CN104155639A - 收发一体激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

收发一体激光雷达装置，偏振激光器发出的光经扩束后经锥透镜a和锥透镜b(或柱形玻璃)由偏振分束器反射，再经四分之一波片后通过凹透镜进入卡塞格林望远镜平行发射进入大气；回波经卡塞格林望远镜、凹透镜再经四分之一波片，经偏振分束器后由接收透镜送至光电探测器；锥透镜a锥透镜b规格相同且锥面同轴相对，平行光束由锥透镜a的端面垂直进入，由锥透镜b的端面出射后变成截面为光圈的光束；柱形玻璃的光束入射端面为内凹锥面，出射端面为同前锥面相同倾角的外凸锥面；同轴光束经过柱形玻璃后变成截面为光圈的光束。本发明能够解决使用卡塞格林望远镜收发一体激光雷达装置的能量干扰和能量浪费的问题，显著改善收发一体激光雷达装置的性能。

Description

收发一体激光雷达装置
技术领域
本发明涉及一种激光雷达装置，具体涉及一种能够保证激光能量完全发射的收发一体结构激光雷达装置。
背景技术
大气信息，如风速，温度，湿度，气溶胶，云等信息对具有十分重要的作用。无论对天气预报，机场安全高效运行，大气污染物的监测，还是在军事方面的用途，都有十分重要的作用。尤其激光雷达的测量信息时空分辨率高，能够连续测量，相比传统的大气探测方式而言优势明显。
传统的激光雷达，光路一般分为同轴模式及收发分离的非同轴模式两种。但不论同轴模式还是收发分离的非同轴模式，两者之间光路上的稳定性没有差别，发射光路或者接收光路有很小的改变，就会极大的影响信号光的探测接收。因此一般的激光雷达系统每次测量前都要进行光路的调节，将光路调节至最佳状态再开始工作。即使这样，测量时间较长的情况下回波强度也会发生比较明显的减弱，需要不时的进行光路的调节来保证测量。
而收发一体系统就很好的解决了光路稳定性的问题。因为收发光路是一体的，即使出现微小的变动，发射同接收光路向一个趋势同时改变，也不会影响回波信号的接收。在光源光束不变的情况下回波信号的聚焦位置也基本不会发生变化。因此，收发一体激光雷达系统相较传统光路的激光雷达系统，光路稳定性有本质性的提高。调节完成后再次测量基本不需要调节。
高性能激光雷达系统接收一般都使用卡塞格林式的望远镜进行回波的接收采集。由于收发光路空间上的重叠性，收发一体系统需要使用偏振的手段进行发射光及回波信号的分离。即使这样，仍然无法保证光轴及附近处光路的合理性。
由于卡塞格林式望远镜次镜为凸面反射镜，光轴中心处一小区域内的光会直接反射进入接收系统，对灵敏度极高的探测器造成损坏。光轴附近一定半径范围内的发射光经过反射后并不能照射在主镜上发射出去，又会照成激光能量的浪费。并且考虑到光束中心能量密度是最高的，这种使用卡塞格林望远镜对能量的损失占到了光源能量相当大的比例。
现有卡塞格林结构的收发一体激光雷达系统为了解决光轴光直接反射的问题，在望远镜前的光轴处增加一个很小的遮挡装置，防止直接反射的发生。但是这样依然没有解决对发射能量的浪费问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种保证光束完全出射，消除卡塞格林次镜直接反射干扰的收发一体激光雷达装置，以弥补已有技术的不足。
本发明通过对现有收发一体激光雷达系统的改进，解决现有系统中存在的问题。通过改变进入望远镜前发射光的形状，将其变为合适大小的环形，经过望远镜次镜反射后所有能量都可以发射，不会造成激光器能量的浪费，也消除了次镜直接反射的影响。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种收发一体激光雷达装置，其特征在于包括偏振激光器，所述偏振激光器发出的光经过扩束镜进行扩束，然后经过由锥透镜a和锥透镜b后由偏振分束器进行反射，再经过四分之一波片后，通过凹透镜将光束匹配进入卡塞格林望远镜平行发射进入大气；回波经过卡塞格林望远镜、凹透镜变为平行光，再经过四分之一波片，通过偏振分束器透射后由接收透镜将信号光采集送至光电探测器，数据采集系统将采集到的光电探测器的输出数据传输至数据处理计算机，由数据处理计算机反演得到相关的信息；所述的锥透镜a和锥透镜b规格相同，且两个锥透镜锥面同轴相对，由扩束镜发出的平行光束由锥透镜a的端面垂直进入，由锥透镜b的端面出射后变成截面为光圈的光束。
上述收发一体激光雷达装置还包括锥透镜距离调节装置，所述的锥透镜距离调节装置用于调节两个锥透镜的距离。该设计可以自由的调节两个锥透镜的距离，从而保证不同的需求。
