CN101299066A - 激光雷达透射式同轴发射与接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达透射式同轴发射与接收装置。它的(a)发射光路上依次置有激光器(1)、凹透镜(4)、与光路呈40～50度设置的其中心为通孔的反射镜(5)和非球面镜(6)；(b)凹透镜(4)旁置有其输出端与光子计数器(14)的同步触发输入端口(141)电连接的光电管(12)；(c)接收光路上依次置有非球面镜(6)和反射镜(5)，反射镜(5)的反射光路上依次置有反射镜(7)、光阑(8)、聚焦透镜(9)、滤光片(10)、聚焦透镜(11)和光电探测器(13)，光电探测器(13)的输出端与光子计数器(14)的输入端口(142)电连接。它的结构简单，易于安装调试，造价低，工作稳定可靠，便于维护保养；可广泛地用于激光雷达之中。

Description

激光雷达透射式同轴发射与接收装置

技术领域

本发明涉及一种激光雷达的发射与接收装置，尤其是激光雷达透射式同轴发射与接收装置。

背景技术

目前，人们为了对大气环境进行大范围快速有效地监测，常使用米散射微脉冲激光雷达，如本申请人正在使用的。它根据大气对激光的散射、吸收、消光等物理效应，通过定量地分析由飘尘、颗粒物、烟尘和沙尘等构成的大气气溶胶对激光产生的后向散射回波，来获得大气消光系数水平和垂直廓线，并由此实现探测大气污染程度的目的。该雷达的发射与接收部件为非同轴结构，其中，发射部件为发射光路上依次置有激光器、扩束器、均与发射光路呈45度角设置的两只相互平行的反射镜；接收部件为接收光路上依次置有带有中心孔的凹面反射镜、半球面反射镜、光阑、透镜、滤光片、聚焦透镜和光电探测器，接收到的大气气溶胶的后向散射光经凹面反射镜和半球面反射镜反射后，其反射光穿过凹面反射镜的中心孔后聚焦在光阑的中心；发射部件中的末端反射镜位于接收部件中的半球面反射镜的背面处，且调整为经其反射的发射光轴与接收部件的输入光轴相平行，接收部件中的光电探测器经多道光子计数器与工控机电连接。探测时，激光器发出的激光被大气中的气溶胶粒子后向散射，并被接收部件接收后经工控机处理而获得气溶胶的空间分布状态。但是，从实际应用的结果来看这种非同轴结构存在着许多不足之处，首先，激光雷达探测数据是否稳定可靠，最重要的是能否使发射光束与接收望远镜光轴始终保持共轴或平行，使回波的接收规律满足雷达方程。一旦发射光束指向性发生变化，不仅使得激光雷达重叠因子修正曲线变得不可确定，在重叠区无法给出正确的修正结果，更严重时会偏离接收视场。然而，在非同轴微脉冲激光雷达结构的情况下是很难保证发射光束方向的稳定性的。以下问题均可能引起发射部件光轴和接收部件光轴的不平行：一是发射部件的反射镜用于调整发射光束的指向与接收望远镜同轴，反射镜调整架即要能微量调节，同时还必须能牢固的锁定，这一过程不可避免的使调整架产生应力，而应力释放的过程，使得光束方向性发生渐变，四季环境温度的变化更是对反射镜调节架稳定性的严峻考验，成为一个严重的隐患。这些微量变化，都可能导致大气后向散射回波光(在一定的距离外)脱离接收望远镜的接收视场而不能被完全接收，探测数据因此会出现失真；二是半导体激光器的工作环境温度要求在15℃～30℃，这个温度范围表示的是可出光条件，但实际上并不表示方向性没有变化。大量的实验也发现，每个激光器的变化情况是不一样的。这种变化带来了雷达重叠区修正误差；三是半导体激光器本身是有使用寿命的，随着激光能量的降低，也会引起光束方向性的微量变化；四是扩束器架在望远镜的筒上，在搬运或移动过程中，易受到外力作用而导致发射光轴与接收光轴的不平行；其次，现有的卡式望远镜的加工和装调成本较高。

