CN104898109A - 一种结构紧凑型收发一体式云信息测量系统 - Google Patents

一种结构紧凑型收发一体式云信息测量系统 Download PDF

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董云升
刘洋
赵雪松
陈臻懿
陆亦怀
刘建国
刘文清
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Abstract

本发明公开了一种结构紧凑型收发一体式云信息测量系统，包括激光发射装置、后继光学接收装置和光子信号采集装置，由云信息测量系统工控机控制半导体激光器输出1064nm激光，激光经凹面镜后穿过45度放置的中间开孔的平面反射镜，穿透消色差透镜组，并经过密封窗镜传导至大气中，其中凹面镜和消色差透镜组组成一套扩束准直装置，激光束与大气气溶胶、云、气体分子相互作用后产生的后向散射光由同一组消色差透镜组接收，经平面反射镜反射后汇聚于小孔光阑内，被凸面镜准直并经由窄带滤光片滤除白噪声的干扰后，到达雪崩二极管，雪崩二极管输出的电信号经连接线输出至光子计数采集器，光子计数器采集的回波信号由网线传输至主机内。

Description

一种结构紧凑型收发一体式云信息测量系统
技术领域
本发明涉及一种光学遥测装置，具体是涉及一种云信息测量系统的发射与接收装置，尤其是云信息测量系统的透射式同轴发射与接收装置。
背景技术
云在大气辐射中扮演着重要角色，云量、云类别、云形状、云高直接影响太阳光辐射到地面的辐射量以及红外辐射向上的辐射量，云对地面温度平衡起着重要作用，并且直接影响局部和全球的天气和气象变化。由于云的时空分布变化大，所以云高、云量很难预测和测量。半导体激光与云相互作用产生强烈的后向散射信号，通过接收云的回波信号可实现对云高的遥测，并通过长时间的概率统计实现云量的计算，半导体云高仪已成为测量云高、云量等云信息的有效手段。
市场上多采用反射式卡塞格林望远镜作为光学接收望远镜，发射单元与接收单元采用同轴和非同轴两种结构，两种结构的盲区分别在200m～300m，以及300m～400m左右，盲区过大；反射式卡塞格林望远镜的装调困难，并且经过野外长期运输，主、副镜位置容易发生变化，后期维护不便；发射单元中的最后一块反射镜用于调整反射单元和接收单元光轴平行和共轴，反射镜在调整完成后必须牢固的锁定，昼夜温差、环境四季变化将使调整架发生微量变化，由于视场角一般设计为小于等于0.5mrad，因此往往导致大气和云的后向散射信号不能被接收望远镜完全接收，极有可能将远距离的云信号丢失。按照应用部门需求，激光云高仪一般安装在野外环境，需要仪器能够长期、稳定、不间断运行，为适应此类工程应用环境，对激光云高仪进行了整体性和收发一体化的优化设计，形成一套具有高度稳定性和光路免调谐的无盲区云信息测量系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑型收发一体式云信息测量系统，实现对近地面至对流层顶的云信息(云量、云底、云高、云峰)时空分布的高时空分辨率、高精度昼夜连续遥测；基于1064nm半导体激光器的收发一体式光机结构简单，维护方便，稳定性高；收发系统采用同一光轴，在减少光学元件的同时，也大大减小了探测盲区，有效克服了反射式光学系统的不足。
为解决上述问题，本发明的方案为：一种结构紧凑型一体式云信息测量系统，其特征在于：包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元；所述的激光发射单元、光学接收单元共用一组消色差透镜组，在激光反射单元主光路上依次设有1064nm半导体激光器、凹透镜、45度放置的中间开孔的反射镜、消色差透镜组、密封镜窗，反射主光路上依次为消色差透镜组、45度放置的中间开孔的反射镜、小孔光阑、透镜、窄带滤光片、雪崩二极管；所述激光发射单元、光学接收单元安装在同一光学平板上，并具有同一中心高，并由罩筒密封；所述信号采集与控制单元包括光子计数采集器、工控机。由工控机通过串口发送命令控制1064nm半导体激光器出光，1064nm激光经凹透镜后经45度放置的反射镜小孔后，由消色差透镜准直后穿透密封镜窗垂直射向大气中，激光束与大气气溶胶、云、气体分子相互作用后产生的后向散射光由消色差透镜组接收，经平面反射镜反射后汇聚于小孔光阑内，被凸面镜准直并经由窄带滤光片滤除白噪声的干扰，到达雪崩二极管，雪崩二极管输出的电信号经连接线输出至光子计数采集器，采集的电信号由网线传输至工控机内。
所述45度放置的中间开孔的反射镜为平面反射镜，与激光发射单元主光轴夹角为45度，所述平面反射镜中间开有椭圆形通孔，长轴为20mm，短轴为10mm，平面反射镜镀有介质膜，介质膜的中心波长为1064nm，带宽为45～60nm，透过率≥99％。
所述消色差透镜组采用空气间隙三片式镜片，由氟化钙凸透镜、熔融石英凹透镜、氟化钙透镜组成，可校正从紫外到近红外波段的色差，因此该系统也可采用355nm、532nm等紫外和可见光的激光器作为光源，消色差透镜组具有定焦距，为550mm。
所述激光发射单元中的凹透镜与消色差透镜组组成一套扩束装置，扩束倍数为8～10倍；所述1064nm激光器光斑直径为2mm，发散角小于等于1mrad，经扩束装置扩束后发散角小于等于0.15mrad。
所述小孔光阑孔径为0.25mm～0.5mm，所对应的接收视场角为0.45～0.9mrad。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明中各部件共用一个光学平台一体化设计并采用套筒密闭，在野外工作时既能消除灰尘污染、保持系统具有高透过率，还能提高机械结构稳定性、可靠性，解决了因为温度和机械振动产生形变，导致系统不能长时间全天候的工作问题。
