CN104142497A - 一种新型相干测风激光雷达望远镜系统 - Google Patents

一种新型相干测风激光雷达望远镜系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型相干测风激光雷达望远镜系统，属于激光雷达探测大气领域，包括扫描控制器4和两个相同的具有一定夹角的离轴反射望远镜；两个离轴反射望远镜以扫描控制器为中心，以相同距离相隔一定夹角放置；每个离轴反射望远镜由主镜1、次镜2和补偿镜3组成；扫描控制器4由一部扫描电机及一个平面反射镜组成；由扫描控制器4上的反射镜的偏转，进行2个望远镜光路的切换，实现2个望远镜的探测。该望远镜系统能够对同一位置的不同方向进行探测，环境适应能力强，弥补了现有单望远镜系统口径小、光能损失大、视场小、中心遮拦、体积大等缺点，能同时满足相干测风激光雷达体积紧凑、探测精度高、范围大、稳定性好、相对成本较低等要求。

Description

一种新型相干测风激光雷达望远镜系统
技术领域
本发明涉及一种新型相干测风激光雷达望远镜系统，属于激光雷达探测大气领域。
技术背景
大气风场作为大气水循环、大气碳循环、海气交换、气溶胶运输及天气变化的主要动力，是气候学和大气动力学研究的重要参数。高层大气风场对大气物理、航天器的发射和运行、中长期天气预报等的研究具有重要影响。中层大气风场随时间和空间变化的情况对于研究大气动力学尤其是大气中各种波动以及大气中粒子成分的组成非常重要；低层大气风场的变化直接涉及到温度、湿度的变化，与短期的天气预报和气候变化等直接相关，尤其是对机场风场、台风走向探测等方面的准确探测和预测，可以有效的减少各种灾难的发生。大气风场的精度探测，对提高全球气候变化的预测能力和数值天气预报的精确度有着重要作用。
相干测风激光雷达是一种新型的测风手段，利用多普勒原理、外差探测技术，使用激光作为载波信号，可以与大气中的分子和气溶胶粒子相互作用产生回波信号，是目前实现全球、全天候的风场观测的最佳方案。相比多普勒声雷达和微波雷达，具有晴空测量精度高、响应速度快、探测范围大并且可以同时获得三维廓线内的风速及风向分布等优点。
望远镜是相干测风激光雷达的主要光学部件，由于相干测风激光雷达需要口径很大，所以透射式伽利略结构是不适宜的，大功率的激光导致空气击穿，透射式系统一般都有固定的带宽，只能是用于一定范围内的波长，且材料较少不易加工，成本也高。传统反射式系统虽然比较容易制成大口径望远镜，不存在色差，但也有诸如视场较小，中心遮挡的问题。
为了能够探测水平风速和风向，需要对同一个位置采用不同的方向进行探测，有单望远镜扫描和多个望远镜固定方向探测两个不同的方法，扫描方式只需要一个望远镜，会比多个望远镜的方式在重量上降低一些，但是电机带动高质量扫描部件的不稳定性与用于天基的大口径扫描部件加工的困难性给系统探测带来了很多风险。现有单望远镜探测技术的大口径扫描光楔材料难以获取且价格昂贵、光学精度不高且扫描要求功率大，都不能同时满足相干测风激光雷达系统大范围、高精度、稳定性好、小型化、相对成本较低等要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有相干测风激光雷达望远镜系统的缺陷，提出一种新型相干测风激光雷达双离轴反射式望远镜系统，最终得到一种体积紧凑、探测精度高、范围大、稳定性好、相对成本较低的相干激光测风雷达望远镜系统。