上，主鏡的調(diào)節(jié)靠調(diào)節(jié)頂絲的前后旋進(jìn)旋出來(lái)調(diào)節(jié)主鏡的前后位置及一定角度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)焦平面位置和焦點(diǎn)位置同時(shí)可調(diào)；6處的拉緊拉簧固定在接收光學(xué)主體及主鏡固定座上面，保證調(diào)節(jié)頂絲能夠正常的調(diào)節(jié)狀態(tài)；可調(diào)小孔光闌與接收系統(tǒng)主體采用細(xì)牙螺紋進(jìn)行連接，按照接收光學(xué)系統(tǒng)要求通過(guò)前后旋轉(zhuǎn)可調(diào)小孔光闌螺母來(lái)尋找焦平面的位置，從而匹配到合適的細(xì)粒子激光雷達(dá)視場(chǎng)；激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡、第一直角反射棱鏡、平面反射鏡、角反射器、接收光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直鏡、第二直角反射棱鏡后到達(dá)成像CCD，成像CCD連接控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)控制激光器。
[0007]本發(fā)明另外提供一種焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)的自標(biāo)定方法，利用上述的焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)，打開(kāi)激光器，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后再經(jīng)第一直角反射棱鏡反射到接收光學(xué)系統(tǒng)的上方，并在接收光學(xué)系統(tǒng)的上方放置平面反射鏡，平面反射鏡反射后再經(jīng)過(guò)角反射器，調(diào)節(jié)角反射器下方的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使反射的光斑能夠進(jìn)入接收光學(xué)系統(tǒng)中。接收光學(xué)系統(tǒng)出射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡后經(jīng)第二直角反射棱鏡反射到成像CCD中，成像CCD和主控計(jì)算機(jī)連接，主控計(jì)算機(jī)能夠控制激光器；具體的，成像CCD前方安裝可調(diào)二維精密轉(zhuǎn)臺(tái)的第二直角反射棱鏡，此時(shí)調(diào)節(jié)第二直角反射棱鏡下方的調(diào)解旋鈕，使接收的成像CCD中能夠找到完成的靶標(biāo)圖像；記下標(biāo)定尺寸的靶標(biāo)刻度值a，此刻在成像CCD中所成的像應(yīng)該是模糊的，這事就需要前后調(diào)整標(biāo)定的靶標(biāo)位置，同時(shí)觀察CCD中靶標(biāo)圖像的清晰度，找到最清楚的成像點(diǎn)并記下此時(shí)的標(biāo)定尺寸的靶標(biāo)刻度值b，則前后的差值就是小孔光闌焦平面前后偏移的數(shù)值；
[0008]調(diào)節(jié)第二直角反射棱鏡使靶標(biāo)在CXD的成像圖像中心與CXD本身的十分中心重合，讀取二維轉(zhuǎn)臺(tái)的X軸和Y軸方向的數(shù)值，此時(shí)記下的兩個(gè)數(shù)值即為焦點(diǎn)位置距離中心位置的距離。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于:
[0010](I)、相比于現(xiàn)在細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，視場(chǎng)多是固定的或者改變小孔光闌的大小來(lái)改變視場(chǎng)的大小，本發(fā)明調(diào)試主鏡的位置不僅可以根據(jù)需求自動(dòng)調(diào)節(jié)視場(chǎng)的大小更能夠自動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，來(lái)提高儀器測(cè)試數(shù)據(jù)的精度和可靠性。
[0011](2)、通過(guò)更換帶有刻度的靶標(biāo)來(lái)提供焦點(diǎn)位置可調(diào)的參考圖像，靶標(biāo)本身的十字分劃中心更能夠精確的讀取轉(zhuǎn)臺(tái)上面的數(shù)值，從而達(dá)到焦點(diǎn)位置和焦平面位置精確可調(diào)的同時(shí)更實(shí)現(xiàn)了焦點(diǎn)位置可測(cè)的目的。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明卡塞格林望遠(yuǎn)鏡中接收光學(xué)系統(tǒng)中焦點(diǎn)位置可調(diào)方式，其中，I為接收系統(tǒng)次鏡，2為接收系統(tǒng)主體，3為主鏡，4為調(diào)節(jié)頂絲，5為可調(diào)小孔光闌，6為拉緊拉簧，7為主鏡固定座；
