CN101692126A - 激光雷达对称分布式光束发射接收方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达对称分布式光束发射接收方法与装置，系统采用多个波长光束的独立发射设计与接收方法，去除了不同波长激光束由于发散角和折射率的不同所造成的对测量结果的影响，独立地实现了不同激光波长下的系统重叠系数的计算，发展了真正意义上的收发光学系统同轴或光轴完全平行，保证了数据的可比性，为激光雷达的进一步开发与实际应用提供了方法，系统中不同激光波长光束的独立发射，能够在可视化的软件界面下完成调试，使得普通的操作人员均能够完成系统的操作与维护，不需要借助于精密的测量仪器与专业技术人员便能实现。

Description

激光雷达对称分布式光束发射接收方法与装置

技术领域

本发明涉及环境科学、激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达对称分布式光束发射接收方法与装置。

背景技术

激光雷达是迅速发展的高新技术之一，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达向大气中发射激光脉冲，通过接收大气分子或气溶胶颗粒物与激光相互作用后的后向散射回波信息进行大气光学特性与污染物时空分布的测量研究，依此分析大气能见度、气溶胶颗粒物时空分布和时空变化、云底云高、边界层高度、气溶胶颗粒物特性以及水汽、臭氧等的空间分布特征。

目前对于多波长激光雷达，均使用一个光束输出装置向大气中发射多个激光波长(多个激光波长由一个激光器发出或者由多台激光器发出后整合成一束)，由于不同波长激光的折射率和发散角不同，一台激光器输出的多个激光波长也就存在着光束发散角的不同，以及不同波长激光光束并不能实现真正的同轴，即光学输出镜片对不同激光波长产生的不同折射率导致了激光束在远距离上的分离。因此对于发射与接收光学系统而言，并不能实现真正意义上的收发光学系统的同轴。

无论是发射光束与接收光束同轴的激光雷达还是发射光束与接收光束的离轴的激光雷达，对于多波长激光雷达采用同一个光束发射装置均难以实现收发光学系统的同轴。

为了进行数据间的比对与联合分析，就要求数据具有可比性，由于不同激光波长的折射率与发散角的不同，在同一光束输出的情况下，收发光学系统将具有不同的重叠修正系数，因此，单一光束发射并不能保证不同激光波长下系统的重叠修正系数相同或者说无法实现多个激光波长发射光束与接收光学系统光轴真正的平行；由于收发光学系统几何关系上的确定性，重叠修正系数只能近似的为某一个波长上的计算结果，以进行数据的比较与结果分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光雷达对称分布式光束发射接收方法与装置，实现易于多波长激光雷达多个波长发射光束与接收光学系统光轴平行校准的方法与系统，发展真正意义上的收发光学系统同轴或光轴完全平行，来保证数据的可比性。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种激光雷达对称分布式光束发射接收装置，包括有激光发射系统、激光接收系统以及控制、采集处理和显示系统，其特征在于：所述激光发射系统包括有激光器，激光接收系统包括有望远镜，激光器前方设有反射镜1，激光器发出的激光经过反射镜1反射后，经过反射镜2对355nm激光反射，对1064nm与532nm激光透射；355nm激光反射后，再经过第二扩束系统扩束后从反射镜5反射向大气；透射的532nm激光经过反射镜3反射后，经过第一扩束系统扩束从反射镜4反射向大气；透射的1064nm激光经过反射镜3透射出去；所述的反射镜2、3、4、5相互平行设置，从反射镜5与反射镜4反射的激光束分别与望远镜的光轴平行，且对称分布于望远镜光轴两侧；所述望远镜的镜筒中部有聚焦镜，镜筒内后端安装有弧面反射镜，弧面反射镜及望远镜后端中央有开孔，望远镜的镜筒后端开孔后的光路上依次设置有光栏、光束准直透镜、分光器和光电探测器；望远镜接收到的大气后向散射光进入镜筒后，再经过弧面反射镜反射到聚焦镜上，聚焦镜反射的光从弧面反射镜中央开孔出射，经过光栏、光束准直透镜、分光器得到单一波长光，再由光电探测器接收，光电探测器的信号输出到控制、数据采集处理和显示系统。

所述激光雷达对称分布式光束发射接收的方法，其特征在于：激光器发出的激光经过反射镜1反射后，经过反射镜2对355nm激光反射，对1064nm与532nm激光透射；355nm激光反射后，再经过第二扩束系统扩束后从反射镜5反射向大气；透射的532nm激光经过反射镜3反射后，经过第一扩束系统扩束从反射镜4反射向大气；透射的1064nm激光经过反射镜3透射出去；望远镜接收到的大气后向散射光进入镜筒后，再经过弧面反射镜反射到聚焦镜上，聚焦镜反射镜比弧面反射镜中央开孔出射，经过光栏、光束准直透镜、分光器得到各个单一波长光，再由不同的光电探测器接收，各光电探测器的信号输出到控制、数据采集处理和显示系统。

