CN109031348B - 一种零盲区激光雷达及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零盲区激光雷达及其制造方法，所述零盲区激光雷达包括激光器、发射单元、第一接收单元和处理单元；还包括第二接收单元；所述发射单元和第二接收单元的光学主轴间的夹角β满足：
Figure DDA0001732677390000011
且
Figure DDA0001732677390000012
Dt为发射单元的出射光斑直径；θt为出射光的发散角；Dr为第二接收单元的接收直径；θr为第二接收单元的接收视场角；R为第二接收单元的探测距离上限；L为第二接收单元和发射单元间的距离；H为激光雷达的距离分辨率；在逆时针方向上，与发射单元的主轴重合的出射光到与第二接收单元的主轴重合的接收光形成的夹角为钝角。本发明提供的零盲区激光雷达，能够更好地分析近地面丰富的气溶胶信息和大气信息。

Description

一种零盲区激光雷达及其制造方法
技术领域
本发明属于环境监测领域，具体地说涉及一种零盲区激光雷达及其制造方法。
背景技术
大气气溶胶及污染的高度分布是大气物理、天气预报以及大气环境研究中一个重要的气象参数。目前比较常用的手段有气球探空、卫星反演和激光雷达探测。激光雷达在探测精度、空间分辨率和时间分辨率上的优势使其越来越受到科学技术人员的重视，对于激光雷达是否能够实现近地面高度层内气溶胶分布的要求越来越高。
激光雷达是以激光器作为光源，通过遥感激光与大气相互作用产生的回波信号来反演大气参数的光电设备。激光雷达系统的盲区距离定义为无法接收到激光大气回波信号的距离。激光雷达系统一般采用两种方式，分别为离轴系统和同轴系统。离轴系统由于发射光路和接收光路存在着一定的距离且发散角和接收视场角不一致带来盲区，同轴系统由于反射镜对于接收光路的遮挡也存在着一定的盲区。盲区距离一般为100-200米左右，该距离高度层内存在丰富的大气和气溶胶信息，缺失该高度层的大气和气溶胶信息将直接影响到激光雷达采集数据的可靠性和准确性。
中国科学院合肥物质科学研究院曹开法在专利CN201510567945.6中提出了基于CCD成像激光雷达测量大气边界层污染气体的装置，具体是采用CCD成像的方式消除后向散射式差分吸收激光雷达的测量盲区。该方式较为复杂且受外界环境约束较大。
武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室黄立峰在“Signal splicing ofdual-receiver Mie scattering lidar in atmospheric remote sensing”中提出采用大气遥感双视场米散射激光雷达信号拼接的方法降低测量盲区。该方法虽然能够有效的降低盲区，但是无法实现激光雷达的零盲区探测。
西安理工大学华灯鑫在“CN201010260232.2激光雷达几何重叠自动调整系统及调整方法”中通过控制X轴执行机构和Y轴执行机构调节可旋转反射镜的角度，使得经过固定反射镜反射后的出射激光束轴线与望远镜轴线重合，从而实现光路的偏转。
哈尔滨工业大学任德明在“CN201110088354.2激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法”中提出采用控制第一反射镜的俯仰和方位实现同轴调整。
由于偏转光学部件一般采用反射镜或者直角棱镜，需要调节反射镜或直角棱镜的俯仰和方位，固定结构容易受到温度和振动的影响，在一致性和稳定性等方面都存在一定的技术问题；且反射镜的调节需要借助于精密光学调整支架和水平仪器，进行精细的调整操作，比较费时繁琐，难度较大，且对环境的适应性也更差。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种零盲区激光雷达。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种零盲区激光雷达，所述零盲区激光雷达包括激光器、发射单元、第一接收单元和处理单元；所述零盲区激光雷达进一步包括：
第二接收单元，所述第二接收单元的输出端连接所述处理单元；所述发射单元的光学主轴和第二接收单元的光学主轴间的夹角β，夹角β的约束条件为：
Figure GDA0003511048170000031
且
Figure GDA0003511048170000032
Dt为发射单元的出射光斑直径；θt为出射光的发散角；Dr为第二接收单元的接收直径；θr为第二接收单元的接收视场角；R为第二接收单元的探测距离上限；L为第二接收单元和发射单元间的距离；H为激光雷达的距离分辨率；
在逆时针方向上，与发射单元的主轴重合的出射光到与第二接收单元的主轴重合的接收光形成的夹角为钝角。
为了纠正由于发射单元的安装误差导致的光线角度偏差，进一步地，所述零盲区激光雷达进一步包括：
光纠偏单元，所述光纠偏单元设置在所述接收光的光路上，且处于第二接收单元的上游；所述光纠偏单元包括：
第一器件，折射率为n1，所述第一器件具有位置相对的第一入射面和第一出射面，所述第一入射面和第一出射面间的夹角α为锐角；
