CN110542893A - 一种机载双频激光雷达三通道光学接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载双频激光雷达三通道光学接收装置，主要是针对机载双频激光雷达浅海区域测量对532nm和1064nm探测回波的接收。装置设置有三个回波接收通道，海面、浅海区域、深水区域，采用先分束再分割视场的方式。装置采用大口径接收物镜增加接收视场(FOV),装置接收到回波先通过二向色分光镜将1064nm的回波反射到海表通道。532nm的回波透射穿过二向色镜中心视场的回波被小反射镜反射到浅海通道，其余的回波透过中空透镜进入深海通道。该发明有效降低了光学元件与通道之间的光学串扰，实现不同水深通道的能量采集，动态的压缩为了光电信号，改善了信噪比，有效提高了双频激光雷达的探测精度。

Description

一种机载双频激光雷达三通道光学接收装置

技术领域

本发明涉及一种双波长光学接收装置，主要是针对机载双频激光雷达532nm、和1064nm探测回波的接收。通过对回波先分束再分视场的方式，有效地降低了元件之间的光学串扰。解决了近海岸空中探测在大动态范围下的弱光的检测不高的问题。

技术背景

沿海地区有许多潮间带和岛礁，传统的船载声学测量方法效率极低，因此沿海地区三维综合测量一直是遥感领域的难点。由于海蓝绿光窗具有良好的透明度，激光点云数据可以快速准确地区分浅海水地形的特征。目前，世界上最有效的沿海地区探测方法是机载双频激光雷达探测技术，测量速度快，覆盖范围广。激光输出1064nm和532nm双波长激光，1064nm激光形成海面回波，532nm激光穿透海水形成浅海和深海回波。然而，在海水传播过程中，光子散射的数量随着水深的增加而增加，这将导致回波信号的衰减。因为海水传播中的光的横截面接近水深的一半，但是大光斑受水体散射的影响更加严重，使得传感器所接收的回波能量减少，将在很大程度上限制激光的最大测深精度。结果，在大动态范围内的弱光的检测不高，这对于近岸空中探测来说是一个难点。

双频激光雷达光学接收系统作为激光雷达海洋测深的重要组成部分，国内外都展开一系列的研究。目前世界上具有代表性的激光雷达测深系统包括美国NASA研制的EAARL系统，该系统只采用532nm单色绿波激光脉冲进行水深探测，激光脉冲能量低，脉冲宽度短，能无缝测量水下和沿岸地形。但是其激光回波接收视场(FOV)较窄，虽然能有效削弱阳光反射及水体散射对激光回波波形的影响，但是接收到的回波能量较低，影响其探测精度。国内在双频激光雷达方面最为突出的是中国科学院上海光学机密机械研究所开发的具有自主知识产权的机载双频激光雷达样机。其光学接收系统虽然同样采用了分视场的方式，但是其每个接收通道到都需要安装一个滤光片，这样大大增加了整光学接收系统轴向距离。还有目前机载激光雷达接收系统所存在的一个共性的问题就是为了保证人眼的安全，必须限制单位那面积激光的能量，通常都要采用扩大光斑面积的方法，但是大光斑受水体散射的影响更加严重，是的传感器所接受的回波能量减少，将在很大程度上限制激光的最大测量深度。基于目前这些主流的激光雷达光学接收结构，所存在的问题。本发明设计了一种双频激光雷达三通道光学接收装置，增大接收视场，然后再对扩大的接收视场进行分割，创新性的先分束再分割视场将波长和探测深度与接收视场角进行合理的分配，有效的降低了光学元件与通道之间的光学串扰。实现了不同水深通道的能量采集。该结构动态压缩的压缩了光电信号，并改善了信噪比，有效提高了双频激光雷达的探测精度。

发明内容

本发明是一种三通道双波长激光接收装置，通过扩大接收视场再进一步分割视场，改善信噪比，使每个通道的回波信号能量明显增强。

为了实现本发明的目的，采用以下技术方案以实现：接收光学系统设计有三个回波接收通道：海面，浅水和深水。每个接收通道对应于不同的检测器模块。来自海面和海底的回波信号由卡塞格林望远镜系统接收，采用大口径的接收物镜，增加接收系统视场(FOV),进入接收系统的三种回波，包括1064nm的海表回波，和532nm的浅海回波和532nm的深水回波。该装置采用先分束再分割视场的方式，1064nm回波被二向色分束器反射到海面通道中。1064nm回波在通道中准直并入射到APD的光敏表面上。因为海水传播中的光的横截面接近水深的一半。通过二向色分束器的532nm回波，子视场用于分别收集不同深度的回波。在532nm回波通过分色镜后的水平光路上。对于5mrad的中心小视场，设置45°镜子并嵌入在大视场的准直结构中的第一镜子的中心。小视场的532nm回波被反射到浅海通道中并准直到单象限PMT中。剩下的5～50mrand边缘大视场作为深水通道，准直大视场的532nm回波投射到高增益四象限PMT探测器模块上。