所述控制、数据采集处理和显示系统输出控制信号分别给激光器、分光器和光电倍增管。

所述发射的激光束与望远镜的光轴的平行校准方法为：

(1)、激光器发射激光，选定需要校准的设定波长的发射激光束与望远镜光轴的平行关系，通过反射镜4或5反射该波长激光束到大气中，在望远镜接收到后向散射光的回波信号中选择2-3Km范围内的一段回波信号强度，取其平均值作为信号强弱的依据；

(2)、通过调整该发射与反射校准波长的激光束的反射镜空间位置，改变发射的激光束与望远镜光轴之间的距离关系，即平行与非平行关系；

(3)、在调整该发射与反射校准波长的激光束的反射镜空间位置同时，观察回波信号的强度，或者2～3Km范围内信号强度的平均值，并计算每次调整后平均值的大小、误差与标准偏差，同时显示回波信号强度、2～3Km范围内信号强度的平均值、每次调整后的误差与标准偏差；

(4)、当回波信号强度或者2～3Km范围内信号强度的平均值达到最大值时，即发射的激光束与望远镜的光轴已调到平行。

本发明的有益效果：

本发明的系统采用多个波长光束的独立发射设计与接收方法，去除了不同波长激光束由于发散角和折射率的不同所造成的对测量结果的影响，独立地实现了不同激光波长下的系统重叠系数的计算，发展了真正意义上的收发光学系统同轴或光轴完全平行，保证了数据的可比性，为激光雷达的进一步开发与实际应用提供了方法，系统中不同激光波长光束的独立发射，能够在可视化的软件界面下完成调试，使得普通的操作人员均能够完成系统的操作与维护，不需要借助于精密的测量仪器与专业技术人员便能实现。

附图说明

图1为本发明激光发射系统的光学系统结构示意图。

图2为本发明的光学系统结构示意图。

具体实施方式

参见图1，一种激光雷达对称分布式光束发射接收装置，包括有激光发射系统、激光接收系统以及控制、采集处理和显示系统，激光发射系统包括有激光器6，激光接收系统包括有望远镜7，激光器6前方设有反射镜1，激光器6发出的激光经过反射镜1反射后，经过反射镜2对355nm激光反射，对1064nm与532nm激光透射；355nm激光反射后，再经过第二扩束系统扩束9后从反射镜5反射向大气；透射的532nm激光经过反射镜3反射后，经过第一扩束系统扩束8从反射镜4反射向大气；透射的1064nm激光经过反射镜3透射出去；反射镜2、3、4、5相互平行设置，从反射镜5与反射镜4反射的激光束分别与望远镜7的光轴平行，且对称分布于望远镜7光轴两侧；望远镜7的镜筒中部有聚焦镜10，镜筒内后端安装有弧面反射镜11，弧面反射镜11及望远镜7后端中央有开孔，望远镜7的镜筒后端开孔后的光路上依次设置有光栏12、光束准直透镜13、分光器14和光电探测器15；望远镜7接收到的大气后向散射光进入镜筒后，再经过弧面反射镜11反射到聚焦镜10上，聚焦镜10反射的光从弧面反射镜11中央开孔出射，经过光栏12、光束准直透镜13、分光器14得到单一波长光，再由光电探测器15(根据不同波长光的束数，设置多个，同时增设一个，接收355nm光)接收，光电探测器15的信号输出到控制、数据采集处理和显示系统16。

激光雷达对称分布式光束发射接收的方法为：激光器发出的激光经过反射镜1反射后，经过反射镜2对355nm激光反射，对1064nm与532nm激光透射；355nm激光反射后，再经过第二扩束系统扩束后从反射镜5反射向大气；透射的532nm激光经过反射镜3反射后，经过第一扩束系统扩束从反射镜4反射向大气；透射的1064nm激光经过反射镜3透射出去；从反射镜5与反射镜4反射的激光束分别与望远镜的光轴平行，且对称分布于望远镜光轴两侧；望远镜接收到的大气后向散射光进入镜筒后，再经过弧面反射镜反射到聚焦镜上，聚焦镜反射的光从弧面反射镜中央开孔出射，经过光栏、光束准直透镜、分光器得到355nm、532nm单一波长光，再由三个光电探测器接收，分别探测355nm、532nm和387nm光(大气中氮气分子对355nm激光的拉曼散射)；各光电探测器的信号输出到控制、数据采集处理和显示系统，控制、数据采集处理和显示系统输出控制信号分别给激光器、分光器和光电倍增管。

