CN101452076B - 半导体激光云高自动测量仪光机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体激光云高自动测量仪光机系统，包括光路外筒，光路外筒前部连接有镜筒，镜筒前部连接有透镜筒，光路外筒一侧连接有接收组件，所述透镜筒顶部连接有透镜，光路外筒尾部连接有发光光源，光路外筒内部设置有小孔光阑，所述的小孔光阑前有45°倾斜放置的分束镜，所述分束镜侧面的光路外筒壁上固定有光敏二极管，所述分束镜前有与分束镜平行的平面反射镜，所述平面反射镜面向透镜的一面镀有反射膜；所述的接收组件中有滤光片，滤光片后设置有微孔光阑，微孔光阑后有APD，所述的APD连接在接收组件侧面。本发明采用一体化光机设计，降低了系统造价的成本，减少了大量的机械件和光学件，避免了机械应力受环境变化对光路的影响，提高了系统长期稳定性和可靠性。

Description

半导体激光云高自动测量仪光机系统
技术领域
本发明涉及一种云高自动测量仪系统，尤其是一种半导体激光云高自动测量仪光机系统。
背景技术
云的种类繁多，形状千姿百态，它反映了大气的运动、稳定程度和水汽状况等，也是预示未来天气变化的重要征兆之一。因此，云层高度的测量在气象学中有重要的意义，同时，云层高度的测量对于保证航空安全也有重要的意义。半导体激光云层探测技术是依据大气散射理论和激光原理发展起来的一种新型的云层探测方法。当激光从大气进入云时，在云的边界处将会产生很强的后向散射，散射信号的大小与激光功率、云底高度、云的类型、大气特性等参数有关。通常情况下，探测的距离越远，接收机所接收到的后向散射信号也越弱，这样，通过分析激光回波的变化，可以判别云底位置，计算云底高度。今年来，国内的激光云层探测技术有了很大的发展，出现了以卡式反射式为代表的非同轴光机系统，在这种结构中激光从卡式镜望远镜筒的一侧发射，其带来的问题是雷达盲区过大，一般在200-350米范围。为了克服盲区过大的问题，对其结构进行了改进，让反射激光从接收望远镜的侧面反射到望远镜中心，研制出了反射式同轴光机系统，但是这种结构存在的最大问题是很难保证发射光束的光轴与接收望远镜的光轴始终保持共轴或平行，并且卡式望远镜的加工和装配成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体激光云高自动测量仪光机系统，以解决目前的激光云高测量系统成本较高，发射光束与接收光束无法始终保持共轴，盲区较大的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种半导体激光云高自动测量仪光机系统，包括光路外筒，光路外筒前部连接有镜筒，镜筒前部连接有透镜筒，光路外筒一侧连接有光接收组件，其特征在于：所述透镜筒出口安装有透镜，光路外筒尾部安装有发光光源，发光光源前方设置有小孔光阑，所述的小孔光阑前有45°倾斜放置的分束镜，所述的光路外筒壁上安装有光敏二极管，接收分束镜侧面的折射光，所述分束镜前有与分束镜平行的平面反射镜，平面反射镜中央有发光光源出射光孔，所述平面反射镜面向透镜的一面镀反射膜；所述的平面反射镜的一侧光路外筒筒壁上，安装光接收组件，所述的接收组件包括有外壳，外壳内安装有滤光片，滤光片后设置有微孔光阑，微孔光阑后安装有光电二极管。
所述的透镜为直径为100mm、焦距长度为300mm的非球面透镜，所述透镜的双面镀有905nm波段的增透膜，所述透镜通过螺栓与透镜筒连接，再通过压圈固定于透镜筒中。
所述的发光光源为905nm的脉冲半导体二极管模块。
所述的反射膜为905nm反射膜。
所述的滤光片为905nm窄带滤光片，所述的光电二极管为雪崩光电二极管。
半导体激光云高自动测量仪光机系统采用的是905nm的脉冲半导体二极管模块作为发光光源，其发光面200um×125um，发散角成11×25°不对称分布，如对其进行整形准直，达到细光束和mrad级发散角的要求，则光路系统结构复杂。在实际应用中，由于不要求细光束发射，这里采用长焦距单透镜，作为光路准直方案。主镜的设计还要兼顾系统长度和光学加工的工艺，我们选用了直径为100mm、焦距长度为300mm的非球面透镜，透镜的双面镀有905nm波段的增透膜，并将其通过压圈固定于透镜筒中，另外在机械结构上，确保透镜筒与激光器光源发光点之间的距离是可调节的，并可通过锁紧螺丝固定，使得透镜焦点与激光光源发光点重合，这样由激光光源发出的光经过透镜后能形成准直平行光，准直后光束发散角可达到0.67mrad×0.42mrad。905nm的脉冲半导体二极管模块被固定于光机系统的尾端，并与电源和触发信号板相连接，由于其发出的激光发散角过大，发散过快，因此在其前端设置了一个小孔光阑，在结构上考虑光阑的大小和与光源的位置可调，用于限制发射光束发散至镜筒壁，避免被镜筒壁散射而产生的杂散光，影响回波信号的探测。在小孔光阑前部，以45°角度倾斜放置了一分束镜，以90°方向反射一部分光到光敏二极管，用以实时监测半导体激光光源。另一部分光透过分束镜，通过45°放置的平面反射镜中心孔达到透镜，然后从透镜中心发射出去。发射出去的激光在云的边界处将会产生很强的后向散射，散射光被同一透镜接收并汇聚，由中心带孔的45°平面反射镜镀有905nm反射膜的一面，将回波信号以90°方向反射到APD进行光电信号转换。转换后的信号送入电子学部分的信号采集与处理单元。在APD的前端，用905nm窄带滤光片抑制背景光与杂散光对于回波信号探测的干扰，同时还采用了微孔光阑解决接收信号动态范围大和近距离强回波对探测器损坏的问题。当对接受光路进行调节时，APD模块可上下左右调节，调节后可用螺栓固定，同时接受组件也可前后调节，调节后可用固定圈固定，这种结构可使得被透镜收集汇聚的回波信号，在被45°反射镜反射后能够更好的聚焦于APD的接受表面，达到较好的接受效果。
光学部分的设计主要需要考虑的是低高度测量、光路的稳定性和小型化等问题，当激光光束和接收视场完全重叠时，不仅可以解决了低高度的测量问题，而且降低了多个后散射效应，使得仪器在降水和有雾的天气下能够连续运行。另外由于采用的半导体激光器具有体积小、重量轻的特点，采用模块化的同轴光路设计方案，可以保证收发光路的一致性，并实现小型化的目标。
半导体激光云高自动测量仪光机系统是利用905nm的脉冲半导体二极管模块作为发光光源，通过其前端小孔光阑限制发射光源，避免光束发散至筒壁产生杂散光，并由随后45°分束镜，分出一部分光用于监测激光光源，另一部分光通过45°放置的反射镜中心孔，发射至非球面主镜，通过调节非球面主镜与光源间距离获得准直光线并发射至云层，同时对于云层后向散射的回波信号接受，也是采用同一块非球面主镜来完成，由主镜收集回波信号由45°反射镜反射至APD，并通过相应的调节机构使其能聚焦于APD的接受表面进行光电信号转换，转换后的信号送入电子学部分的信号采集与处理单元。这种光束和接收视场完全重叠的模块化光机设计方案，解决了低高度的测量问题，而且降低了多个后散射效应，其光机结构一体化设计有利于拆卸安装时保证收发光路的一致性，并有体积小、重量轻等特点。
半导体激光云高自动测量仪光机系统中由于发射与接收系统是用同一块非球面主镜来完成的，即使光束自身指向性发生微量变化，只要不超出接收视场范围，根据光路的可逆性，远处的后向散射光仍然可以被主镜接收，解决了光束指向性变化引起的回波信号不能完全接收的问题。此结构采用一体化光机设计，便于系统安装调试、降低了系统造价的成本。减少了大量的机械件和光学件，避免了机械应力受环境变化对光路的影响，提高了系统长期稳定性、可靠性以及抗环境变化能力。
附图说明
图1为本发明光路原理图。
具体实施方式
一种半导体激光云高自动测量仪光机系统，包括光路外筒，光路外筒前部连接有镜筒4，镜筒4前部连接有透镜筒3，光路外筒一侧连接有接收组件9，所述透镜筒3顶部连接有透镜2，光路外筒尾部连接有发光光源8，光路外筒内部设置有小孔光阑7，所述的小孔光阑7前有45°倾斜放置的分束镜14，所述分束镜14侧面的光路外筒壁上固定有光敏二极管6，所述分束镜14前有与分束镜14平行的平面反射镜5，所述平面反射镜5面向透镜2的一面镀有反射膜；所述的接收组件9中有滤光片12，滤光片12后设置有微孔光阑11，微孔光阑11后有APD10，所述的APD10连接在接收组件9侧面。所述的透镜2为直径为100mm、焦距长度为300mm的非球面透镜，所述透镜2的双面镀有905nm波段的增透膜，所述透镜2通过螺栓与透镜筒3连接，再通过压圈1固定于透镜筒3中。所述的发光光源8为905nm的脉冲半导体二极管模块。所述的反射膜为905nm反射膜。所述的接收组件9通过固定圈13固定在光路外筒侧面。所述的APD10通过螺栓连接在接收组件9侧面。所述的滤光片12为905nm窄带滤光片。

