CN104898108A - 基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装置。本发明解决了激光雷达中因单个望远镜接收面积小导致回波信号弱，进而限制有效探测距离的难题。本发明以多个望远镜组合代替传统激光雷达中单个望远镜，利用对称布置的接收光路，经过特殊设计的反射棱镜，保证不同望远镜接收到的、发生在同一区域的后向散射回波信号被光电探测器同步记录，使得望远镜阵列等价于单个更大口径的望远镜，从而凭借更大的接收面积增加系统的回波信号强度和有效探测范围。相比较于增加单个望远镜口径的方式，望远镜阵列法可以大大降低成本。该方法适用于所有利用望远镜作为接收器件的激光雷达系统，为激光雷达技术的普及和发展提供新的方向。

Description

基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装置

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装置。

背景技术

大气遥感激光雷达技术是一种主动式的实时探测技术，其基本原理是向目标大气发射一束高质量的激光，利用望远镜等装置接收多种粒子后向散射的回波信号，通过光学元件和电子器件对回波信号进行分析对比，最终反演出大气中粒子的种类，浓度，运动状态和温度等有用信息。激光雷达技术的主要难点在于回波信号的强度太弱，使得其对激光器脉冲能量，望远镜接收面积，光学元件和电子器件等都有很高的要求，进而导致激光雷达系统成本很高。如果要在现有的激光雷达基础上进一步增加回波信号的强度或者扩大有效探测范围，常采用的方法有：加大激光器脉冲能量；使用口径更大的望远镜；应用性能更加优良的光电探测器等。鉴于一般激光雷达采用的都是高脉冲能量的激光器，如果想在已有激光器条件下继续增加脉冲能量，并且保证发射激光的脉宽、Jitter时间等参数都符合激光雷达的要求，其成本会急剧上升，而且高能量激光带来的危险系数也随之加大。激光雷达系统采用的光电探测器性能都非常优越，暂时很难有较大的突破。因此，增加接收面积成为继续提高激光雷达性能最直接，也是最简便的方法。但是大口径望远镜的加工难度远远高于小口径望远镜，故其价格是小口径望远镜的数倍甚至数十倍，而且大口径望远镜的尺寸也存在上限。

发明内容

本发明的目的是克服激光雷达中单个望远镜接收面积小的困难，提出一种基于望远镜阵列的激光雷达光学接收装置，通过多个相同望远镜阵列的方式加大激光雷达系统的接收面积。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达，包括激光器、望远镜阵列、视场光阑、准直透镜、反射棱镜、后续光路处理模块、光电探测器；望远镜阵列中各望远镜相对于激光器发射出的激光旋转对称分布，各望远镜的光轴与出射激光光轴互相平行且等距，使得重叠因子相同。

激光器发射的激光入射到某一目标区域大气，由该区域中粒子后向散射生成的回波信号被望远镜阵列中各望远镜同时接收，形成多个相对于发射激光旋转对称分布的接收光路；每个光路被各自光路上的视场光阑滤除视场外的背景光，经准直透镜后变为平行光，再由同一个反射棱镜将上述所有光路中方向不同的平行光转折汇聚为方向相同的反射光，通过后续光路处理模块进行滤波、再汇聚，最后被光电探测器同时接收。

所述的望远镜阵列可以由两个望远镜组成，称为双望远镜阵，同理还可以根据探测需要设置三望远镜阵列、四望远镜阵列甚至多望远镜阵列。

所述的望远镜阵列包括n个望远镜，n≥2；若n＝2时，对应的反射棱镜是等腰直角棱镜；若n≥3时，对应的反射棱镜要求是底面为正n边形的等腰棱锥，底边D和腰H之间需要满足

$H=\frac{D}{2\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{n}\right)}\sqrt{1+{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{n}\right)}(n=\mathrm{3,4,5,6}........).---\left(1\right)$

进一步地，所述的反射棱镜的反射面均镀增反膜。

本发明的有益效果：

本发明用望远镜阵列代替传统激光雷达中的单个望远镜，利用旋转对称分布的接收光路，结合与望远镜对应的反射棱镜，保持各个望远镜出射的回波信号到光电探测器的光程相同，同一大气区域回波信号被同步探测，使得望远镜阵列等价于单个更大口径的望远镜，从而以一种较低成本的方式加大激光雷达系统的接收面积，增加激光雷达系统的回波信号强度和有效探测范围。

