CN105675532A - 中红外激光雷达光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中红外激光雷达光学系统。本发明包括发射系统、接收系统、扫描系统、瞄准系统、差分光路系统，其特征是：所述的发射系统发射的激光束经过转向镜照射到所述的扫描系统出射后照射到被测目标上，通过瞄准系统瞄准被测目标；被测目标将激光束反射回来通过扫描系统后由接收系统接收，再入射到瞄准系统和差分光路系统；所述的扫描系统包括安装支座，所述的安装支座里面通过水平轴系安装水平扫描仓，所述的水平轴系连接水平扫描驱动电机，所述的水平扫描仓通过垂直轴系连接垂直扫描仓，所述的垂直轴系连接垂直扫描驱动电机，所述的垂直扫描仓上部具有窗口。本发明光学性能好并且能够克服高低温贮存环境。
Description
技术领域：
本发明涉及一种中红外激光雷达光学系统，属于激光雷达技术领域。
背景技术：
常规大气污染物监测方式主要有电化学式、催化燃烧式、半导体式和红外线式，探测气体种类单一，距离近，寿命短。激光气体监测技术是近些年发展起来的新型气体探测技术，特点是非接触无需采样、灵敏度高、响应时间快、可远程遥测。目前在大气痕量气体监测中最常用的光谱技术有紫外/可见波段的差分光学吸收光谱（DOAS）、差分吸收激光雷达（DIAL）、红外波段的傅里叶变换光谱（FTIR）、可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）等。DOAS和TDLAS技术多采用紫外、近红外固定波长激光，气体吸收在此波段较弱，在大气中传输距离受限。许多有毒有害气体在中红外波段（2um~4um）具有强烈的吸收峰（比可见光/近红外波段吸收高几个数量级），可以获得更高的灵敏度、更远的探测距离。例如一氧化氮、二氧化硫、二氧化氮气体分别在2.7um、3.3um、3.5um有较强吸收峰，同时2um~4um也是大气透过率窗口，因此允许数百米甚至千米以上的远程探测。采用中红外波段的激光雷达检测污染物能够极大的提高探测灵敏度。对于目前的环保形势是非常必要的。
大气污染物的来源十分广泛，主要来源有工业生产、生活采暖、交通运输等。工业是大气污染的一个重要来源。工业排放到大气中的污染物种类繁多，有烟尘、硫的氧化物、氮的氧化物、有机化合物、卤化物、碳氢化合物等。汽车、火车、飞机、轮船是当代的主要运输工具，它们烧煤或石油产生的废气也是重要的污染物。特别是城市中的汽车，量大而集中，排放的污染物能直接侵袭人的呼吸器官，对城市空气的污染很严重，成为大城市空气的主要污染源之一。汽车排放的废气主要有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和碳氢化合物等，前三种物质危害性很大。
国内外现有烟气污染物(SO2、NO、NO2等)监测仪器设备普遍存在低浓度测量组分“单一”、灵敏度低、检测下限高等突出问题。在污染物浓度较低情况下(<50mg/m3)出现较大偏差，无法满足超低排放标准的要求，市场急需适用于低浓度排放的检测设备。但是目前中红外激光雷达只能依赖于进口，急需寻找国产同等光源进行替代，同时此波段气体探测的整体解决方案目前在国内也处于空白状态，国内市场急需此种设备。
中红外激光雷达光学系统是高灵敏度气体污染探测激光雷达的重要组成部分。中红外激光雷达光学系统承担了激光束的发射和回波接收等重要工作。自身的光学质量直接影响整机的性能。同时由于该设备为外场工作设备，对环境适应性要求较高。该设备研发难度较大。
发明内容：
本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种中红外激光雷达光学系统，光学性能好并且能够克服高低温贮存环境，保证具有良好的刚性防止运载车行进过程中颠簸产生的损坏。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种中红外激光雷达光学系统，包括发射系统、接收系统、扫描系统、瞄准系统、差分光路系统，所述的发射系统发射的激光束经过转向镜照射到所述的扫描系统出射后照射到被测目标上，通过瞄准系统瞄准被测目标；被测目标将激光束反射回来通过扫描系统后由接收系统接收，再入射到瞄准系统和差分光路系统；所述的扫描系统包括安装支座，所述的安装支座里面通过水平轴系安装水平扫描仓，所述的水平轴系连接水平扫描驱动电机，所述的水平扫描仓通过垂直轴系连接垂直扫描仓，所述的垂直轴系连接垂直扫描驱动电机，所述的垂直扫描仓上部具有窗口。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的水平扫描仓里面设置有平面反射镜三，所述的平面反射镜三与所述的转向镜垂直设置，所述的垂直扫描仓里面设置有平面反射镜二，所述的平面反射镜二与所述的平面反射镜三平行设置。