CN102913817B - 一种雷达探测系统的光源装置 - Google Patents

Abstract

一种雷达探测系统的光源装置，包括W级大功率发光二极管组、透镜组和光纤，所述发光二极管发出的光束经所述透镜组聚焦，进入所述光纤。本发明采用W级大功率发光二极管作为发光源，且组合成阵列，先通过反光杯聚焦，压缩发光二极管出射光的发散角，再经透镜组聚焦，耦合进入光纤，光纤的出射光再经透镜准直扩束，得到均匀的高准直出射光，并且发散角可达到mrad量级，满足光学雷达对光源的要求。本发明利用了LED光源具有丰富波长的特点，发光效率高，能量消耗低，发散角能达到mrad量级，满足光学雷达对光源的要求。同时结构简单，体积小，并具有绿色环保的功效，是小型气溶胶探测雷达理想的探测光源。

Description

一种雷达探测系统的光源装置

技术领域

本发明涉及雷达探测系统，具体涉及一种雷达探测系统的光源装置。

背景技术

借助雷达技术遥感探测大气气溶胶是环境研究的重要方法之一，它能提供宽泛的光谱信息，帮助我们更好地解释发生在大气中的各种现象，例如污染排放及其迁移传输、逆温层的形成、云的物理和化学特性等，这些信息对许多科学分支的研究工作都起到重要的作用。

现有的雷达探测系统采用脉冲激光器作光源，无论是大功率脉冲激光器还是微焦级的微功率脉冲激光器，由于脉冲激光器体积较大，驱动电路复杂，环境条件要求高，导致系统成本高，维护困难；同时脉冲激光器的输出波长很少，不利于开展气溶胶特性研究以及大气痕量气体探测，尤其是研究大气在特定波长上的辐射效应是很困难的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小且波长丰富的雷达探测系统的光源装置，以解决现有雷达探测系统采用脉冲激光器作为光源存在的弊端。

本发明的目的是这样实现的，一种雷达探测系统的光源装置，包括W级大功率发光二极管组、透镜组、光纤和单透镜Ⅳ，发光二极管发出的光束经所述透镜组聚焦，进入光纤；发光二极管不少于九个且组成阵列，透镜组前每个发光二极管都设有一个反光杯；反光杯为抛物曲面反光杯，其母线为抛物线；

透镜组包括三个单透镜和一个双胶合透镜，其中两个单透镜设置在双胶合透镜前，其余一个单透镜设置在双胶合透镜后，单透镜Ⅳ设置在光纤之后。

本发明的特点还在于：光纤的出射光经单透镜Ⅳ准直扩束。

本发明具有如下有益效果，本发明采用W级大功率发光二极管LED作为发光源，且组合成阵列，先通过反光杯聚焦，压缩发光二极管出射光的发散角，再经透镜组聚焦，耦合进入光纤，光纤的出射光再经透镜准直扩束，得到均匀的高准直出射光，并且发散角可达到mrad量级，满足光学雷达对光源的要求。本发明利用了LED光源具有丰富波长的特点，发光效率高，能量消耗低，发散角能达到mrad量级，满足光学雷达对光源的要求。同时结构简单，体积小，并具有绿色环保的功效，是小型气溶胶探测雷达理想的探测光源。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

图2为本发明实施例发光二极管组合阵列示意图；

图3为本发明实施例反光杯设计图；

图4为本发明实施例光源光路示意图；

图5为本发明实施例透镜组结构示意图；

图6为本发明光纤匀光原理图；

图7为本发明实施例单透镜Ⅲ4的像平面接收到的光能量分布图；

图8为本发明理想光线追迹下光纤耦合效率图；

图9为本发明光的偏振和散射现象下光纤耦合效率图；

图10为本发明单透镜结构参数示意图；

图11为检验本发明发散角压缩效果的测量原理；

图12为本发明系统测试像平面位置与该位置上的光斑直径关系的曲线；

图中，1.单透镜Ⅰ，2.单透镜Ⅱ，3.双胶合透镜，4.单透镜Ⅲ，5.光纤，6.单透镜Ⅳ，7.发光二极管及其反光杯。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作详细说明。

实施例，一种雷达探测系统的光源装置，包括W级大功率的发光二极管、透镜组和光纤5。透镜组由单透镜Ⅰ1、单透镜Ⅱ2、双胶合透镜3和单透镜Ⅲ4组成，透镜组前设有发光二极管LED及其反光杯7，发光二极管为9个且组成阵列，每个LED发出的光束需要先经独立的反光杯聚焦，再经透镜组聚焦，耦合进入光纤5，光纤5的出射光经透镜6准直扩束。