本发明的另一种方案如下：一种收发一体激光雷达装置，其特征在于包括偏振激光器，所述偏振激光器发出的光经过扩束镜进行扩束，然后经过柱形玻璃，由偏振分束器进行反射，再经过四分之一波片后，通过凹透镜将光束匹配进入卡塞格林望远镜平行发射进入大气；回波经过卡塞格林望远镜、凹透镜变为平行光，再经过四分之一波片，通过偏振分束器透射后由接收透镜将信号光采集送至光电探测器，数据采集系统将采集到的光电探测器的输出数据传输至数据处理计算机，由数据处理计算机反演得到相关的信息；所述的柱形玻璃的光束入射端面为内凹锥面，出射端面为同前锥面相同倾角的外凸锥面；同轴光束经过柱形玻璃后变成截面为光圈的光束。
本发明将光束变为光圈光束后，解决了光轴一小区域范围的光上直接发射进入接收系统的问题，也使激光全部出射，显著提高了效率。
附图说明
图1是本发明使用两个锥透镜的收发一体整体系统结构示意图。
图2是本发明使用一个柱形玻璃的收发一体整体系统结构示意图。
图3是本发明采用两个锥透镜的光路效果示意图。
图4是本发明采用柱形玻璃的光路效果示意图。
其中，1.激光器，2.扩束镜，3.偏振分束器，4.四分之一波片，5.凹透镜，6.卡塞格林望远镜，7.接收透镜，8.光电探测器，9.数据采集系统，10.数据处理计算机，11.锥透镜a，12.锥透镜b，13.柱形玻璃。
具体实施方式
如图1所示，本发明的采用两个锥透镜的方案，偏振激光器1发出的光经过扩束镜2进行扩束，然后经过由锥透镜a11和锥透镜b12，由偏振分束器3进行反射，再经过四分之一波片4后，通过凹透镜5将光束匹配进入卡塞格林望远镜6，平行发射进入大气。回波经过卡塞格林望远镜6，凹透镜5变为平行过，再经过四分之一波片4，通过偏振分束器3，透射后由接收透镜7将信号光采集送至光电探测器8，数据采集系统9采集到的数据由数据处理计算机10反演得到相关的信息，两个，锥透镜a11和锥透镜b12锥面同轴相对，距离可调节，如图3所示，平行光束由一个端面垂直进入，由另一个端面出射后变为截面为光圈的光束。
上述收发一体激光雷达装置还包括锥透镜距离调节装置，所述的锥透镜距离调节装置用于调节两个锥透镜的距离。该设计可以自由的调节两个锥透镜的距离，从而保证不同的需求。显然该锥透镜距离调节装置可用现有技术实现，因而图中未标出。
而锥角越大，锥透镜之间距离越长，光圈内径及外径就越大；而后方卡塞格林望远镜对光圈内径有最小值限制，对外径有最大值限制，来确保光能够完全发射。这样本发明的上述方案可以通过选定不同类型的卡塞格林望远镜、不同锥角的锥透镜以及两个锥透镜的距离来实现不同的技术效果。
本发明另一方案采用一个柱形玻璃，如图2所示。偏振激光器1发出的光经过扩束镜2进行扩束，然后经过柱形玻璃13，由偏振分束器进行反射3反射，再经过四分之一波片4后，通过凹透镜5将光束匹配进入卡塞格林望远镜6，平行发射进入大气。回波经过卡塞格林望远镜6，凹透镜5变为平行过，再经过四分之一波片4，通过偏振分束器3,透射后由接收透镜7将信号光采集送至光电探测器8，数据采集系统9采集到的数据由数据处理计算机10反演得到相关的信息，柱形玻璃13为一根玻璃柱，光束入射端面为内凹锥面，出射端面为同前锥面相同倾角的凸出锥面，长度和锥角同样可以根据需要而确定，如图4所示，光束同轴经过柱形玻璃后也能变为截面为光圈的光束。
显然，该方案同样可以搭配不同锥角与长度的柱形玻璃13与卡塞格林望远镜实现不同的技术效果。
实施例
上述偏振激光器1可以采用已有偏振激光器，脉冲激光器或非脉冲激光器，如各种固体激光器、光纤激光器。例如，选用photonics公司的倍频Nd:YAG脉冲激光器，单脉冲能量140mJ，重复频率100Hz。
上述望远镜6采用卡塞格林望远镜，如美国Celestron公司生产的820mm卡塞格伦望远镜。
上述扩束镜2可选用10倍扩束的即可。
上述偏振分束器3，四分之一波片4，凹透镜5，接收透镜7，使用已有的光学用玻璃器件。
上述光电探测器8可以选用高灵敏度和高速响应的光电二极管、光电倍增管或者电荷耦合器件(CCD)，如滨淞光子公司的光电倍增管Electron tubes9893/350。
数据采集系统9，可选用德国Licel公司的TR16-160数据采集系统。
数据处理计算机10可以使用普通计算机。
锥透镜a11和锥透镜b12可以使用已有的光学用锥透镜，柱形玻璃13联系相关的光学厂家根据需要规格进行订做。