[0013]圖2為靶標(biāo)樣式圖；
[0014]圖3為同軸反射式雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)光路圖，其中，2為接收系統(tǒng)主體，5為可調(diào)小孔光闌，8為擴(kuò)束鏡，9為第一直角反射棱鏡，10為角反射器，11為平面反射鏡，12為準(zhǔn)直鏡，13為第二直角反射棱鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0016]焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示，接收光學(xué)系統(tǒng)包括接收系統(tǒng)次鏡1、接收系統(tǒng)主體2、主鏡3、調(diào)節(jié)頂絲4、可調(diào)小孔光闌5、拉緊拉簧6、主鏡固定座7所組成。接收光學(xué)系統(tǒng)的主鏡3固定在接收光學(xué)系統(tǒng)的主鏡固定座7上，主鏡3的調(diào)節(jié)靠調(diào)節(jié)頂絲4的前后旋進(jìn)旋出來(lái)調(diào)節(jié)接收光學(xué)系統(tǒng)的主鏡3的前后位置及一定角度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)焦平面位置和焦點(diǎn)位置同時(shí)可調(diào)。6處的拉緊拉簧6固定在接收系統(tǒng)主體2及主鏡固定座7上面，保證調(diào)節(jié)頂絲4能夠正常的調(diào)節(jié)狀態(tài)?？烧{(diào)小孔光闌5與接收系統(tǒng)主體2采用細(xì)牙螺紋進(jìn)行連接，按照接收光學(xué)系統(tǒng)要求通過(guò)前后旋轉(zhuǎn)可調(diào)小孔光闌5螺母來(lái)尋找焦平面的位置，從而匹配到合適的細(xì)粒子激光雷達(dá)視場(chǎng)。
[0017]基于高精度的激光雷達(dá)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖3所示，細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)試直角反射棱鏡組件、接收光學(xué)系統(tǒng)及接收信號(hào)源的CCD等組成。具體的，該基于高精度的激光雷達(dá)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)包括:激光器，成像CCD，控制計(jì)算機(jī)，接收光學(xué)系統(tǒng)，擴(kuò)束鏡8，第一直角反射棱鏡9，角反射器10，平面反射鏡11，準(zhǔn)直鏡12，第二直角反射棱鏡13，接收光學(xué)系統(tǒng)中的可調(diào)小孔光闌5更換成帶有標(biāo)定尺寸的靶標(biāo)，靶標(biāo)圖樣如圖2所示。
[0018]自標(biāo)定步驟:
[0019]打開(kāi)激光器，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡8擴(kuò)束后再經(jīng)第一直角反射棱鏡9反射到接收光學(xué)系統(tǒng)的上方，并在接收光學(xué)系統(tǒng)的上方放置平面反射鏡11，平面反射鏡11反射后再經(jīng)過(guò)角反射器10反射，調(diào)節(jié)角反射器10下方的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使反射的光斑能夠進(jìn)入接收光學(xué)系統(tǒng)中。接收光學(xué)系統(tǒng)出射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡12后經(jīng)第二直角反射棱鏡13反射到成像CCD中，成像CCD和主控計(jì)算機(jī)連接，主控計(jì)算機(jī)能夠控制激光器。具體的，成像CCD前方安裝可調(diào)二維精密轉(zhuǎn)臺(tái)的第二直角反射棱鏡13，此時(shí)調(diào)節(jié)第二直角反射棱鏡13下方的調(diào)解旋鈕，使接收的成像CCD中能夠找到完成的靶標(biāo)圖像。記下標(biāo)定尺寸的靶標(biāo)刻度值a，此刻在成像CCD中所成的像應(yīng)該是模糊的，這事就需要前后調(diào)整標(biāo)定的靶標(biāo)位置，同時(shí)觀察CCD中靶標(biāo)圖像的清晰度，找到最清楚的成像點(diǎn)并記下此時(shí)的標(biāo)定尺寸的靶標(biāo)刻度值b，則前后的差值就是小孔光闌焦平面前后偏移的數(shù)值。
[0020]調(diào)節(jié)第二直角反射棱鏡13使靶標(biāo)在CXD的成像圖像中心與CXD本身的十分中心重合，讀取二維轉(zhuǎn)臺(tái)的X軸和Y軸方向的數(shù)值，此時(shí)記下的兩個(gè)數(shù)值即為焦點(diǎn)位置距離中心位置的距離。