(2)本发明中激光发射单元与光学接收单元共用消色差透镜组，在激光发射单元中，消色差透镜组与凹透镜配合组成一套扩束装置，对激光光束起到扩束功能，在激光接收单元中，消色差透镜组起到大气和云后向散射信号的汇聚作用，因此即使激光光束指向性发生微量变化，在不超出接收视场范围的情况下，根据光路的可逆原理，大气后向散射光仍然可以被消色差透镜接收，解决了光路微量变化引起信号质量大为下降的问题，并且激光发射单元与信号接收单元共用同一轴线，光学调试方便，系统光能量损失小，有效提高了信号信噪比和信号探测高度。
(3)本发明中消色差透镜组采用空气间隙三片式镜片，由氟化钙凸透镜、熔融石英凹透镜、氟化钙透镜组成，可校正从紫外到近红外波段的色差，因此该系统也可采用355nm、532nm等紫外和可见光的激光器作为光源。
(4)本发明采用了真正意义上的共轴结构，有效降低了云测量系统的盲区，此种结构的探测盲区仅为20m，可实现低层云的测量研究。
附图说明
图1为本发明收发一体式接收云信息测量系统图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种结构紧凑型一体式云信息测量系统，包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元；所述的激光发射单元、光学接收单元共用一组消色差透镜组，在激光反射单元主光路上依次设有1064nm半导体激光器1、凹透镜2、45度放置的中间开孔的反射镜3、消色差透镜组、密封镜窗7，反射主光路上依次为消色差透镜组、45度放置的中间开孔的反射镜3、小孔光阑8、透镜9、窄带滤光片10、雪崩二极管11；所述激光发射单元、光学接收单元安装在同一光学平板上，具有同一中心高由罩筒密封。所述45度放置的中间开孔的反射镜3为平面反射镜，与激光发射单元主光轴夹角为45度，所述平面反射镜中间开有椭圆形通孔，长轴为20mm，短轴为10mm，平面反射镜镀有介质膜，介质膜的中心波长为1064nm，带宽为45～60nm，透过率≥99％；所述消色差透镜组采用空气间隙三片式镜片，由氟化钙凸透镜4、熔融石英凹透镜5、氟化钙透镜6组成，焦距为550mm；所述激光发射单元中的凹透镜2与消色差透镜组组成一套扩束装置，扩束倍数为8～10倍；所述1064nm激光器1光斑直径为2mm，发散角小于等于1mrad，经扩束装置扩束后发散角小于等于0.15mrad；所述信号采集与控制单元包括光子计数采集器12、工控机13；
本发明工作过程：
由工控机通过串口发送命令控制1064nm半导体激光器1出光，1064nm激光经凹透镜2后经45度放置的反射镜3小孔后，由消色差透镜准直后穿透密封镜窗7垂直射向大气中，激光束与大气气溶胶、云、气体分子相互作用后产生的后向散射光由消色差透镜组接收，经平面反射镜3反射后汇聚于小孔光阑8内，被凸面镜9准直并经由窄带滤光片10滤除白噪声的干扰，到达雪崩二极管11，雪崩二极管11输出的电信号经连接线输出至光子计数采集器12，采集的电信号由网线传输至工控机13内。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用于限制本发明。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识，凡在本发明原则和精神范围内的变换与改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种结构紧凑型收发一体式云信息测量系统，其特征在于：包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元；所述的激光发射单元、光学接收单元共用一组消色差透镜组，在激光反射单元主光路上依次设有1064nm半导体激光器、凹透镜、45度放置的中间开孔的反射镜、消色差透镜组、密封镜窗，反射主光路上依次为消色差透镜组、45度放置的中间开孔的反射镜、小孔光阑、透镜、窄带滤光片、雪崩二极管；所述激光发射单元、光学接收单元安装在同一光学平板上，具有同一中心高，并由罩筒密封；所述信号采集与控制单元包括光子计数采集器和工控机；由工控机通过串口发送命令控制1064nm半导体激光器出光，1064nm激光经凹透镜后经45度放置的反射镜小孔后，由消色差透镜准直后穿透密封镜窗垂直射向大气中，激光束与大气气溶胶、云、气体分子相互作用后产生的后向散射光由消色差透镜组接收，经平面反射镜反射后汇聚于小孔光阑内，被凸面镜准直并经由窄带滤光片滤除白噪声的干扰，到达雪崩二极管，光敏二极管输出的电信号经连接线输出至光子计数采集器，采集的电信号由网线传输至工控机内。
2.根据权利要求1所述的结构紧凑型收发一体式云信息测量系统，其特征在于：所述45度放置的中间开孔的反射镜为平面反射镜，与激光发射单元主光轴夹角为45度，所述平面反射镜中间开有椭圆形通孔，长轴为20mm，短轴为10mm，平面反射镜镀有介质膜，介质膜的中心波长为1064nm，带宽为45～60nm，透过率≥99％。
3.根据权利要求1所述的结构紧凑型收发一体式云信息测量系统，其特征在于：所述消色差透镜组采用空气间隙三片式镜片，由氟化钙凸透镜、熔融石英凹透镜、氟化钙透镜组成，可校正从紫外到近红外波段的色差，因此该系统也可采用355nm、532nm等紫外和可见光的激光器作为光源，消色差透镜组具有定焦距，为550mm。