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种新型相干测风激光雷达望远镜系统，包括扫描控制器和两个相同的具有一定夹角的离轴反射望远镜；两个离轴反射望远镜以扫描控制器为中心，以相同距离相隔一定夹角放置；每个离轴反射望远镜由主镜、次镜和补偿镜组成；扫描控制器由一部扫描电机及一个平面反射镜组成；由扫描电机上的反射镜的偏转，进行2个望远镜光路的切换，实现2个望远镜的探测；从激光光源出射的光经由扫描电机上的反射镜反射进入望远镜的补偿镜，然后经过补偿镜折射至望远镜次镜，再经由倾斜的次镜反射至望远镜主镜，由大口径望远镜主镜发射到大气中；激光作为载波信号，与大气中的分子和气溶胶粒子相互作用产生回波信号，从大气中返回的回波信号由同一望远镜进行接收，经由望远镜的主镜、次镜、补偿镜至扫描电机上的反射镜，反射至后续光路中。
所述望远镜主镜为前表面为非球面、后表面为平面的反射镜，前表面镀增强反射膜，采用铝合金材料、微晶玻璃或碳化硅制成。
所述望远镜次镜为前表面为非球面、后表面为平面的反射镜，前表面镀增强反射膜，采用铝合金材料、微晶玻璃或碳化硅制成。
所述补偿镜为前表面为非球面、后表面为平面的平凹透镜，用于增加望远镜系统像差优化过程中的自由度和优化范围，补偿所述主镜和次镜的残余像差。
有益效果：
对比现有相干测风激光雷达采用的单望远镜系统，本发明提出的双离轴反射式望远镜系统，由扫描控制器进行不同光路的切换，根据承载平台不同，搭载在固定平台能够对不同方向进行探测，或者搭载在移动平台(如车载、机载、舰载或星载等)能够对同一个位置的不同方向进行探测。本发明提出的双离轴反射式望远镜系统环境适应能力强，在-40℃到60℃范围内均可正常工作。与透射式结构相比，离轴反射式结构体积小，无内部焦点可避免大功率的激光导致空气击穿。与共轴反射式结构相比，离轴反射式结构避免中心遮拦，防止中心的探测能量及回波信号损失，提高后续的外差探测效率。弥补了现有单望远镜系统口径小、光能损失大、视场小、中心遮拦、体积大等缺点，能同时满足相干测风激光雷达体积紧凑、探测精度高、范围大、稳定性好、相对成本较低等要求。
附图说明
图1为本发明中的新型相干测风激光雷达望远镜系统结构示意图；
图2为本发明中的新型相干测风激光雷达望远镜系统中望远镜的光学结构图；
图3为本发明中的新型相干测风激光雷达望远镜系统中望远镜的光路图；
图4为本发明中的新型相干测风激光雷达望远镜系统中望远镜的调制传递函数曲线图；
图5为本发明中的新型相干测风激光雷达望远镜系统中望远镜的波前差图；
附图标记：1-主镜、2-次镜、3-补偿镜、4-扫描控制器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
如图1所示为基于本发明的一种新型相干测风激光雷达双望远镜系统，本系统由扫描控制器4和2个具有一定夹角的离轴反射望远镜构成。每个望远镜有效发射口径为500mm，放大倍数为40倍，包括主镜1、次镜2、以及补偿镜3。主镜1和次镜2为反射镜，补偿镜3为平凹透镜。此望远镜结构不存在中心遮拦，防止了中心的探测能量及回波信号损失，在-40℃～+60℃工作温度范围内具有良好的成像质量。所述望远镜的主镜和次镜均采用前表面为非球面、后表面为平面的反射镜，采用铝合金材料、微晶玻璃或碳化硅等材料制成。扫描控制器4由一部扫描电机及一个平面反射镜组成；由扫描电机上的反射镜的偏转，进行2个望远镜光路的切换，实现2个望远镜的探测。
对于大口径的望远镜，由于透射式材料的限制(透射材料的色散、性价比差、大体积材料的难获取和制作等)，一般都是采用反射式的结构。在很多的系统里采用两片式的反射式结构，如经典的卡塞格林系统、格里高利系统、R-C系统等。为了能够增加像差优化中的自由度，增加可优化的范围，本发明采用的望远镜选取两片反射镜加一片补偿镜的形式。