上述问题的解决虽然可以采取温控的措施加以改善，但不能解决全部问题，另外也增加了系统的成本。因此，需要从结构设计上做认真的分析，以期达到商品化的水平，为推广使用创造条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种能同轴发射与接收激光及其回波的、且结构简单，使用方便的激光雷达透射式同轴发射与接收装置。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：激光雷达透射式同轴发射与接收装置包括发射光路上的激光器和透镜，接收光路上的反射镜、光阑、聚焦透镜、滤光片和光电探测器，以及分别与光电探测器、工控机电连接的光子计数器，特别是(a)所说发射光路上依次置有激光器、凹透镜、与发射光路呈40～50度设置的其中心为通孔的反射镜和非球面镜；(b)所说凹透镜旁置有光电管，所说光电管的输出端与光子计数器的同步触发输入端口电连接；(c)所说接收光路上依次置有非球面镜和上述的其中心为通孔的反射镜，所说其中心为通孔的反射镜的反射光路上依次置有反射镜、光阑、聚焦透镜、滤光片、聚焦透镜和光电探测器，所说光电探测器的输出端与光子计数器的输入端口电连接。

作为激光雷达透射式同轴发射与接收装置的进一步改进，所述的激光器与凹透镜间的发射光路上置有反射镜；所述的反射镜为两只均与发射光路呈45度角且相互平行设置的平面反射镜；所述的其中心为通孔的反射镜为平面反射镜，其与发射光路间的夹角为45度；所述的非球面镜的直径为160mm、焦距为500mm；所述的非球面镜的双面均镀有增透型介质膜，所说增透型介质膜的中心波长为532nm、带宽为45～55nm，其透过率≥99％；所述的凹透镜与非球面镜间的配合关系为，其发散角为≤50μrad；所述的光阑位于非球面镜的焦点处；所述的光阑的直径为0.12mm、接收视场为240μrad；所述的滤光片的带宽为3埃，其中心波长透过率为≥50％。

相对于现有技术的有益效果是，其一，于发射光路上依次设置激光器、凹透镜、与发射光路呈40～50度设置的其中心为通孔的反射镜和非球面镜，并于接收光路上依次设置非球面镜和上述的其中心为通孔的反射镜，其中的其中心为通孔的反射镜的反射光路上依次置有反射镜、光阑、聚焦透镜、滤光片、聚焦透镜和光电探测器，光电探测器的输出端与光子计数器的输入端口电连接，即巧妙地将非球面镜作为发射与接收光路的共同零部件，当其作为发射部件之一时，与凹透镜相配合，起到对穿过其中心为通孔的反射镜的激光光束的扩束功效。当其作为接收部件之一时，与其中心为通孔的反射镜相配合，起到对激光后向散射回波的汇聚作用。不仅统筹兼顾和一步到位地解决了发射光路与接收光路同轴的难题，还有着结构简单，易于安装调试，造价低的优点；其二，在凹透镜旁设置其输出端与光子计数器的同步触发输入端口电连接的光电管，便于了光子计数器识别发射的激光与接收的后向散射回波的激光；其三，非球面镜的一物多用，既减少了零部件，如外置的扩束器，又使整机的工作稳定可靠，杜绝了大气后向散射光脱离接收部件的接收视场而不能被完全接收的可能，确保了测量结果的长期可靠性，还大大地降低了维护保养的时间和费用；其四，应用光传播路线的可逆性原理，激光发射和回波信号接收采用同一光学系统，实现了真正意义上同轴光学结构。在这种同轴结构条件下，光源方向性的微量变化(无论来自何种原因)是与回波同步变化的，换句话说，后向散射回波将始终存在于接收视场之内；其五，本装置的重要特点一是主镜元件同时起着激光发射和回波接收的作用，构成了同轴光路，二是发射光束在主镜表面产生的后向散射光，决大部分都会排除掉而不会损坏探测器。

作为有益效果的进一步体现，一是在激光器与凹透镜间的光路上置有两只均与发射光路呈45度角且相互平行设置的平面反射镜，大大地减小了由激光器、凹透镜和非球面镜组成的发射部件的长度，便于将其与接收部件共同置于同一镜筒之中；二是非球面镜的直径优选为160mm、焦距优选为500mm，于非球面镜的双面均镀有中心波长为532nm、带宽为45～55nm、透过率≥99％的增透型介质膜，除保证了发射与接收的需求之外，还将发射与接收时的损耗降低到了最小；三是优选凹透镜与非球面镜间的配合关系为其发散角为≤50μrad，使透面镜与非球面镜的效能发挥至极致；四是将光阑位于非球面镜的焦点处，并优选光阑的直径为0.12mm、接收视场为240μrad，完全避免了非球面镜背面产生的杂散光对接收到的大气气溶胶后向散射光的影响，保证了探测的精度；五是滤光片的带宽优选为3埃，其中心波长透过率优选为≥50％，使只有激光器的回波才能被光电探测器接收，确保了探测的可靠性和精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的说明。

