CN106646427A - 一种低散射噪声的光学望远镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低散射噪声的光学望远镜，一方面，采用一对布儒斯特窗片替代偏振分束器，当入射激光以布儒斯特角入射至一对布儒斯特窗片时，避免交界面处反射光沿原光路返回带来有害反射。在直接探测测风激光雷达中，其s偏振方向的反射光经耦合器由探测器接收，作为参考光。另一方面，采用聚合物零级四分之一波片替代传统四分之一波片，并将其在垂直放置于望远镜扩束镜光轴之后，抑制了波片表面反射光沿原光路返回导致的噪声。本发明抑制了光学器件表面反射光的有害反馈，降低了散射噪声对整个系统的干扰，减少了系统的ASE噪声，提高了系统稳定性和可靠性。

Description

一种低散射噪声的光学望远镜

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种低散射噪声的光学望远镜。

背景技术

风场作为大气科学的基本参数之一，广泛应用于大气科学、飞行器安全和风能发电等领域。测风激光雷达作为高精度、高时空分辨率大气遥感的主要手段，在实时探测和追踪大气湍流、阵风面、风切变、航空器尾流及大气风廓线等方面扮演着重要角色。测风激光雷达利用多普勒频移的原理来测量大气的风场，主要分为相干探测和直接探测两种方法。相干探测是通过检测发射激光的大气回波信号与本振激光的拍频实现对大气风场的测量，直接探测是通过将发射激光的回波信号的频率转化为相对能量的变化实现对大气风场的测量。

在上述的激光雷达系统中，望远镜系统用于发射脉冲激光和收集大气后向散射回来的信号，传统的收发同置望远镜均采用偏振分束器和四分之一波片共同构成的光学收发开关设计。其基本原理如下：偏振分束器由两个直角棱镜组成，其入射端面镀有增透膜，反射端面镀有偏振隔离作用的偏振膜。如图1为偏振分束器的偏振分光示意图。偏振分束器将入射激光分为振动方向平行于入射面的p分量和垂直于入射面的s分量，p分量的线偏振光沿入射方向继续传播，s分量的线偏振光沿垂直于入射方向反射。通过偏振分束器后p分量的线偏振光垂直入射四分之一波片，四分之一波片的光轴与线偏振光的振动方向成45°，出射光为圆偏振光，出射激光由望远镜准直射入大气。激光与大气相互作用，后向散射信号由望远镜接收并耦合至光纤中，经过四分之一波片后圆偏振激光回波信号的偏振方向变为s分量的线偏振光，其偏振方向与出射的激光脉冲偏振方向垂直，s分量的线偏振光再经过偏振分束器反射进入耦合器。

上述经典的收发同置激光雷达光学望远镜系统采用偏振分束器与四分之一波片的光学结构，在该工作方式下，光线的传播方向与偏振分束器和四分之一波片的交界面互相垂直，经典的收发同置激光雷达光学望远镜系统存在以下问题：

1、空间光在偏振分束器的入射交界面处反射回光纤出射端，进而耦合至激光器，损害激光器的稳定性和工作寿命；

2、四分之一波片的入射交界面处的背向反射光，进入探测器带来有害反馈；

3、由于偏振分束器存在一定的消光比，有害散射光及不同偏振态光通过偏振分束器进入探测器引起噪声干扰；

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种低散射噪声的光学望远镜，该光学望远镜相比于使用偏振分束器和四分之一波片实现收发同置的经典望远镜系统而言，可以有效避免反射光对激光器的稳定性和工作寿命的损害；避免因散射光强度过大而导致高灵敏探测器的饱和，进而影响到探测器的动态范围；抑制了散射光引起的直流噪声，降低了散射光对整个系统的噪声干扰，提高了系统稳定性和测量可靠性。

(二)技术方案

本发明提供了一种光学望远镜，用于发射激光和接收该激光的大气回波信号，其特征在于，包括：

倾斜对称放置的第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片，第一布儒斯特窗片用于使所述激光的p偏振光通过，第二布儒斯特窗片用于将所述p偏振光透射，并将所述回波信号反射；