本发明的有益效果，双通道激光雷达三通道接收光学系统有效地降低了光学元件与通道之间的光学串扰，实现了不同水深通道的能量采集。该结构动态压缩光电信号并改善信噪比。通过减少过滤器的使用，减少了每个通道的轴向距离，并且减小了系统的尺寸和重量。有效提高机载双频激光雷达的探测精度。

附图说明

图1为本发明三通道光学接收装置的整体示意图；

图2为本发明三通道光学接收装置支架结构示意图

图3为本发明三通道光学接收装置嵌有反射镜的中空透镜结构示意图

图4为本发明三通道光学接收装置工作原理示意图

【附图标记说明】

1 接收窗口，

2 反射镜，

3 二向色分光镜，

4 准直透镜

5 聚焦透镜

6 固定支架

7 嵌有45°小反射镜的中空透镜，

8 装置固定基座

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体的实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1中所示，一种双频光学接收装置，主要是针对1064nm和532nm的浅海探测激光回波。双频激光回波由接收窗口1入射，再由位置2的45°反射镜改变光路。接收到的回波主要有三种类型。1064海表回波，532深水回波和532浅水回波。三种回波同时被接收，通过3位置处的二向色分光镜，1064nm的海面回波被反射进入了通道一，然后在通道1中经4位置处的双透镜准直结构，进行行准直聚焦，将焦点透射到光电探测器上。经过分光镜的532nm的回波，包含深水回波和浅水回波，继续沿通道水平向右到达位置5处。位置5处创新型的设计了一种新的镜片结构。如图2所示，在中空透镜的中部嵌入一个反射镜，柱状延伸出去。再在45°的斜面装一个反射镜，达到分割视场的目的。因为海水传播中的光的横截面接近水深的一半。光子散射的数量随水深的增加而增加。所以深水回波以大视场接收，浅水回波以小视场接收。为了避免小视场对大视场形成遮挡。所以将中空透镜的中心延伸出嵌入一个45°的反射镜。将532nm的浅海回波，反射至通道2中，经位置6处的准直结构将将532的回波聚焦投射到光电探测器上。除去中心部分的反射，位置5处的环状部分射过去大视场的532nm的回波。同样在7位置处进行准直然后，入射到光电探测器上。

本发明的最大创新就是，根据探测目标和探测的深度对视场进行分割，然后分通道接收不同的回波，在各个通道又进一步的准直，使的每种回波到达相应的光电探测器的时候能量达到最大。通过这种分通道的方式有效的降低了光学元件与通道之间的光学串扰，实现不同水深通道的能量采集。该结构动态压缩光电信号并改善信噪比，通过先分束再分视场的方式，避免各个通道使用滤波器，减少了每个通道的轴向距离，并减少了装置的尺寸和重量。可以有效提升机载双频激光雷达的探测精度。

本发明未详述之处，均为本技术领域人员公知技术。

Claims (4)

1.一种双波长光学接收装置，其特征在于：接收光学系统设计有三个回波接收通道：海面，浅水和深水；每个接收通道对应于不同的检测器模块：来自海面和海底的回波信号由卡塞格林望远镜系统接收，采用大口径的接收物镜；该装置采用先分束再分割视场的方式，1064nm回波被二向色分束器反射到海面通道中；1064nm回波在通道中准直并入射到APD的光敏表面上；因为海水传播中的光的横截面接近水深的一半；通过二向色分束器的532nm回波，子视场用于分别收集不同深度的回波；在532nm回波通过分色镜后的水平光路上；对于5mrad的中心小视场，设置45°镜子并嵌入在大视场的准直结构中的第一镜子的中心；小视场的532nm回波被反射到浅海通道中并准直到单象限PMT中；剩下的5～50mrand边缘大视场作为深水通道，准直大视场的532nm回波投射到高增益四象限PMT探测器模块上。

2.根据权利要求1所述的一种双波长光学接收装置，其特征在于采用大口径的接收物镜，采用先分束再分割视场的方式。

3.根据权利要求1所述的一种双波长光学接收装置，其特征二向色分光镜，1064nm的海面回波被反射进入了通道一，然后在通道中经双透镜准直结构聚焦。

4.根据权利要求1所述的一种双波长光学接收装置，其特征在在中空透镜的中部嵌入一个反射镜，柱状延伸出去；再在45°的斜面装一个反射镜，达到分割视场的目的。