4.根据权利要求1所述的结构紧凑型收发一体式云信息测量系统，其特征在于：所述激光发射单元中的凹透镜与消色差透镜组组成一套扩束装置，扩束倍数为8～10倍；所述1064nm激光器光斑直径为2mm，发散角小于等于1mrad，经扩束装置扩束后发散角小于等于0.15mrad。
5.根据权利要求1所述的结构紧凑型收发一体式云信息测量系统，其特征在于：所述小孔光阑孔径为0.25mm～0.5mm，所对应的接收视场角为0.45～0.9mrad。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106375005A (zh) * 2015-12-31 2017-02-01 中广核工程有限公司 可见光通信系统及其基站、终端、光收发装置
CN108427108A (zh) * 2017-12-14 2018-08-21 北京遥测技术研究所 一种用于激光测距装置的收发同轴一体化光机
CN109387849A (zh) * 2018-12-04 2019-02-26 珠海码硕科技有限公司 一种同轴激光测距装置
CN109444853A (zh) * 2018-12-05 2019-03-08 宁波傲视智绘光电科技有限公司 一种共光路激光雷达
CN109814087A (zh) * 2019-03-11 2019-05-28 上海禾赛光电科技有限公司 激光收发模块及激光雷达系统
WO2019205165A1 (en) * 2018-04-28 2019-10-31 SZ DJI Technology Co., Ltd. Light detection and ranging sensors with multiple emitters and multiple receivers, and associated systems and methods
CN109387849B (zh) * 2018-12-04 2024-06-04 珠海码硕科技有限公司 一种同轴激光测距装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1967285A (zh) * 2006-09-14 2007-05-23 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光雷达透射式共焦距收发光学系统
CN101299066A (zh) * 2007-04-30 2008-11-05 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光雷达透射式同轴发射与接收装置
CN102621558A (zh) * 2012-01-08 2012-08-01 杨少辰 激光雷达能见度仪及其收发同轴光学系统
CN103185964A (zh) * 2011-12-30 2013-07-03 中国科学院安徽光学精密机械研究所 紫外多波长消色差扩束镜装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1967285A (zh) * 2006-09-14 2007-05-23 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光雷达透射式共焦距收发光学系统
CN101299066A (zh) * 2007-04-30 2008-11-05 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光雷达透射式同轴发射与接收装置
CN103185964A (zh) * 2011-12-30 2013-07-03 中国科学院安徽光学精密机械研究所 紫外多波长消色差扩束镜装置
CN102621558A (zh) * 2012-01-08 2012-08-01 杨少辰 激光雷达能见度仪及其收发同轴光学系统

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106375005A (zh) * 2015-12-31 2017-02-01 中广核工程有限公司 可见光通信系统及其基站、终端、光收发装置
CN108427108A (zh) * 2017-12-14 2018-08-21 北京遥测技术研究所 一种用于激光测距装置的收发同轴一体化光机
WO2019205165A1 (en) * 2018-04-28 2019-10-31 SZ DJI Technology Co., Ltd. Light detection and ranging sensors with multiple emitters and multiple receivers, and associated systems and methods
CN109387849A (zh) * 2018-12-04 2019-02-26 珠海码硕科技有限公司 一种同轴激光测距装置
CN109387849B (zh) * 2018-12-04 2024-06-04 珠海码硕科技有限公司 一种同轴激光测距装置
CN109444853A (zh) * 2018-12-05 2019-03-08 宁波傲视智绘光电科技有限公司 一种共光路激光雷达
CN109814087A (zh) * 2019-03-11 2019-05-28 上海禾赛光电科技有限公司 激光收发模块及激光雷达系统

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