附图说明

图1是基于双望远镜阵列的激光雷达系统示意图；

图2是基于双望远镜阵列激光雷达系统俯视图；

图3是适用于双望远镜阵列激光雷达系统中的反射棱镜示意图；

图4是基于三望远镜阵列的激光雷达系统俯视图；

图5是适用于三望远镜阵列激光雷达系统中的反射棱镜示意图；

图6是基于四望远镜阵列的激光雷达系统俯视图；

图7是基于多望远镜阵列的激光雷达系统俯视图；

图8是适用于四望远镜阵列激光雷达系统中的反射棱镜示意图。

其中1为激光器，2为望远镜，3为望远镜副镜，4为视场光阑，5为准直透镜，6为反射棱镜，7为后续光路处理模块，8为光电探测器，9为发射激光光束。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

基本的激光雷达方程是

$P\left(r\right)=\mathrm{CY}\left(r\right)\frac{A}{r^2}\mathrm{\β}\left(r\right)T^2\left(r\right),---\left(2\right)$

式中P(r)表示回波信号强度，C表示系统常数，包括发射激光的能量，系统的透过率等，Y(r)是发射激光与望远镜视场的重叠因子，β(r)表示后向散射系数，T²(r)指大气消光系数，A是望远镜的有效接收面积。从上式可以看出，回波信号强度与接收面积成正比，通过增加接收面积来加大有效探测距离是很多激光雷达系统的优先选择。

图1表示了双望远镜阵列作为接收器件的大气遥感激光雷达系统示意图。图中激光器1向目标大气中发射一束高质量的激光，经过大气中多种粒子的消光、散射、吸收等作用之后，后向散射回波信号分别由两个望远镜2同时接收，并经望远镜副镜3反射的回波信号被视场光阑4滤除视场之外的背景光，经准直透镜5后变为平行光，再由反射棱镜6将来自两个望远镜2的方向相反的回波信号变为方向相同的反射光，通过后续处理光路模块7进行滤波，汇聚，最后被光电探测器8记录。由式(2)得到双望远镜阵列的激光雷达方程为

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1\left(r_1\right)=C_1{Y}_1\left(r_1\right)\frac{A_1}{{r_1}^2}\mathrm{\β}\left(r_1\right)T^2\left(r_1\right)\\ P_2\left(r_2\right)=C_2{Y}_2\left(r_2\right)\frac{A_2}{{r_2}^2}\mathrm{\β}\left(r_2\right)T^2\left(r_2\right)\end{array}\right.,---\left(3\right)$

为了达到增加接收面积的目的，需要将两个望远镜等价于一个更大口径的望远镜，要求满足的条件有

Y₁(r)＝Y₂(r)，              (4)

同时还要求来自不同望远镜的、经过同一区域大气后向散射的两束回波信号同时到达光电探测器，则式(3)变为

$P\left(r\right)=P_1\left(r\right)+P_2\left(r\right)=\mathrm{CY}\left(r\right)\frac{A_1+A_2}{r^2}\mathrm{\β}\left(r\right)T^2\left(r\right).---\left(5\right)$

在双望远镜阵列的基础上，还可以衍生出三望远镜阵列、四望远镜阵列等多望远镜阵列激光雷达系统，如图4、图6和图7所示，需要满足条件与上面一样，式(5)可以变为

$P\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\mathrm{CY}\left(r\right)\frac{1}{r^2}\mathrm{\β}\left(r\right)T^2\left(r\right).---\left(6\right)$

我们先考虑第二个条件：来自不同望远镜2的、经过同一区域大气后向散射的两束回波信号同时到达光电探测器，需要满足从激光出射到被光电探测器接收经过的光程一致。望远镜相对于发射光束旋转对称分布，保证了从激光出射到被不同望远镜接收，所经过的光程是相等的。同样由于阵列望远镜对称分布，不同望远镜出射的回波信号到反射棱镜6的光程也相同，但是其方向不同，甚至相反。如图1所示，反射棱镜6将来自各个对称分布望远镜、方向不同的光汇合成一束直径很小的出射光。根据不同数目的望远镜组成的望远镜阵列，本发明分别设计了不同的反射棱镜。反射棱镜需要将不同方向的平行光路都转折90°变为方向相同的平行光，将反射棱镜设计成底面是正多边形的等腰棱锥。望远镜阵列设有n个望远镜，若n＝2时，对应的反射棱镜是等腰直角棱镜；若n≥3时，对应的反射棱镜要求是底面为正n边形的等腰棱锥，底边D和腰H之间需要满足