发射的激光束与望远镜的光轴的平行校准方法为：

(1)、激光器发射激光，选定需要校准的设定波长的发射激光束与望远镜光轴的平行关系，通过反射镜4或5反射该波长激光束到大气中，在望远镜接收到后向散射光的回波信号中选择2-3Km范围内的一段回波信号强度，取其平均值作为信号强弱的依据；

(2)、通过调整该发射与反射校准波长的激光束的反射镜空间位置，改变发射的激光束与望远镜光轴之间的距离关系，即平行与非平行关系；

(3)、在调整该发射与反射校准波长的激光束的反射镜空间位置同时，观察回波信号的强度，或者2～3Km范围内信号强度的平均值，并计算每次调整后平均值的大小、误差与标准偏差，同时显示回波信号强度、2～3Km范围内信号强度的平均值、每次调整后的误差与标准偏差；

(4)、当回波信号强度或者2～3Km范围内信号强度的平均值达到最大值时，即发射的激光束与望远镜的光轴已调到平行。

Claims (3)

1.一种激光雷达对称分布式光束发射接收装置，包括有激光发射系统、激光接收系统以及控制、采集处理和显示系统，其特征在于：所述激光发射系统包括有激光器，激光接收系统包括有望远镜，激光器前方设有反射镜1，激光器发出的激光经过反射镜1反射后，经过反射镜2对355nm激光反射，对1064nm与532nm激光透射；355nm激光反射后，再经过第二扩束系统扩束后从反射镜5反射向大气；透射的532nm激光经过反射镜3反射后，经过第一扩束系统扩束从反射镜4反射向大气；透射的1064nm激光经过反射镜3透射出去；所述的反射镜2、3、4、5相互平行设置，从反射镜5与反射镜4反射的激光束分别与望远镜的光轴平行，且对称分布于望远镜光轴两侧；所述望远镜的镜筒中部有聚焦镜，镜筒内后端安装有弧面反射镜，弧面反射镜及望远镜后端中央有开孔，望远镜的镜筒后端开孔后的光路上依次设置有光栏、光束准直透镜、分光器和光电探测器；望远镜接收到的大气后向散射光进入镜筒后，再经过弧面反射镜反射到聚焦镜上，聚焦镜反射的光弧面反射镜中央开孔出射，经过光栏、光束准直透镜、分光器得到各个单一波长光，再由不同的光电探测器接收，各光电探测器的信号输出到控制、数据采集处理和显示系统。

2.一种实现权利要求1所述激光雷达对称分布式光束发射接收的方法，其特征在于：激光器发出的激光经过反射镜1反射后，经过反射镜2对355nm激光反射，对1064nm与532nm激光透射；355nm激光反射后，再经过第二扩束系统扩束后从反射镜5反射向大气；透射的532nm激光经过反射镜3反射后，经过第一扩束系统扩束从反射镜4反射向大气；透射的1064nm激光经过反射镜3透射出去；望远镜接收到的大气后向散射光进入镜筒后，再经过弧面反射镜反射到聚焦镜上，聚焦镜反射的光从弧面反射镜中央开孔出射，经过光栏、光束准直透镜、分光器得到各个单一波长光，再由不同的光电探测器接收，各光电探测器的信号输出到控制、数据采集处理和显示系统，所述控制、数据采集处理和显示系统输出控制信号分别给激光器、分光器和光电倍增管。

3.根据权利要求2所述激光雷达对称分布式光束发射接收的方法，其特征在于：所述发射的激光束与望远镜的光轴的平行校准方法为：

(1)、激光器发射激光，选定需要校准的设定波长的发射激光束与望远镜光轴的平行关系，通过反射镜4或5反射该波长激光束到大气中，在望远镜接收到后向散射光的回波信号中选择2～3Km范围内的一段回波信号强度，取其平均值作为信号强弱的依据；

(2)、通过调整该发射与反射校准波长的激光束的反射镜空间位置，改变发射的激光束与望远镜光轴之间的距离关系，即平行与非平行关系；

(3)、在调整该发射与反射校准波长的激光束的反射镜空间位置同时，观察回波信号的强度，或者2～3Km范围内信号强度的平均值，并计算每次调整后平均值的大小、误差与标准偏差，同时显示回波信号强度、2～3Km范围内信号强度的平均值、每次调整后的误差与标准偏差；

(4)、当回波信号强度或者2～3Km范围内信号强度的平均值达到最大值时，即发射的激光束与望远镜的光轴已调到平行。

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