扩束系统，用于将所述p偏振光扩束后发射并接受所述回波信号；

聚合物零级四分之一波片，位于所述扩束系统中。

上述方案中，所述扩束系统将所述p偏振光扩束后发射为将所述p偏振光扩束后经聚合物零级四分之一波片转换为圆偏振激光发射。

上述方案中，所述聚合物零级四分之一波片垂直放置于扩束系统光轴之后。

上述方案中，所述扩束系统包括折返式望远镜非球面次镜、折返式望远镜非球面主镜和楔形镜片。

(三)有益效果

从本发明提供的技术方案可知，该方案采用一对布儒斯特窗片和对入射角度不敏感的聚合物零级四分之一波片的设计，该优化方案减少了入射光在交界面多次反射引入的损耗，避免反射光耦合至激光器损害其稳定性和工作寿命，避免了强散射噪声干扰探测器使其进入非线性工作区域，提高了信噪比，使系统的稳定性和可靠性进一步提升。

附图说明

图1是偏振分束器的偏振分光示意图；

图2是一种低散射噪声光学望远镜在相干测风激光雷达上的应用示意图；

图3是一种低散射噪声光学望远镜在直接测风激光雷达上的应用示意图；

图4是入射光以布儒斯特角入射布儒斯特窗片的反射光和折射光光路示意图；

图5是优选的聚合物零级四分之一波片与传统四分之一波片延迟量随入射角度变化的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2为本发明实施例提供的一种低散射噪声光学望远镜在相干测风激光雷达上的应用示意图。如图2所示，包括：激光器1，分束器2，光调制器3，放大器4，准直器5，一对布儒斯特窗片6，折反式望远镜非球面次镜7，聚合物零级四分之一波片8，折反式望远镜非球面主镜9，楔形镜片10，耦合器11，合束器12，探测器13，采集卡14和计算机15。

激光器1与分束器2相连，分束器2一端与光调制器3相连，另一端与合束器12相连，光调制器3与放大器4相连，放大器4与准直器5相连；准直器5准直的脉冲光入射至一对布儒斯特窗片6的第一个布儒斯特窗片，第二个布儒斯特窗片出射的脉冲光依次经过折反式望远镜非球面次镜7、聚合物零级四分之一波片8、折反式望远镜非球面主镜9和楔形镜片10，聚合物零级四分之一波片8垂直放置于望远镜扩束镜光轴之后；回波信号在第二个布儒斯特窗片处的反射信号与耦合器11的入光口相连，耦合器11的出光口与合束器12相连，合束器12与探测器13相连，探测器13与采集卡14相连，采集卡14与计算机15相连。

激光器1发射的激光经分束器2后，一束经光调制器3作为入射光，另一束作为本振光。第二个布儒斯特窗片用来分离发射激光束与回波信号，接收的回波信号经耦合器11与本振光共同进入合束器12，在探测器13处产生拍频信号。

望远镜用来发射脉冲激光和接收大气回波信号。出射激光经折反式望远镜非球面次镜7扩束后，聚合物零级四分之一波片8垂直放置于望远镜扩束镜光轴之后，可避免波片表面反射光沿原光路返回反馈至系统中，同时聚合物零级四分之一波片8也用于调整出射激光和望远镜收集的大气回波信号的偏振方向。

图3为本发明实施例提供的一种低散射噪声光学望远镜在直接测风激光雷达上的应用示意图。如图3所示，包括：激光器1，光调制器3，放大器4，准直器5，一对布儒斯特窗片6，折反式望远镜非球面次镜7，聚合物零级四分之一波片8，折反式望远镜非球面主镜9，楔形镜片10，耦合器16，耦合器11，鉴频器17，探测器18，探测器13，采集卡14和计算机15，其中各器件连接关系为：

激光器1与光调制器3相连，光调制器3与放大器4相连，放大器4与准直器5相连，准直器5与一对布儒斯特窗片6的第一个布儒斯特窗片相连，入射光在第一个布儒斯特窗片的反射光与耦合器16的入光口相连，耦合器16的出光口与探测器18相连；第二个布儒斯特窗片出射的脉冲光依次经过折反式望远镜非球面次镜7、聚合物零级四分之一波片8、折反式望远镜非球面主镜9和楔形镜片10，聚合物零级四分之一波片8垂直放置于望远镜扩束镜光轴之后；回波信号在第二个布儒斯特窗片上的反射信号与耦合器11的入光口相连，耦合器11的出光口与鉴频器17相连，鉴频器17与探测器13相连，探测器18和探测器13均与采集卡14相连，采集卡14与计算机15相连。

入射光以布儒斯特角入射一对布儒斯特窗片6时，光束的p偏振分量通过，而s偏振分量将被布儒斯特窗片反射。发射的激光信号入射至第一个布儒斯特窗片，其反射光作为参考光信号；第二个布儒斯特窗片既为出射的激光信号端，又作为后向散射信号的接收端，用来分离发射激光束与回波信号。接收的散射信号经耦合器11进入鉴频器17，鉴频器17对不同频率具有不同的透过率，将频率信号转化为强度信号，由信号强度变化可以得到多普勒频移信息反演出风速信息。

