CN1118712C - 激光雷达光接收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光雷达光接收器，它由钢杆、球面目镜、滤光片、外壁构成，非球面物透镜装在物镜固定板内，物镜压圈固定在物镜固定板与上夹板之间并与弹簧相连，球面目镜装在目镜套筒内，目镜压圈固定目镜套筒并与光栏套筒相连，光栏套筒与套筒支架相连。本发明结构简单，造价低廉，使用方便，光学性能好，收光效率高，本装置适用于各种中、小型激光雷达中。
Description
本发明涉及一种激光雷达光接收器，尤其适用于对大气，海洋和陆地进行各种高时空分辨能力的遥感探测。
目前，国际上绝大多数激光雷达都用反射式望远镜作为其光接收器，反射式望远镜由物镜系统和目镜组成，而物镜系统又包括主反射镜和辅反射镜。辅反射镜置于主反射镜上方，光线进入主反射镜后射向辅反射镜，再由辅反射镜反射并聚焦于焦平面上。焦平面处的小孔光栏用于控制望远镜的接收视场，通过焦点后的光线经目镜准直成平行光，经适当光学滤光后由光电倍增管接收。
在激光雷达技术发展的早期，也有极少数激光雷达采用过透射式结构的望远镜来做激光雷达的光接收器，由于其目的主要在于简化结构、减轻重量和降低成本方面，故选用了轻质和廉价的塑料制成的菲涅尔式透镜来做物镜，光线经此菲涅尔物镜聚焦后，由处于焦平面处的小孔光栏控制视场，再经目镜准直，滤光后由光电倍增管接收。
反射式望远镜的优点是具有很高的光学质量，而且适合于做成较大的口径，因而在激光雷达技术中获得了广泛的应用。但其缺点是结构复杂、调整困难、造价昂贵，而且收光效率也不高。这是因为反射式望远镜的目镜系统由两块反射镜构成，两者的相对位置和取向必须精确调定才能保证系统的光学性能，这不仅增加了反射式望远镜的结构复杂性和调整难度，还导致了该系统光学性能稳定性的降低，即一旦这种复杂结构的调整发生微小变化，就会造成系统光学性能的下降，另外，反射式系统的所有反射镜均需镀反射膜(通常为铝膜)。性能最好的铝膜的反射率约90％，两块物镜的反射损失加上主反射镜上方的辅反射镜的挡光使反射式物镜系统的总收光率仅为约70％。此外，镀膜层的反射率还会随着使用时间的加长而下降，严重时需将所有反射镜拆下重新镀膜，所有这些，均导致反射式望远镜系统存在较低收光效率的缺点。
菲涅尔透射式望远镜虽然具有结构简单、重量轻、造价低等优点，但由于它采用塑料制成的菲涅尔透镜做物镜，使系统的光学质量无法保证。菲涅尔透镜除具有聚焦功能外，没有任何象差补偿能力，致使物镜焦平面上的弥散斑很大(通常为数毫米量级)，这样，不仅无法通过控制视场进一步降低各种象差，而且也不能通过小视场运用来抑制本底杂散光的干扰，同时，塑料的低光学性能和菲涅尔作用原理也降低了菲涅尔透射系统的光收集效率，由于这些缺点，使菲涅尔透射式望远镜不能满足大多数激光雷达的使用要求，特别是随着激光雷达技术的发展，在激光雷达的其它部件技术都有了很大提高的条件下，对其光接收器的光学质量也提出了相应较高的要求。所有这些，都是菲涅尔透射式望远镜已不再在激光雷达中被采用的原因。经检索，未发现一种激光雷达光接收装置被公开使用。
本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷提供一种光学性能好、收光效率高、结构简单、造价低廉，使用方便的激光雷达光接收器。
