CN103217678A - 一种激光雷达接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达接收系统，其特征在于设置有一个卡塞格林式望远镜、后继接收光学单元与视场角自适应调整程序。一个卡塞格林式望远镜，卡塞格林式望远镜的焦平面位于主镜和副镜之间；激光雷达后继接收光学单元安装卡塞格林式望远镜内部；视场角自适应调整程序可以控制调整小孔光阑的孔径，实现对望远镜的视场角进行自适应调整；望远镜支撑横臂设计有直径为52mm的输出镜片座，镜片座的中心线与望远镜中心轴线共轴，镜片座的法线与望远镜中心轴线夹角为45度。不同探测波长的回波信号光通过抛物镜主镜和双曲面副镜聚焦于小孔光阑中心，被整形准平行光信号光，进入后继探测系统。

Description

一种激光雷达接收系统

技术领域

本发明涉及一种光学遥测接收装置，具体是涉及一种通过卡塞格林式望远镜、激光雷达后继接收光学单元与视场角自适应调整程序，望远镜的视场角能够根据观测条件与信号质量等因素自动调整，实现将不同波长的探测光的回波信号与发射信光进行同轴接收，具有对背景信号光强抑制能力，提高激光雷达探测。

背景技术

激光雷达接收系统为是激光雷达关键器件，其作用是将激光雷达发射的探测波长的回波信号光收集，并整形为准平行光，传递给后继探测光学系统。其性能的优劣直接影响激光雷达的有效探测距离和探测信号的信噪比。

目前一些激光雷达接收系统的“接收天线”多采用经典卡塞格林式望远镜、施密特卡塞格林望远镜或者R-C望远镜系统，这些望远镜的焦平面均位于望远镜的主镜的后面，激光雷达的后继光学单元一般根据望远镜的光学参数进行二次设计开发，不能与接收望远镜系统构成一个有机的整体，接收光学系统结构冗余，不同波长信号离焦问题严重，对激光雷达回波信号接收效率下降，进而导致激光雷达信号的信噪比降低，影响雷达系统探测效率；此外，激光雷达系统对望远镜的光学参数和机械结构有更高要求，其要求望远镜接收视场角较小，以降低天空背景光对激光雷达信号噪声，要求接收望远镜的光轴与发射光学单元不同波长的探测光共轴接收，以减少激光雷达探测的盲区，降低对数据反演结果引入的误差，要求激光雷达回波信号经接收系统后，整形为准平行的信号光，传递给探测系统，以提高系统的探测效率。目前，激光雷达系统多采用传统望远镜结构中增加小孔光阑和准直透镜，或者通过增加了一个与光轴成45°的平面反射镜的方法，将小孔光阑、及其调整结构放置转折后的光轴上，通过这种方法虽然能可以缩短光程，减小探测系统的长度，但其体积并没有得到彻底地减小，此外增加的平面反射镜，增加了接收系统对回波信号的损耗，降低了探测效率。类似的二次光学设计和开发，都不能使得激光雷达接收光学系统构成一个有机的整体，系统机械稳定性不足以满足激光雷达常规运行的需求，常因为温度和机械震动产生机械形变，导致光学系统不能正常工作，影响激光雷达系统稳定性，不利于激光雷达的日常监测应用和产业化。

此外，目前激光雷达接收光学单元中小孔光阑的孔径是固定的，或只能手动调整大小。一台调试完整的激光雷达系统正常时，如果地面污染浓度或者天气情况发生变化，使得其信号强度增大，导致探测器出现饱和或超出系统要求的阈值时，通常会增加或更换激光雷达探测器前的滤光片，降低系统的透过率，这个方法需要操作人员手动完成，不利于实现激光雷达的自动化控制与全天候的业务化运行；而当激光雷达信噪比太低，不足以满足数据反演需求时，通常采用的方法是增加激光雷达系统积分时间，这个方法不足之处在于，增加激光雷达积分时间虽然大多数情况下能够提高信噪比，但是激光雷达的时间分辨率会大大降低，而更糟糕的是如果当激光雷达的回波信号的强度小于天空背景噪声或者系统杂散光时，增加积分时间的方法是无效。而本发明中望远镜视场角自适应调整系统可以很好的解决这一问题，激光雷达系统的信号出现饱和或者超过设定阈值时，上位机会控制小孔光阑减小光阑孔径，降低接收望远镜系统视场角，进而降低望远镜的通光量，减少激光雷达回波信号的强度；当激光雷达信噪比太低时，望远镜的视场角会自动增大，增加望远镜的通光量提高信号强度。

目前存在的问题是在实际安装中，设计要求小孔光阑中心必须与卡塞格林望远镜的光轴很好的重合，而且小孔光阑不能在与光轴垂直的平面上移动，这就给机械加工精度和装配带来一定要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种通过新型卡塞格林式望远镜，包括望远镜单元、后继接收光学单元与视场角自适应调整单元，实现对不同波长的激光雷达回波信号与探测光同轴探测接收，并把信号光整形为准平行光，传递给激光雷达探测系统的光学遥测接收装置，以解决目前激光雷达光学遥测接收系统中，接收望远镜视场角无法自动调整，接收光学系统与不同波长探测光不能共轴接收，不同波长信号离焦，接收效率低，以及机械稳定性不足以满足激光雷达常规运行的需要系统的难题。