第二器件，折射率为n2，所述第二器件具有位置相对的第二入射面和第二出射面，所述第二入射面和第二出射面间的夹角γ为锐角；所述第一器件的出射面和第二器件的入射面相对设置，且之间的夹角为α+γ；满足以下条件：
Figure GDA0003511048170000033
θ为发射单元的安装误差所导致的角度偏差。
本发明的目的还在于提供了零盲区激光雷达的制造方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
零盲区激光雷达的制造方法，所述零盲区激光雷达的制造方法包括以下步骤：
(A1)设置激光器、发射单元、第一接收单元、第二接收单元以及处理单元；所述第二接收单元的输出端连接处理单元；在逆时针方向上，与发射单元的主轴重合的出射光到与第二接收单元的主轴重合的接收光形成的夹角为钝角；
(A2)调整所述发射单元的光学主轴和第二接收单元的光学主轴间的夹角β，夹角β的约束条件为：
Figure GDA0003511048170000041
且
Figure GDA0003511048170000042
Dt为发射单元的出射光斑直径；θt为出射光的发散角；Dr为第二接收单元的接收直径；θr为第二接收单元的接收视场角；R为第二接收单元的探测距离上限；L为第二接收单元和发射单元间的距离；H为激光雷达的距离分辨率。
为了纠正由于发射单元的安装误差导致的光线角度偏差，进一步地，所述零盲区激光雷达进一步包括：
光纠偏单元，所述光纠偏单元设置在所述接收光的光路上，且处于第二接收单元的上游；所述光纠偏单元包括：
第一器件，折射率为n1，所述第一器件具有位置相对的第一入射面和第一出射面，所述第一入射面和第一出射面间的夹角α为锐角；
第二器件，折射率为n2，所述第二器件具有位置相对的第二入射面和第二出射面，所述第二入射面和第二出射面间的夹角γ为锐角；所述第一器件的出射面和第二器件的入射面相对设置，且之间的夹角为α+γ；满足以下条件：
Figure GDA0003511048170000051
θ为发射单元的安装误差所导致的角度偏差。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
通过理论计算获得激光雷达中各参数之间的关系，从而使得第二接收单元的盲区小于激光雷达的分辨率，并能满足最长探测距离，进而从根本上消除了激光雷达的盲区，真正实现了零盲区探测，更好地分析近地面丰富的气溶胶信息和大气信息，实验结果也表明实现了零盲区探测；
光纠偏单元可以实现纠正了由于发射单元安装误差所导致的角度偏差，且无需现有激光雷达发射光路偏转的校调结构，同时降低了激光雷达发射光路由于温度和振动等因素产生的不一致性和不稳定性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本发明提供的一种零盲区激光雷达的具体实施方式的结构示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的零盲区激光雷达的结构简图，如图1所示，所述零盲区激光雷达包括：
激光器、发射单元、第一接收单元和处理单元，所述发射单元包括准直透镜，所述发射单元的光学主轴和第一接收单元的光学主轴间的夹角为0；这些设备及位置关系均是本领域的现有技术，在此不再赘述；
第二接收单元，所述第二接收单元包括会聚透镜；第二接收单元的输出端连接所述处理单元；所述发射单元和第二接收单元的光学主轴间的夹角β满足：
Figure GDA0003511048170000061
且
Figure GDA0003511048170000062
Dt为激光器的出射光在准直透镜上的光斑直径；θt为出射光的发散角；Dr为第二接收单元的接收直径；θr为第二接收单元的接收视场角；R为第二接收单元的探测距离上限；L为所述准直透镜中心到所述会聚透镜中心间的距离；H为激光雷达的距离分辨率；
在逆时针方向上，与发射单元的主轴重合的(从发射单元出射的激光雷达的)出射光到与第二接收单元的主轴重合的(激光雷达的进入第二接收单元的)接收光形成的夹角为钝角；所述发射单元、第一接收单元和第二接收单元沿一个方向依次设置，如自左向右设置。
为了纠正由于发射单元的安装误差导致的光线角度偏差，进一步地，所述零盲区激光雷达进一步包括：
光纠偏单元，所述光纠偏单元设置在所述接收光的光路上，且处于第二接收单元的上游；所述光纠偏单元包括：
第一器件，折射率为n1，所述第一器件具有位置相对的第一入射面和第一出射面，所述第一入射面和第一出射面间的夹角α为锐角；
第二器件，折射率为n2，所述第二器件具有位置相对的第二入射面和第二出射面，所述第二入射面和第二出射面间的夹角γ为锐角；所述第一器件的出射面和第二器件的入射面相对设置，且之间的夹角为α+γ；满足以下条件：
Figure GDA0003511048170000071
θ为发射单元的安装误差所导致的角度偏差。
本发明实施例的上述零盲区激光雷达的制造方法，所述零盲区激光雷达的制造方法包括以下步骤：
(A1)设置激光器、发射单元、第一接收单元、第二接收单元以及处理单元；所述第二接收单元的输出端连接处理单元；在逆时针方向上，与发射单元的主轴重合的出射光到与第二接收单元的主轴重合的接收光形成的夹角为钝角；