望远镜用来发射脉冲激光和接收大气回波信号。出射激光经折反式望远镜非球面次镜扩束后，聚合物零级四分之一波片8垂直放置于望远镜扩束镜光轴之后，可避免波片表面反射光沿原光路返回反馈至系统中，同时聚合物零级四分之一波片8也用于调整出射激光和望远镜收集的大气回波信号的偏振方向。

为了便于理解，下面针对一种低散射噪声的光学望远镜系统的原理做详细说明。

本发明的原理如下：根据背景技术所述，光学望远镜系统需避免激光在器件交界面多次反射引入的损耗以及杂散光。首先将采用倾斜放置的一对布儒斯特窗片，当入射光以布儒斯特角入射至窗片时，光束的p偏振分量将通过，而s偏振分量将被布儒斯特窗片反射，此时一对布儒斯特窗片上反射的光不再沿原光路返回而以一定角度倾斜反射。以布儒斯特角入射至布儒斯特窗片的光路示意图如图4所示。在直接探测测风激光雷达中取第一个布儒斯特窗片表面反射光作为参考光，避免了反射光引起的有害辐射对系统性能的损伤。

同时，采用对入射角度低敏感的聚合物零级四分之一波片来替换传统四分之一波片，并垂直放置于望远镜扩束镜光轴之后放置。图5为优选的聚合物零级四分之一波片与传统四分之一波片延迟量随入射角度变化的对比图。由图对比可知，聚合物零级四分之一波片在某一波长范围内对较大入射角度的延迟量敏感度低，接受有效角度范围大。此外，聚合物零级四分之一波片还具有良好的透过率、较低的光学损耗等优良性能。

出射激光通过折反式望远镜非球面次镜后，其平行光束被扩散为发散光束，扩束后的发散光束角度范围大，将聚合物零级四分之一波片垂直放置于望远镜扩束镜光轴之后，其端面处的反射光为发散光束并以一定角度散射，避免了入射光的传播方向四分之一波片互相垂直带来的强反射光引起噪声干扰。聚合物零级四分之一波片在某一波长范围内对较大入射角度的延迟量敏感度低，不会导致偏振方向误差过大。同时，聚合物零级四分之一波片也用于调整出射激光和望远镜收集的大气回波信号的偏振方向。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明公开了一种低散射噪声的光学望远镜，一方面，采用一对布儒斯特窗片替代偏振分束器，当入射激光以布儒斯特角入射至一对布儒斯特窗片时，p偏振方向光透射通过。在直接探测测风激光雷达中，其s偏振方向的反射光经耦合器并由探测器接收作为参考光。使用一对布儒斯特窗片替代偏振分束器，避免了入射光在偏振分束器交界面处沿原光路反射带来的有害反射。另一方面，采用入射角度低敏感度的聚合物零级四分之一波片替代传统四分之一波片，将聚合物零级四分之一波片垂直放置于望远镜扩束镜光轴之后，抑制了波片表面反射光沿原光路返回导致的噪声。基于上述方案，减少了光学器件表面空间光的有害反射，避免反射光进而耦合至激光器损害激光器的稳定性和工作寿命，有效避免散射光强度过大而导致高灵敏探测器的饱和，进而影响到探测器的动态范围，减少了散射光引起的直流噪声，提高了信噪比，使系统的稳定性和可靠性进一步提升，适用于直接探测和相干探测低散射噪声激光雷达系统的应用需求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (4)

1.一种光学望远镜，用于发射激光和接收该激光的大气回波信号，其特征在于，包括：

倾斜对称放置的第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片，第一布儒斯特窗片用于使所述激光的p偏振光通过，第二布儒斯特窗片用于将所述p偏振光透射，并将所述回波信号反射；

扩束系统，用于将所述p偏振光扩束后发射并接受所述回波信号；

聚合物零级四分之一波片，位于所述扩束系统中。

2.根据权利要求1所述的光学望远镜，其特征在于，所述扩束系统将所述p偏振光扩束后发射为将所述p偏振光扩束后经聚合物零级四分之一波片转换为圆偏振激光发射。

3.根据权利要求1所述的光学望远镜，其特征在于，所述聚合物零级四分之一波片垂直放置于扩束系统光轴之后。

4.根据权利要求1所述的光学望远镜，其特征在于，所述扩束系统包括折返式望远镜非球面次镜、折返式望远镜非球面主镜和楔形镜片。