红外光学系统受温度变化的影响非常明显，光学系统在不同温度下成像质量的好坏对目标探测具有较大的影响。工作环境温度的变化会引起光学元件物理特性的变化(即半径、厚度、空气间隔等)，透镜的折射率也随之变化，这些影响会导致系统失焦或元件偏差。红外材料的折射率温度系数较大，远大于可见光材料，可导致像面漂移。在环境温度变化条件下，热离焦量远远超出了焦深范围，必须消除热差的影响。光学系统无热化技术就是指通过特殊设计或一定的补偿方法使光学系统在一个较大的温度范围内保持像质稳定。通过比较各种消热差的方法，选择了重量轻、无功耗、可靠性好的光学被动消热差方法。
在材料的选择上，反射镜材料可选的种类也比较多，如碳化硅(SiC)，熔融硅(Fused silicon)，微晶玻璃(Zerodur)等，这些材料的温度膨胀系数低，而且比刚度相对较好(不容易变形)。补偿镜3选用的材料ZnSe的折射率温度系数在1.15μm波长处约为7.0×10-5K-1，在3.39μm波长处约为6.2×10-5K-1，估算它在2μm波长处的折射率温度系数约为6.5×10-5K-1。
具体的光学结构如图2所示，具体参数如表1所示，望远镜光路图如图3所示，从激光光源出射的光经由扫描电机上的反射镜反射进入望远镜的补偿镜3，然后经过补偿镜3折射至望远镜次镜2，再经由倾斜的次镜2反射至望远镜主镜1，由大口径望远镜主镜1发射到大气中。激光作为载波信号，与大气中的分子和气溶胶粒子相互作用产生回波信号，从大气中返回的回波信号由同一望远镜进行接收，经由望远镜的主镜1、次镜2、补偿镜3至扫描电机上的反射镜，反射至后续光路中。
表1 望远镜系统参数
调制传递函数(MTF)是评价光学系统的主要方法，如图4所示，调制传递函数曲线表明各个视场(0°、±0.0022°、±0.0031°)的弧矢(S)和子午(T)面的调制传递函数曲线已经和衍射极限(TS DIFF.LIMIT)曲线相重合，说明像差控制得很好。
在高精度的望远镜系统里，波前均方差要达到1/10波长，为了能进一步的清楚的评价像质，参看波前差图。如图5所示，在理想条件下的2μm各视场(单位：毫弧度mrad)波前均方差最高为0.0021λ，满足波前均方差达到1/10波长的要求。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种新型相干测风激光雷达望远镜系统，其特征在于，包括扫描控制器4和两个相同的具有一定夹角的离轴反射望远镜；两个离轴反射望远镜以扫描控制器4为中心，以相同距离相隔一定夹角放置；每个离轴反射望远镜由主镜1、次镜2和补偿镜3组成；扫描控制器4由一部扫描电机及一个平面反射镜组成；由扫描电机上的反射镜的偏转，进行2个离轴反射望远镜光路的切换，实现2个离轴反射望远镜的探测；从激光光源出射的光经由扫描电机上的反射镜反射进入望远镜的补偿镜3，然后经过补偿镜3折射至次镜2，再经由倾斜的次镜2反射至主镜1，最后由主镜1发射到大气中；激光作为载波信号，与大气中的分子和气溶胶粒子相互作用产生回波信号，从大气中返回的回波信号由同一望远镜进行接收，经由主镜1、次镜2、补偿镜3至扫描电机上的反射镜，反射至后续光路中。
2.根据权利要求1所述的一种新型相干测风激光雷达望远镜系统，其特征在于，所述主镜1为前表面为非球面、后表面为平面的反射镜，前表面镀增强反射膜，采用铝合金材料、微晶玻璃或碳化硅制成；所述次镜2为前表面为非球面、后表面为平面的反射镜，前表面镀增强反射膜，采用铝合金材料、微晶玻璃或碳化硅制成；所述补偿镜3为前表面为非球面、后表面为平面的平凹透镜。
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