为解决上述问题，本发明的方案为：一种激光雷达接收系统，包括：卡塞格林式望远镜、后继接收光学单元与视场角自适应调整单元；所述卡塞格林式望远镜包括抛物镜主镜1和双曲面副镜2，卡塞格林式望远镜的焦平面位于抛物镜主镜1和双曲面副镜2之间；所述后继接收光学单元由小孔光阑3、胶合透镜6和第一调整法兰7及第二调整法兰8组成，后继接收光学单元安装在卡塞格林式望远镜镜筒内部，以便减少背景光对探测信号影响及压缩激光雷达系统的长度；所述抛物镜主镜1设有通光孔9；所述双曲面副镜2安装在一个四维可调整的双曲面副镜镜座4上，实现双曲面副镜2水平角、俯仰角以及轴向距离的调整；双曲面副镜镜座4安装在卡塞格林式望远镜支撑横臂10中心，支撑横臂10设计有输出镜片座5，镜片座5的中心线与卡塞格林式望远镜中心轴线共轴，镜片座5的法线与卡塞格林式望远镜中心轴线夹角为45度，保证激光雷达的发射光源与接收系统共轴发射；所述小孔光阑3安装在第二调整法兰8上，小孔光阑3的位置能够沿望卡塞格林式远镜的中心轴前后调整，小孔光阑3和抛物镜主镜1之间设置一个胶合透镜6，胶合透镜6安装在第一调整法兰7上，胶合透镜6的位置能够在卡塞格林式望远镜的中心轴线上前后调整；所述小孔光阑3位于卡塞格林式望远镜的焦点上，其孔径可在0.2mm-4mm之间调谐；小孔光阑3也位于胶合透镜6的球心上，小孔光阑3的中心点和胶合透镜6中心点以及卡塞格林式望远镜中抛物镜主镜1和双曲面副镜2的中心点同轴；激光雷达探测光束通过安装在输出镜片座5的多波长高反射镜片发射到大气中，不同探测波长的回波信号光通过抛物镜主镜1和双曲面副镜2聚焦于小孔光阑3中心，卡塞格林式望远镜视场内的回波信号光依次通过小孔光阑3和胶合透镜6，形成准备平行光信号光，进入探测系统。

所述胶合透镜6由一种低分散的冕牌玻璃(BaK-7)正透镜和一种高分散的火石玻璃（ZF-6）负透镜粘接而成的消色差透镜，用于实现最小色差。

所述输出镜片座5的直径为52mm。

所述卡塞格林式望远镜的视场角可以自动调整，视场角调整范围0.1-2mrad。

本发明与现有技术相比的有益效果：

（1）本发明者激光雷达接收光学系统将望远镜、后继光学单元和视场角自适应调整单元一体化设计，减少接收光学系统结构冗余，提高机械稳定性与可靠性。解决了因为温度和机械震动产生形变，导致激光雷达系统不能长时间全天候稳定的工作的问题。

（2）本发明中的小孔光阑其孔径可在0.2mm-4mm之间自动调谐，小孔光阑的孔径大小由激光雷达视场角自适应程序控制自动调谐，系统可以根据观测条件与信号质量等因素，自动对望远镜的视场角进行自适应调整，自适应调整的范围为0.1-2mrad，进而实现对激光雷达回波信号光通量调整。

（3）本发明中的支撑横臂设计有输出镜片座，镜片座的中心线与望远镜中心轴线共轴，镜片座的法线与望远镜中心轴线夹角为45度；系统可根据探测需求安装不同波长的全反射镜，实现对不同波长探测光共轴接收探测，减少激光雷达探测的盲区，降低对数据反演引入的误差。

（4）本发明中在小孔光阑后面使用，一种低分散的冕牌玻璃正透镜和高分散的火石玻璃负透镜粘接而成的消色差透镜，有利于对不同波长的回波信号的整形，实验表明系统能保证紫外、可见光和近红外波段的信号光的出射角度小于1度，可以满足激光雷达系统探测单元的需要，提高系统对探测效率。