$H=\frac{D}{2\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{n}\right)}\sqrt{1+{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{n}\right)},---\left(7\right)$

图3是等腰直角棱镜，图5中底面是正三角形的等腰三棱锥，并要求

∠O₃E₃D₃＝∠O₃F₃D₃＝∠O₃G₃D₃＝45°，                (8)

即其腰长H₃与底边边长D₃满足如下关系

$H=\sqrt{\frac{5}{12}}D.---\left(9\right)$

图8中底面是正四边形的等腰四棱锥，并要求

∠O₄F₄E₄＝∠O₄G₄E₄＝∠O₄H₄E₄＝∠O₄I₄E₄＝45°，            (10)

即腰长H₄与底边边长D₄满足如下关系

$H=\frac{\sqrt{3}}{2}D.---\left(11\right)$

为了尽量避免回波信号的损失，还需要对反射棱镜的每个反射面镀增反膜。图3所示的等腰直角棱镜的反射面A₂B₂D₂E₂和B₂E₂C₂F₂，图5所示的反射面A₃B₃D₃,B₃C₃D₃,A₃C₃D₃和图8所示的反射面A₄B₄E₄,B₄C₄E₄,C₄D₄E₄,D₄A₄E₄都需要镀增反膜。在偏振雷达中，则需要镀保偏增反膜。

图1中反射棱镜6之后的后续光路处理模块7，其基本功能是对回波信号进行滤波等处理。在米散射雷达中需要放置干涉滤光片，偏振激光雷达可能有干涉滤光片、半波片、四分之玻片、偏振分光棱镜等。将接收光路中的光学元件更多放置在共同光路中可以更好地保证不同回波信号经过的光程相等。经过上述所有的光路设计，使得第二个条件基本满足。

对于第一个条件，重叠因子与发射激光光轴和望远镜光轴相互位置有关。为了满足式(5)，发射激光的轴需要与两个望远镜的轴保持平行，并且间距d₁等于d₂，同样要求望远镜阵列相对于发射光束旋转对称分布。

为了减小地面到发射激光与望远镜视场完全重叠区域的距离，激光光轴应尽可能靠近望远镜光轴。由于发射激光的光斑直径很小，可以忽略其直径，如图2所示，双望远镜阵列中对于三望远镜阵列和四望远镜阵列，如图4、图6所示，发射激光光轴与各个望远镜光轴最小间距依次为根据探测范围的要求，结合激光器的条件，可以将望远镜阵列增加到更多数量，但是发射激光的光轴与望远镜轴间距会相应增大，造成发射激光与望远镜视场完全重合时高度较高，丢失较多低空大气信息，因此这里只列举到四望远镜阵列激光雷达系统。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装置，其特征在于包括望远镜阵列、视场光阑、准直透镜、反射棱镜、后续光路处理模块和光电探测器；望远镜阵列中各望远镜相对于激光器发射出的激光旋转对称分布，各望远镜的光轴与出射激光光轴互相平行且等距，使得重叠因子相同；

激光器发射的激光入射到某一目标区域大气，由该区域中粒子后向散射生成的回波信号被望远镜阵列中各望远镜同时接收，形成多个相对于发射激光旋转对称分布的接收光路；每个光路被各自光路上的视场光阑滤除视场外的背景光，经准直透镜后变为平行光，再由同一个反射棱镜将上述所有光路中方向不同的平行光转折汇聚为方向相同的反射光，通过后续光路处理模块进行滤波、再汇聚，最后被光电探测器同时接收。

2.如权利要求1所述的基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的各个望远镜出射的回波信号到光电探测器的光程相同。

3.如权利要求1所述的基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的望远镜阵列包括n个望远镜，n≥2。

4.如权力要求3所述的基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的由n个望远镜组成的望远镜阵列，其对应的反射棱镜如下：

若n＝2时，对应的反射棱镜是等腰直角棱镜；

若n≥3时，对应的反射棱镜是底面为正n边形的等腰棱锥，底边D和腰H之间需要满足

$H=\frac{D}{2\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{n}\right)}\sqrt{1+{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{n}\right)},(n=\mathrm{3,4,5,6}........).---\left(1\right)$

5.如权利要求1所述的基于望远镜阵列的新型激光雷达光学接收装置，其特征在于所述的反射棱镜的反射面均镀增反膜。