[0021]本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于:包括激光器，成像(XD，控制計(jì)算機(jī)，擴(kuò)束鏡(8)，第一直角反射棱鏡(9)，角反射器(10)，平面反射鏡(11)，準(zhǔn)直鏡(12)和第二直角反射棱鏡(13);其中接收光學(xué)系統(tǒng)包括接收系統(tǒng)次鏡(I)、接收系統(tǒng)主體(2)、主鏡(3)、調(diào)節(jié)頂絲(4)、可調(diào)小孔光闌(5)、拉緊拉簧(6)和主鏡固定座(7);主鏡(3)固定在主鏡固定座(7)上，主鏡(3)的調(diào)節(jié)靠調(diào)節(jié)頂絲(4)的前后旋進(jìn)旋出來(lái)調(diào)節(jié)主鏡(3)的前后位置及一定角度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)焦平面位置和焦點(diǎn)位置同時(shí)可調(diào)；6處的拉緊拉簧￠)固定在接收系統(tǒng)主體(2)及主鏡固定座(7)上面，保證調(diào)節(jié)頂絲(4)能夠正常的調(diào)節(jié)狀態(tài)；可調(diào)小孔光闌(5)與接收系統(tǒng)主體(2)采用細(xì)牙螺紋進(jìn)行連接，按照接收光學(xué)系統(tǒng)要求通過(guò)前后旋轉(zhuǎn)可調(diào)小孔光闌(5)螺母來(lái)尋找焦平面的位置，從而匹配到合適的細(xì)粒子激光雷達(dá)視場(chǎng)；激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡(8)、第一直角反射棱鏡(9)、平面反射鏡(11)、角反射器(10)、接收光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直鏡(12)、第二直角反射棱鏡(13)后到達(dá)成像CCD，成像CCD連接控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)控制激光器。
2.一種焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)的自標(biāo)定方法，利用權(quán)利要求1所述的焦點(diǎn)位置可調(diào)細(xì)粒子激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于:打開(kāi)激光器，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡(8)擴(kuò)束后再經(jīng)第一直角反射棱鏡(9)反射到接收光學(xué)系統(tǒng)的上方，并在接收光學(xué)系統(tǒng)的上方放置平面反射鏡(11)，平面反射鏡(11)反射后再經(jīng)過(guò)45°角反射器(10)反射，調(diào)節(jié)角反射器(10)下方的二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使反射的光斑能夠進(jìn)入接收光學(xué)系統(tǒng)中，接收光學(xué)系統(tǒng)出射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡(12)后經(jīng)第二直角反射棱鏡(13)反射到成像C⑶中，成像C⑶和主控計(jì)算機(jī)連接，主控計(jì)算機(jī)能夠控制激光器；具體的，成像CCD前方安裝可調(diào)二維精密轉(zhuǎn)臺(tái)的第二直角反射棱鏡(13)，此時(shí)調(diào)節(jié)第二直角反射棱鏡(13)下方的調(diào)解旋鈕，使接收的成像CCD中能夠找到完成的靶標(biāo)圖像；記下標(biāo)定尺寸的靶標(biāo)刻度值a，此刻在成像CCD中所成的像應(yīng)該是模糊的，這時(shí)就需要前后調(diào)整標(biāo)定的靶標(biāo)位置，同時(shí)觀察CCD中靶標(biāo)圖像的清晰度，找到最清楚的成像點(diǎn)并記下此時(shí)的標(biāo)定尺寸的靶標(biāo)刻度值b，則前后的差值就是小孔光闌焦平面前后偏移的數(shù)值； 調(diào)節(jié)第二直角反射棱鏡(13)使靶標(biāo)在CCD的成像圖像中心與CCD本身的十分中心重合，讀取二維轉(zhuǎn)臺(tái)的X軸和Y軸方向的數(shù)值，此時(shí)記下的兩個(gè)數(shù)值即為焦點(diǎn)位置距離中心位置的距離。
【文檔編號(hào)】G01S7/497GK104391291SQ201410773030
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月14日
【發(fā)明者】劉洋, 張?zhí)焓? 范廣強(qiáng), 趙雪松, 董云生, 劉吉瑞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院