附图说明

图1为本发明激光雷达接收光学设置系统图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的激光雷达接收系统，设置有一个卡塞格林式望远镜、后继接收光学单元与视场角自适应调整程序。卡塞格林式望远镜包括有一个抛物镜主镜1和一个双曲面副镜2，卡塞格林式望远镜的焦平面被设计位于抛物镜主镜1和双曲面副镜2之间；激光雷达后继接收光学单元设计安装在望远镜镜筒内部，所述的抛物镜主镜1设有通光孔9，所述卡塞格林式望远镜的光路中设置有一个孔径可调谐的小孔光阑3，所述双曲面副镜3安装在一个四维可调整的副镜镜座4上，副镜镜座4安装与望远镜支撑横臂10中心，支撑横臂10设计有直径为52mm的输出镜片座5，镜片座5的中心线与卡塞格林式望远镜中心轴线共轴，镜片座5的法线与卡塞格林式望远镜中心轴线夹角为45度；所述的激光雷达后继接收光学单元包括小孔光阑3、胶合透镜6、和调整机构组成；小孔光阑3安装于调整法兰8上，其位置可以沿卡塞格林式望远镜的中心轴前后调整，小孔光阑3和抛物镜主镜1之间设置一个胶合透镜6，胶合透镜6安装在调整法兰7上，其位置同样可以在卡塞格林式望远镜的中心轴线上前后调整，小孔光阑3位于卡塞格林式望远镜的焦点上，同时也位于胶合透镜6的球心上，所述小孔光阑3的中心点和胶合透镜6中心点以及卡塞格林式望远镜主、副镜中心点同轴；胶合透镜6由双是低分散的冕牌玻璃（Bak-7）正透镜和高分散的火石玻璃（ZF-6）负透镜粘接而成的消色差透镜。

本发明工作过程：激光雷达探测光束通过安装在输出镜片座5的多波长高反射镜片发射到大气中，探测光与大气中的颗粒物相互作用，后向散射回波信号光被望远镜接收，输出镜片做5使得激光雷达雷达接收光学单元和发射光学单元的同轴性。回波信号光经抛物面主镜1和双曲面副镜2反射后，聚焦于望远镜系统的焦平面上，调整第一调整法兰8，使得小孔光阑3的小孔平面在轴向上与望远镜的焦平面处重合，小孔的中心与望远镜焦点重合，小孔光阑3的孔径大小由其自带的伺服电机控制。调整第一调整法兰7，使得胶合透镜6的球心与小孔光阑中心重合。这样位于望远镜视场内的回波信号光会依次通过小孔光阑3和胶合透镜6，整形为一束准平行光，进入探测系统，获得具有一定幅值的激光雷达探测信号，视场角自适应调整程序根据得到探测信号判断小孔光阑3的孔径大小合适，当激光雷达系统的信号出现饱和或者超过设定阈值时，上位机会控制小孔光阑减小孔径，减小接收望远镜系统视场角，进而降低通光量，减少激光雷达回波信号的强度；当激光雷达探测信号比较弱或者信噪比太低，望远镜的视场角会自动增大，增加望远镜的通光量提高信号强度。以保证激光雷达系统能够获取稳定的有效的探测信号。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (4)

1.一种激光雷达接收系统，其特征在于包括：卡塞格林式望远镜、后继接收光学单元与视场角自适应调整单元；所述卡塞格林式望远镜包括抛物镜主镜（1）和双曲面副镜（2），卡塞格林式望远镜的焦平面位于抛物镜主镜（1）和双曲面副镜（2）之间；所述后继接收光学单元由小孔光阑（3）、胶合透镜（6）和第一调整法兰（7）及第二调整法兰（8）组成，后继接收光学单元安装在卡塞格林式望远镜镜筒内部，以便减少背景光对探测信号影响及压缩激光雷达系统的长度；所述抛物镜主镜（1）设有通光孔（9）；所述双曲面副镜（2）安装在一个四维可调整的双曲面副镜镜座（4）上，实现双曲面副镜（2）水平角、俯仰角以及轴向距离的调整；双曲面副镜镜座（4）安装在卡塞格林式望远镜支撑横臂（10）中心，支撑横臂（10）设计有输出镜片座（5），镜片座（5）的中心线与卡塞格林式望远镜中心轴线共轴，镜片座（5）的法线与卡塞格林式望远镜中心轴线夹角为45度，保证激光雷达的发射光源与接收系统共轴发射；所述小孔光阑（3）安装在第二调整法兰（8）上，小孔光阑（3）的位置能够沿望卡塞格林式远镜的中心轴前后调整，小孔光阑（3）和抛物镜主镜（1）之间设置一个胶合透镜（6），胶合透镜（6）安装在第一调整法兰（7）上，胶合透镜（6）的位置能够在卡塞格林式望远镜的中心轴线上前后调整；所述小孔光阑（3）位于卡塞格林式望远镜的焦点上，其孔径可在0.2mm-4mm之间调谐；小孔光阑（3）也位于胶合透镜（6）的球心上，小孔光阑（3）的中心点和胶合透镜（6）中心点以及卡塞格林式望远镜中抛物镜主镜（1）和双曲面副镜（2）的中心点同轴；激光雷达探测光束通过安装在输出镜片座（5）的多波长高反射镜片发射到大气中，不同探测波长的回波信号光通过抛物镜主镜（1）和双曲面副镜（2）聚焦于小孔光阑（3）中心，卡塞格林式望远镜视场内的回波信号光依次通过小孔光阑（3）和胶合透镜（6），形成准备平行光信号光，进入探测系统。

2.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于：胶合透镜（6）由一种低分散的冕牌玻璃(BaK-7)正透镜和一种高分散的火石玻璃（ZF-6）负透镜粘接而成的消色差透镜，用于实现最小色差。

3.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于：所述输出镜片座（5）的直径为52mm。

4.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于：所述卡塞格林式望远镜的视场角可以自动调整，视场角调整范围0.1-2mrad。

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