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的发射系统包括激光器，所述的激光器的发射端前部设置有扩束镜，所述的扩束镜的镜头安装在恒温仓中。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的扩束镜采用无热化镜头结构，其镜头的工作波段为2~4μm中红外波段，采用硅制作正透镜，锗制作负透镜实现校正热像差。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的接收系统包括与所述的转向镜设置在同一条主光轴上的平面反射镜一以及位于所述的平面反射镜一下方的抛物面反射镜。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的抛物面反射镜采用口径为Ф300mm的抛物面反射镜。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的系统的焦距不小于1000mm。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的瞄准系统包括与所述的平面反射镜一形成45°入射角的相机，所述的相机前面设置有视场校正镜，所述的视场校正镜前面设置有分光镜一。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的差分光路系统包括与所述的分光镜一设置在同一光路上的分光镜二，所述的分光镜二两侧分别依次设置有波段准直镜及滤光片、感光面。
有益效果：
1.本发明基于国家对大气污染防治提出的新的更高的要求，所以迫切需要设计研发出针对污染物排放的更低检测下限和更高检测灵敏度的监测技术与设备。我们研制的这款中红外激光雷达光学镜头顺应了形势，它具有更高的检测灵敏度。这款镜头采用中红外波段（2um~4um）作为检测波段，许多大气污染气体如一氧化氮、二氧化硫、二氧化氮气体分别在2.7um、3.3um、3.5um处有较强吸收峰，所以即使少量污染气体也可以探测得到。应用该款中红外激光雷达光学镜头可以探测到更低浓度的污染物气体(<50mg/m3)，所以这是一款具有更低检测下限和更高检测灵敏度的光学检测镜头。
2.本发明的中红外激光雷达光学镜头具有高环境稳定性，因为采用动态无热化技术设计了光学系统，使得光学系统具有高温度稳定性，也使得整机的环境适应性更好。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的A-A部放大图。
图中：1、转向镜；2、安装支座；3、水平轴系；4、水平扫描仓；5、水平扫描驱动电机；6、垂直轴系；7、垂直扫描仓；8、垂直扫描驱动电机；9、窗口；10、平面反射镜三，11、平面反射镜二；12、激光器；13、扩束镜；14、平面反射镜一；15、抛物面反射镜；16、相机；17、视场校正镜；18、分光镜一；19、分光镜二；20、波段准直镜及滤光片；21、感光面。
具体实施方式：
如图1-2所示：本实施例的中红外激光雷达光学系统，包括发射系统、接收系统、扫描系统、瞄准系统、差分光路系统，所述的发射系统发射的激光束经过转向镜1照射到所述的扫描系统出射后照射到被测目标上，通过瞄准系统瞄准被测目标；被测目标将激光束反射回来通过扫描系统后由接收系统接收，再入射到瞄准系统和差分光路系统；所述的扫描系统包括安装支座2，所述的安装支座里面通过水平轴系3安装水平扫描仓4，所述的水平轴系连接水平扫描驱动电机5，所述的水平扫描仓通过垂直轴系6连接垂直扫描仓7，所述的垂直轴系连接垂直扫描驱动电机8，所述的垂直扫描仓上部具有窗口9。本实施例的水平扫描驱动电机和垂直扫描驱动电机上可以分别安装轴角编码器，用来测量水平轴系或者垂直轴系的旋转角度。本实施例的扫描系统的设计可以保证具有良好的刚性防止运载车行进过程中颠簸产生的损坏。又能够保证回转精度，使测量出的污染分布具有准确的空间位置精度。窗口是水平方向放置。整个扫描系统放置在接收系统的前面，位置是固定不动的，水平扫描仓在水平扫描驱动电机的驱动下可以绕主光轴水平旋转，垂直扫描仓在垂直扫描电机的驱动下可以绕主光轴垂直旋转。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的水平扫描仓里面设置有平面反射镜三10，所述的平面反射镜三与所述的转向镜垂直设置，所述的垂直扫描仓里面设置有平面反射镜二11，所述的平面反射镜二与所述的平面反射镜三平行设置。
实施例2：
本实施例中所述的中红外激光雷达光学系统，所述的发射系统包括激光器12，所述的激光器的发射端前部设置有扩束镜13，所述的扩束镜的镜头安装在恒温仓中。扩束镜的主要作用是扩展激光束的直径并压窄光束的发散角，这样发射的激光束才能传播的更远。发射系统的扩束镜设计难点是温度适应性。激光雷达是外场工作设备，野外环境温度变化剧烈。因此，扩束镜头必须进行温度适应性设计。为了使实际使用效果更好，镜头安置在恒温仓中，这样就可以进一步避免温度影响。但是在设备不工作时，恒温仓是不起作用的，这时镜头还必须能够克服高低温贮存环境。这就要求镜头的光学设计和结构设计都要考虑环境温度对设备的影响。为了保证镜头在高低温环境下能够正常使用，扩束镜采用了无热化镜头结构。镜头的工作波段为2~4μm中红外波段，在这波段设计无热化镜头一般采用“硅”制作正透镜，“锗”制作负透镜，这样就能很好的校正热像差。