图1是本发明的一种基本结构示意图。

具体实施方式

参见图1，发射光路上依次置有激光器1、反射镜(2，3)、凹透镜4、其中心为通孔的反射镜5和非球面镜6；其中，反射镜(2，3)为两只均与发射光路呈45度角且相互平行设置的平面反射镜，反射镜5为平面反射镜，其与发射光路间的夹角为45度，非球面镜6的直径为160mm、焦距为500mm，其双面均镀有中心波长为532nm、带宽为50nm、透过率为99％的增透型介质膜，凹透镜4与非球面镜6间的配合关系为，其发散角为50μrad。接收光路上依次置有非球面镜6和反射镜5，反射镜5的反射光路上依次置有反射镜7、光阑8、聚焦透镜9、滤光片10、聚焦透镜11和光电探测器13，光电探测器13的输出端与光子计数器14的输入端口142电连接；其中，光阑8位于非球面镜6的焦点处，其直径为0.12mm、接收视场为240μrad，滤光片10的带宽为3埃，其中心波长透过率为50％。光子计数器14的输出端与工控机15电连接。凹透镜4旁置有其输出端与光子计数器14的同步触发输入端口141电连接的光电管12。

使用时，激光器1发出的激光束经反射镜(2，3)和凹透镜4，以及穿过其中心为通孔的反射镜5的中心孔后射向非球面镜6，在凹透镜4与非球面镜6的共同作用下，激光束被扩束并向天空发射。位于平面反射镜3后的光电管12接收发射光束在平面反射镜3产生的透射光，并将其转化为激光同步脉冲信号传送至光子计数器14的同步触发输入端口141。被发射向天空的激光束当遇到大气和大气中的气溶胶时，将被其所散射。来自大气和大气气溶胶的后向散射回波信号由非球面镜6接收，并通过反射镜5和反射镜7，在光阑8处聚焦，最后通过聚焦透镜9、滤光片10和聚焦透镜11传递到光电探测器13。由光电探测器13将其转换成电信号后送往光子计数器14的输入端口142，光子计数器14按照光电脉冲信号从天空返回的时序做对位记数和累加处理，其结果存储到相应的数据存储单元；最后送往工控机15，由工控机15处理后得出大气气溶胶的消光廓线，进而获知大气的污染程度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的激光雷达透射式同轴发射与接收装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1、一种激光雷达透射式同轴发射与接收装置，包括发射光路上的激光器和透镜，接收光路上的反射镜、光阑、聚焦透镜、滤光片和光电探测器，以及分别与光电探测器、工控机电连接的光子计数器，其特征在于：

(a)所说发射光路上依次置有激光器(1)、凹透镜(4)、与发射光路呈40～50度设置的其中心为通孔的反射镜(5)和非球面镜(6)；

(b)所说凹透镜(4)旁置有光电管(12)，所说光电管(12)的输出端与光子计数器(14)的同步触发输入端(141)电连接；

(c)所说接收光路上依次置有非球面镜(6)和反射镜(5)，所说反射镜(5)的反射光路上依次置有反射镜(7)、光阑(8)、聚焦透镜(9)、滤光片(10)、聚焦透镜(11)和光电探测器(13)，所说光电探测器(13)的输出端与光子计数器(14)的输入端(142)电连接。

2、根据权利要求1所述的激光雷达透射式同轴发射与接收装置，其特征是激光器(1)与凹透镜(4)间的发射光路上置有反射镜(2，3)。

3、根据权利要求2所述的激光雷达透射式同轴发射与接收装置，其特征是反射镜(2，3)为两只均与发射光路呈45度角且相互平行设置的平面反射镜。

4、根据权利要求1所述的激光雷达透射式同轴发射与接收装置，其特征是反射镜(5)为平面反射镜，其与发射光路间的夹角为45度。

5、根据权利要求1所述的激光雷达透射式同轴发射与接收装置，其特征是非球面镜(6)的直径为160mm、焦距为500mm。

6、根据权利要求5所述的激光雷达透射式同轴发射与接收装置，其特征是非球面镜(6)的双面均镀有增透型介质膜，所说增透型介质膜的中心波长为532nm、带宽为45～55nm，其透过率≥99％。

7、根据权利要求5所述的激光雷达透射式同轴发射与接收装置，其特征是凹透镜(4)与非球面镜(6)间的配合关系为，其发散角为≤50μrad。

8、根据权利要求1所述的激光雷达透射式同轴发射与接收装置，其特征是光阑(8)位于非球面镜(6)的焦点处。

9、根据权利要求8所述的激光雷达透射式同轴发射与接收装置，其特征是光阑(8)的直径为0.12mm、接收视场为240μrad。

10、根据权利要求1所述的激光雷达透射式同轴发射与接收装置，其特征是滤光片(10)的带宽为3埃，其中心波长透过率为≥50％。

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