参见图1，多个发光二极管LED组成的光源头发出的光束，经耦合透镜组耦合进入光纤5，光纤5的出射光再经透镜6准直扩束后，得到均匀的mrad级高准直出射光。注意：在准直扩束前需经过光纤。

参见图2，为了提高光源的能量，解决单个LED能量不足问题，光源头设计成多个LED组合阵列的形式，以9个LED组合为例。由于阵列的排列方式会影响出射光的均匀性，设计时用Lighttools光学软件对光源头的阵列形式进行仿真，光源头的反光方式为单个反光，需要设置9个反光杯对光源头反光。

参见图3，由于LED发散角太大，能量分布也很分散，每个LED需要用反光杯进行前期聚焦，使每个LED发出的光经反光杯聚焦后以接近平行光出射。反光杯需采用抛物曲面(即母线为抛物线，将抛物线绕其光轴旋转180°就构成了旋转抛物曲面)反射镜制作，依据抛物曲面的性质，在抛物曲面焦点上发出的光经抛物曲面反射后是平行出射的。采用抛物曲面反光杯来减小LED的发散角。该旋转抛物面的母线方程为:

y²＝4f·x(1)

式中f为抛物面的焦距。由于所用LED光源直径为6mm，因此需要反光杯的小端口径为6mm，光源要放在焦点f上，点(f，3)应是焦面上的一点，带入到上述抛物线方程(1)中，可求得抛物线焦距f＝1.5mm，则抛物线方程为：

y²＝6x(2)

抛物线绕中心轴线旋转就可以得到反光杯抛物曲面的方程。

参见图4，为了获得高准直光源，本发明采用耦合透镜组与光纤5及透镜6相结合的方法对光源进行准直，光纤为多模光纤。耦合透镜组主要用来聚焦，使光束能够高效率的耦合到光纤5中，多模光纤5用来限制发散角，同时还起到使出射光能量均匀的作用，透镜6用于准直扩束。

LED光源与光纤的耦合采用透镜组耦合的方法，透镜耦合是将光源发出的光经过透镜组聚焦，使其聚焦到光纤的纤芯上，让大部分光都进入光纤中。用ZEMAX光学设计软件对耦合透镜组进行优化设计与仿真，聚焦透镜组结构如图5所示，由三个单透镜和一个双胶合透镜组成：单透镜Ⅰ1、单透镜Ⅱ2将大面积的近平行光汇聚并缩短光路结构；双胶合透镜3为消色差负透镜，可将汇聚光束转变为小面积的平行光，单透镜Ⅲ4将该平行光聚焦进入光纤5前端面。

本发明采用光纤来实现光均匀性。光纤匀光分为两个部分，一是波前分割，即将光波分成多个波前；二是波前重组，即将分割的波前进行重组，产生均匀光波。光纤匀光原理如图6所示，从入射面上点B发出的光线，经光纤反射后，反射光线CD相当于从虚光点B1发出的光线。这样入射面上每个光点(如B)经过一次反射就对应一个虚光点(如B1)，随着光线反射次数的增多，虚光源的个数也不断增加，光束相当于由多个虚光源发出的光线，将光波分成多列波，即实现光波波前分割。这些光波经过光纤内通过不同的反射路径，在光纤的输出端面相遇，光波发生叠加，光纤输出面上的每个点都是光源不同角度光的叠加，得到较均匀的光波，即完成波前重组。最终达到均匀光斑的目的。

根据以上所述原理和方法，用ZEMAX光学设计软件对系统光路进行模拟仿真，选择LED波长为530nm，将光源设置为朗伯光源，并给每个LED加入反光杯，确定好光源头后，光源出射光的大部分为平行光。再选用由三个单透镜和一个双耦合透镜组成的耦合透镜组将平行光聚焦为一个小光斑。