实施例3：
本实施例中所述的中红外激光雷达光学系统，所述的接收系统包括与所述的转向镜设置在同一条主光轴上的平面反射镜一14以及位于所述的平面反射镜一下方的抛物面反射镜15。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的抛物面反射镜采用口径为Ф300mm的抛物面反射镜，所述的系统的焦距不小于1000mm。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的瞄准系统包括与所述的平面反射镜一形成45°入射角的相机16，所述的相机前面设置有视场校正镜17，所述的视场校正镜前面设置有分光镜一18。
所述的中红外激光雷达光学系统，所述的差分光路系统包括与所述的分光镜一设置在同一光路上的分光镜二19，所述的分光镜二两侧分别依次设置有波段准直镜及滤光片20、感光面21。瞄准系统用来对被测目标进行瞄准，它和接收系统共用一个抛物面反射镜，瞄准系统指向的位置就是接收系统的感光范围。瞄准系统中增加了视场校正镜，校正视场像差。由于抛物面反射镜轴外像差很大，整个系统对轴外成像质量会很差，再设计时增加轴外校正镜组，就可以很好的校正轴外像差。
工作过程：
如图1-2所示，由激光器和扩束镜组成的发射系统发射一束波长处于中红外波段的激光束，经过转向镜到平面反射镜三，再到平面反射镜二、最后从扫描系统的窗口射出；光束出射后照射到远距离的被测目标上，通过瞄准系统瞄准被测目标；被测目标将激光束反射回来，返回光束通过扫描系统后由接收系统接收，光线由抛物面反射镜汇聚反射到平面反射镜一，再入射到瞄准系统和差分光路系统；只有可见光波段的光线能够通过分光镜一和视场校正镜照射到相机上，而射出的激光束的返回光线可以经过分光镜一反射到差分光路系统，分光镜二将光线分成两个波段，每个波段的光线经过准直镜和滤光片后照射到探测器的感光面上。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (9)
1.一种中红外激光雷达光学系统，包括发射系统、接收系统、扫描系统、瞄准系统、差分光路系统，其特征是：所述的发射系统发射的激光束经过转向镜照射到所述的扫描系统出射后照射到被测目标上，通过瞄准系统瞄准被测目标；被测目标将激光束反射回来通过扫描系统后由接收系统接收，再入射到瞄准系统和差分光路系统；所述的扫描系统包括安装支座，所述的安装支座里面通过水平轴系安装水平扫描仓，所述的水平轴系连接水平扫描驱动电机，所述的水平扫描仓通过垂直轴系连接垂直扫描仓，所述的垂直轴系连接垂直扫描驱动电机，所述的垂直扫描仓上部具有窗口。
2.根据权利要求1所述的中红外激光雷达光学系统，其特征是：所述的水平扫描仓里面设置有平面反射镜三，所述的平面反射镜三与所述的转向镜垂直设置，所述的垂直扫描仓里面设置有平面反射镜二，所述的平面反射镜二与所述的平面反射镜三平行设置。
3.根据权利要求1或2所述的中红外激光雷达光学系统，其特征是：所述的发射系统包括激光器，所述的激光器的发射端前部设置有扩束镜，所述的扩束镜的镜头安装在恒温仓中。
4.根据权利要求3所述的中红外激光雷达光学系统，其特征是：所述的扩束镜采用无热化镜头结构，其镜头的工作波段为2~4μm中红外波段，采用硅制作正透镜，锗制作负透镜实现校正热像差。
5.根据权利要求1或2所述的中红外激光雷达光学系统，其特征是：所述的接收系统包括与所述的转向镜设置在同一条主光轴上的平面反射镜一以及位于所述的平面反射镜一下方的抛物面反射镜。
6.根据权利要求5所述的中红外激光雷达光学系统，其特征是：所述的抛物面反射镜采用口径为Ф300mm的抛物面反射镜。
7.根据权利要求1或2或4或6所述的中红外激光雷达光学系统，其特征是：所述的光学系统的焦距不小于1000mm。
8.根据权利要求1或2或4或6所述的中红外激光雷达光学系统，其特征是：所述的瞄准系统包括与所述的平面反射镜一形成45°入射角的相机，所述的相机前面设置有视场校正镜，所述的视场校正镜前面设置有分光镜一。
9.根据权利要求8所述的中红外激光雷达光学系统，其特征是：所述的差分光路系统包括与所述的分光镜一设置在同一光路上的分光镜二，所述的分光镜二两侧分别依次设置有波段准直镜及滤光片、感光面。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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