为此本发明提供了一种激光雷达光接收器，它由激光发射器、光接收器和信号处理器三部分组成，激光发射器发出激光束射向探测目标，从目标散射回来的微弱光由光接收器收集，最后经信号处理器显示和记录。由于激光雷达的探测目标(如大气)的光散射率很低，而且通常被探测目标的距离很远(如高空探测激光雷达的探测距离在100公里量级，卫星激光雷达的探测距离在1000公里量级)。这样，经目标散射回来的光是非常微弱的，通常是以单个光子的形式散射回来。因此，要求激光雷达的光接收器要有很高的收光效率。而且，激光雷达通常工作于信号光很弱而本底杂散光很强的条件下，这就要求其光接收器具有很好的视场控制能力，以达到在全部接收信号光的同时，最大限度抑制本底杂散光。也就是说，光接收器必须具有很高的光学质量，尤其是很小的弥散斑尺寸。按照这些要求我们设计了一种非球面透射式激光雷达光接收器，该器包括非球面物透镜，非球面物透镜呈椭球面形，可调视场光栏和球面目透镜及窄带滤光片、光电倍增管均安装在四根支杆和三块夹板组成的支杆，夹板组件上，激光雷达光接收器呈正方柱体形状，主体部分由四根钢杆和上、中、下三块铝质套板构成，其四周用薄铝板包围，主体中所有金属构件均发黑或涂以无光黑漆以防止杂光散射。上套板用以安装非球面物透镜，中套板位于其焦平面附近用以安装视场光栏组件，下套板用以安装园形铸铁底座以支撑主体结构。视场光栏和球面目透镜需做成一体，形成组件，并固定两者相对位置使视场光栏处于球面目透镜焦平面上，整个组件安装在中套板下方，并有微调机构以保证视场光栏处于非球面物透镜焦平面上，系统光轴的调准可用两种技术实现：非球面透镜的两维角度调节或视场光栏组件的两维线度调节。相对而言，前者较为简单，后者较为稳定。
采用非球面物透镜可以有效地消除物镜系统的主要象差——球差，从而使物透镜焦平面上的弥散斑尺寸大为减少。本非球面物透镜采用y2＝ax+bx2所示的简单椭球面形，在口径＝400mm，焦距＝1490mm，中心厚度＝40mm，边缘厚度＝15mm时，其边缘球差仅为0.028，其焦平面弥散斑尺寸仅为0.02mm，均比相应的普通球面面形的光学玻璃物透镜的象差和弥散斑尺寸小数百倍，比塑料制的菲涅尔物透镜就要小得更多，由于弥散斑尺寸的减少，使本光接收器可以工作于小视场状态，从而减小了许多其它的轴外象差。而且，弥散斑的减小也有利于有效地远用焦平面补偿方法，以减少系统的色差。进入非球面物透镜的光线被聚焦于其焦平面，经视场光栏控制接收视场后，由球面目透镜准直变成平行光束，再经窄带滤光片后，由光电倍增管接收。由于通过视场光栏之后的光线将以光强形式被检测，对象差影响没有特殊要求，故采用普通球面目透镜即可。采用口径＝35mm，焦距＝70mm的球面目透镜，使准直后的平行光束直径约为20mm，可直接用光电倍增管接收，省去了滤光后的聚焦透镜，进一步减化结构和降低成本。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：具有结构简单，使用方便，光学性能稳定，造价低廉和收光效率高，和目前常用的反射式结构相比，由于目镜从使用两块反射镜变成仅用一块透射镜，.使主体结构大为简化，再加上合理的结构设计，使之经数年使用不需重新调整，不仅降低了成本、方便了使用，而且还保证了该系统性能的稳定性。由于不存在反射式系统中两块反射镜反射率的限制和辅镜挡光等同题，使本透射式系统的收光效率大大优于反射式系统。通过采用非球面物镜有效地消除了球差，减小了弥散斑尺寸，使本非球面透射式系统与菲涅尔透射式系统相比，在光学质量上有了较大的提高。由于球差的消除和弥散斑尺寸的减少，使本系统的视场控制有效。这样，不仅降低了系统的各种轴外象差、还使色散得到有效补偿。同时，小视场的运用还大大提高了激光雷达的本底杂散光抑制能力，提高了激光雷达的探测性能。这些都是菲涅尔透射式系统难以达到的。此外，光学玻璃透镜的透光能力也比塑料菲涅尔镜透的透光能力高得多，且光学玻璃透镜还可以通过镀增透膜的方法进一步增加其透射，这就更加提高了本透射式系统的收光能力。该激光雷达瑞散射部的最大探测高度已达80公里，其钠层荧光部分的探测范围达80-110公里，本激光雷达光接收器适合应用于各种中、小型激光雷达中。