(A2)调整所述发射单元的光学主轴和第二接收单元的光学主轴间的夹角β，以满足：
Figure GDA0003511048170000072
且
Figure GDA0003511048170000073
Dt为激光器的出射光在准直透镜上的光斑直径；θt为出射光的发散角；Dr为第二接收单元的接收直径；θr为第二接收单元的接收视场角；R为第二接收单元的探测距离上限；H为激光雷达的距离分辨率；所述发射单元的光学主轴和第一接收单元的光学主轴间的夹角为0；所述第二接收单元包括会聚透镜，L为所述会聚透镜中心到所述发射单元的光学主轴间的距离。
为了纠正由于发射单元的安装误差导致的光线角度偏差，进一步地，所述零盲区激光雷达进一步包括：
光纠偏单元，所述光纠偏单元设置在所述接收光的光路上，且处于第二接收单元的上游；所述光纠偏单元包括：
第一器件，折射率为n1，所述第一器件具有位置相对的第一入射面和第一出射面，所述第一入射面和第一出射面间的夹角α为锐角；
第二器件，折射率为n2，所述第二器件具有位置相对的第二入射面和第二出射面，所述第二入射面和第二出射面间的夹角γ为锐角；所述第一器件的出射面和第二器件的入射面相对设置，且之间的夹角为α+γ；满足以下条件：
Figure GDA0003511048170000081
θ为发射单元的安装误差所导致的角度偏差。
本发明提供了与发射单元的光学主轴间形成锐角的第二接收单元，并对该锐角做了科学的限定，从而在根本上消除了盲区，真正实现了零盲区
实施例2：
根据本发明实施例1的零盲区激光雷达及其制造方法的应用例。
在该应用例中，发射光路出射光斑直径Dt为24mm，发射光路发散角θt为0.25mrad，第二接收单元的接收直径Dr为30mm，第二接收单元的接收视场角θr为6mrad，系统距离分辨率H为7.5m，第二接收单元与发射光路之间的距离L为50mm，设计探测距离R为500m，得到夹角β为3.25mrad时，第二接收单元的盲区
Figure GDA0003511048170000091
仅为3.6m，小于系统的距离分辨率，这样就实现了激光雷达的零盲区测量；θ＝±0.445°，第一器件和第二器件相同，也即α＝γ，n1＝n2＝1.5168；第一器件的入射面和第二器件的出射面均垂直于准直透镜的主轴；第一器件的出射面和第二器件的入射面间的夹角为52′，也即第一器件的楔角α(α＝γ)为26′，上述入射面和出射面均为平面。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

Claims (7)

1.一种零盲区激光雷达，所述零盲区激光雷达包括激光器、发射单元、第一接收单元和处理单元；其特征在于：所述零盲区激光雷达进一步包括：
第二接收单元，所述第二接收单元的输出端连接所述处理单元；所述发射单元的光学主轴和第二接收单元的光学主轴间的夹角β，夹角β的约束条件为：
Figure FDA0003511048160000011
且
Figure FDA0003511048160000012
Dt为发射单元的出射光斑直径；θt为出射光的发散角；Dr为第二接收单元的接收直径；θr为第二接收单元的接收视场角；R为第二接收单元的探测距离上限；L为第二接收单元和发射单元间的距离；H为激光雷达的距离分辨率；
在逆时针方向上，与发射单元的主轴重合的出射光到与第二接收单元的主轴重合的接收光形成的夹角为钝角。
2.根据权利要求1所述的零盲区激光雷达，其特征在于：所述发射单元包括准直透镜，Dt为所述激光器的出射光在所述准直透镜上的光斑直径。
3.根据权利要求2所述的零盲区激光雷达，其特征在于：所述第二接收单元包括会聚透镜，L为所述准直透镜中心到所述会聚透镜中心间的距离。
4.根据权利要求1所述的零盲区激光雷达，其特征在于：所述发射单元的光学主轴和第一接收单元的光学主轴间的夹角为0。
5.一种零盲区激光雷达的制造方法，所述零盲区激光雷达的制造方法包括以下步骤：
(A1)设置激光器、发射单元、第一接收单元、第二接收单元以及处理单元；所述第二接收单元的输出端连接处理单元；在逆时针方向上，与发射单元的主轴重合的出射光到与第二接收单元的主轴重合的接收光形成的夹角为钝角；
(A2)调整所述发射单元的光学主轴和第二接收单元的光学主轴间的夹角β，夹角β的约束条件为：
Figure FDA0003511048160000021
且
Figure FDA0003511048160000022
Dt为发射单元的出射光斑直径；θt为出射光的发散角；Dr为第二接收单元的接收直径；θr为第二接收单元的接收视场角；R为第二接收单元的探测距离上限；L为第二接收单元和发射单元间的距离；H为激光雷达的距离分辨率。
6.根据权利要求5所述的零盲区激光雷达的制造方法，其特征在于：所述发射单元的光学主轴和第一接收单元的光学主轴间的夹角为0。
7.根据权利要求5所述的零盲区激光雷达的制造方法，其特征在于：所述第二接收单元包括会聚透镜，L为所述会聚透镜中心到所述发射单元的光学主轴间的距离。
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