Claims (1)

1.半导体激光云高自动测量仪光机系统，包括光路外筒，光路外筒前部连接有镜筒，镜筒前部连接有透镜筒，光路外筒一侧连接有光接收组件，其特征在于：所述透镜筒出口安装有透镜，光路外筒尾部安装有发光光源，发光光源前方设置有小孔光阑，所述的小孔光阑前有45°倾斜放置的分束镜，所述的光路外筒壁上安装有光敏二极管，接收分束镜侧面的折射光，所述分束镜前有与分束镜平行的平面反射镜，平面反射镜中央有发光光源出射光孔，所述平面反射镜面向透镜的一面镀反射膜；所述的平面反射镜的一侧光路外筒筒壁上，安装光接收组件，所述的光接收组件包括有外壳，外壳内安装有滤光片，滤光片后设置有微孔光阑，微孔光阑后安装有光电二极管；
所述的透镜为直径为100mm、焦距长度为300mm的非球面透镜，所述透镜的双面镀有905nm波段的增透膜，所述透镜通过螺栓与透镜筒连接，再通过压圈固定于透镜筒中；
所述的发光光源为905nm的脉冲半导体二极管模块；
所述的反射膜为905nm反射膜；
所述的滤光片为905nm窄带滤光片，所述的光电二极管为雪崩光电二极管。
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