图1为激光雷达光接收器结构示意图。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
根据图1可知，整个装置的主体是一个长方体框架结构，呈正方柱体形状，主体部分由四根钢杆和上、中、下三块铝质套板构成，长方体框架由外壁14密封，外壁14与上夹板2、中夹板6、下夹板10连接固定，四根钢杆4的上端与上夹板2上的孔螺纹连接，中夹板6上有四个通孔穿过钢杆4用卡子固定，钢杆4的底端穿过下夹板10用锁紧螺母23紧固。底座24与框架相连，整个框架放在底座24上并由八个螺栓紧固。框架上部是非球面物透镜(椭球面)3，非球面物透镜3装在物镜固定板1内，由物镜压圈12固定在物镜固定板1与上夹板2之间并与8根弹簧13相连，另外在物镜固定板1上装有三个调节丝杆11，由于重力作用使丝杆11的另一端与上夹板2紧密接触，这三个丝杆11可调整非球面物透镜3的水平。视场光栏5拧在光栏套筒15的上端，球面目镜7装在目镜套筒17内，并由目镜压圈18固定，目镜套筒17与光栏套筒15螺纹相连，使球面目镜7可相对于视场光栏5上下移动，便于对焦，并用紧固螺钉锁定在其下端，光栏套筒15与套筒支架16螺纹相连，使视场光栏系统可上下移动，便于与非球面物透镜3的焦点重合，套筒支架16用螺栓固定在中夹板6下方。四根支架22的下部与下夹板10螺钉相连，四根支架22的上部与支架板21螺钉相连，支架板21的上部套有一个滤光片套筒20，内装滤光片8，并用滤光片压圈19螺纹压紧，整个滤光片套筒20部分可随时拿出更换滤光片，支架板21的下部与光电倍增等9螺栓相连。
Claims (5)
1、一种激光雷达光接收器，它由非球面物镜(3)、视场光栏(5)、球面目镜(7)、滤光片(8)和光电倍增管(9)构成，其特征是采用非球面透射式结构，它由四杆钢杆(4)和上、中、下块夹板形成主体框架，非球面物镜(3)安装在物镜固定板(1)内，并通过弹簧(13)安装于上夹板(2)的上方，视场光栏(5)和球面目镜(7)构成组件安装在中夹板(6)的下方，并使视场光栏(5)同时处于非球面物镜(3)和球面目镜(7)共同的焦平面上，滤光片(8)和光电倍增管(9)分别安装在支架板(21)的上下方，支架板(21)通过四根支架(22)固定在下夹板(10)的上方。
2、根据权利要求1所述的一种激光雷达光接收器，其特征是外壁(14)与上夹板(2)、中夹板(6)、下夹板(10)连接固定，钢杆(4)的上端与上夹板(2)上的孔螺纹连接，中夹板(6)上通孔穿过钢杆(4)并用卡子固定，钢杆(4)的底端穿过下夹板(10)用锁紧螺母(23)紧固。
3、根据权利要求1所述的一种激光雷达光接收器，其特征是物镜固定板(1)上装有调节丝杆(11)，调节丝杆(11)的另一端与上夹板(2)紧密接触。
4、根据权利要求1所述的一种激光雷达光接收器，其特征是球面目镜(7)装在目镜套筒(17)内，并由目镜压圈(18)固定，目镜套筒(17)与光栏套筒(15)螺纹相连。
5、根据权利要求1所述的一种激光雷达光接收器，其特征是非球面物透镜(3)呈椭球面形。
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