设计耦合透镜组系统参数为：波长530nm，入瞳直径80mm，视场0.1°。

单透镜Ⅰ1：焦距500mm，厚度6.1mm，通光口径80mm；

单透镜Ⅱ2：焦距500mm，厚度6.1mm，通光口径80mm；

双胶合透镜3：焦距-100mm，厚度4.6mm，通光口径25.4mm；

单透镜Ⅲ4：焦距120mm，厚度5mm，通光口径30mm；

单透镜Ⅲ4的像平面(即光纤前端面)接收到的光能量分布如图7所示，由所述光路耦合聚焦的光斑面积小且能量高，利于光纤传播。

在用Zemax软件进行设计仿真过程中，将光纤耦合效率、光纤前端面接收到的光斑半径(即像高)作为主要的评价函数，经过多次优化之后得到的耦合系统参数如下：

耦合系统参数：

为了与上述透镜组输出端的像方数值孔径相匹配，取光纤数值孔径NA为0.65，纤芯直径2mm，计算得到理想光线追迹下光纤像方耦合效率如图8所示。可见，经设计的聚焦透镜组进行耦合后，理论上光纤的耦合效率能达到100％。但在实际光路追迹中，由于有多种因素影响光的传播和光纤耦合，考虑光的偏振和散射现象，耦合效率会有所下降，如图9所示，光纤耦合效率为69.747％。

为了说明该准直方法的有益效果，按照图1搭建准直光路实验系统。

单透镜Ⅰ1，型号为GCL—010124，材料为K9玻璃；

单透镜Ⅱ2，型号为GCL—010124，材料为K9玻璃；

双胶合透镜3是由双胶合消色差负透镜构成的耦合透镜，型号为GCL—010715，正透镜材料为冕牌玻璃，负透镜材料为火石玻璃；

单透镜Ⅲ4，型号为GCL—010222，材料为K9玻璃；

光纤5是多模光纤，NA为0.65，纤芯直径2mm；

单透镜Ⅳ6是准直透镜，型号为GCL—010122，材料为K9玻璃；

上述透镜相关参数见表1。

表1中单透镜的结构参数如图10所示，与表1中各数据对应。检验发散角压缩效果的测量原理如图11所示，测光束两个截面的距离和半径差求出发散角。实验测得的像平面位置和该位置上的光斑直径数据拟合曲线如图12所示：

$tan\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}D/2}{\mathrm{\Δ}l}=\frac{0.0073}{2}=0.00365$

从中可以解出系统出光发散角为：2θ＝7.3mrad。

由此，经所述结构后，LED光可将120°的大发散角转化为mrad量级，实现了高准直性。

近几年来，随着半导体技术的发展，绿色环保光源Light-emittingdiode:LED技术得到飞速发展，目前已能生产出数W级的大功率LED。LED作为电致发光半导体器件，具有丰富的波长，发光效率高，能量消耗低，是气溶胶理想的探测光源。但是，LED作为雷达探测光源的突出缺点是单个能量不足，LED的另一个问题是出光发散角很大，一般在90°-120°之间。所以，在技术上，只要能提高LED光源的输出光功率，压缩发散角，就能够作为雷达光源用于低层大气气溶胶探测。

本发明利用透镜组合与光纤对大发散角的LED光进行高度准直，并且以高效的组合方式解决了单个LED发光能效低的问题。结构简单，操作简便，解决了LED应用在大气探测领域的诸多问题，使其在该领域有更广泛的应用。

表1系统相关参数

型号	φ(mm)	F(mm)	Fc(mm)	Tc(mm)	Te(mm)
						GCL—010122	76.2	175.0	165.8	14.0	5.6
GCL—010124	76.2	500.0	494.7	8.0	5.2
						GCL—010222	30	120	118.7	5	3.2
GCL—010715	25.4	-100	-102.37	4.6	5.95

Claims (2)

1.一种小型雷达探测系统的光源装置，其特征在于：包括W级大功率发光二极管组、透镜组、光纤(5)和单透镜Ⅳ(6)，所述发光二极管发出的光束经所述透镜组聚焦，进入所述光纤(5)；所述发光二极管不少于九个且组成阵列，所述透镜组前每个发光二极管都设有一个反光杯；所述反光杯为抛物曲面反光杯，其母线为抛物线；

所述透镜组包括三个单透镜(1,2,4)和一个双胶合透镜(3)，其中两个单透镜(1,2)设置在所述双胶合透镜(3)前，其余一个单透镜(4)设置在所述双胶合透镜(3)后，单透镜Ⅳ(6)设置在光纤(5)之后。

2.如权利要求1所述雷达探测系统的光源装置，其特征在于：所述光纤(5)的出射光经单透镜Ⅳ(6)准直扩束。