Claims (6)

1.一种收发一体激光雷达装置，其特征在于包括偏振激光器(1)，所述偏振激光器(1)发出的光经过扩束镜(2)进行扩束，然后经过由锥透镜a(11)和锥透镜b(12)后由偏振分束器(3)进行反射，再经过四分之一波片(4)后，通过凹透镜(5)将光束匹配进入卡塞格林望远镜(6)平行发射进入大气。回波经过卡塞格林望远镜(6)、凹透镜(5)变为平行光，再经过四分之一波片(4)，通过偏振分束器(3)透射后由接收透镜(7)将信号光采集送至光电探测器(8)，数据采集系统(9)将采集到的光电探测器(8)的输出数据传输至数据处理计算机(10)，由数据处理计算机(10)反演得到相关的信息；所述的锥透镜a(11)和锥透镜b(12)规格相同，且两个锥透镜锥面同轴相对，由扩束镜(2)发出的平行光束由锥透镜a(11)的端面垂直进入，由锥透镜b(12)的端面出射后变成截面为光圈的光束。
2.如权利要求1所述的收发一体激光雷达装置，其特征在于还包括锥透镜距离调节装置，所述的锥透镜距离调节装置用于调节两个锥透镜的距离。
3.一种收发一体激光雷达装置，其特征在于包括偏振激光器(1)，所述偏振激光器(1)发出的光经过扩束镜(2)进行扩束，然后经过柱形玻璃(13)，由偏振分束器(3)进行反射，再经过四分之一波片(4)后，通过凹透镜(5)将光束匹配进入卡塞格林望远镜(6)平行发射进入大气；回波经过卡塞格林望远镜(6)、凹透镜(5)变为平行光，再经过四分之一波片(4)，通过偏振分束器(3)透射后由接收透镜(7)将信号光采集送至光电探测器(8)，数据采集系统(9)将采集到的光电探测器(8)的输出数据传输至数据处理计算机(10)，由数据处理计算机(10)反演得到相关的信息；所述的柱形玻璃(13)的光束入射端面为内凹锥面，出射端面为同前锥面相同倾角的外凸锥面；同轴光束经过柱形玻璃后变成截面为光圈的光束。
4.如权利要求1、2或3所述的收发一体激光雷达装置，其特征在于上述偏振激光器(1)是偏振激光器，脉冲激光器或非脉冲激光器。
5.如权利要求1、2或3所述的收发一体激光雷达装置，其特征在于上述扩束镜(2)为10倍扩束。
6.如权利要求1、2或3所述的收发一体激光雷达装置，其特征在于上述光电探测器(8)选用高灵敏度和高速响应的光电二极管、光电倍增管或者电荷耦合器件(CCD)。
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