CN113655500A - 一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，包括以下步骤：步骤一：通过激光接收端口接收激光光束，并通过环形器发送到光开关；步骤二：通过光开关进行切换选择，选择相应的第二输入输出端口传输激光光束，并发送给对应的扩束透镜组；步骤三：通过扩束透镜组对发送来的激光光束进行激光光束的扩束；步骤四：将不同的扩束透光镜组进行扩束后的激光光束发送到光束偏折准直装置的偏折准直透镜组上，并通过偏折准直透镜组分别以不同的角度透射到待测物体上；步骤五：待测物体反射激光光束回波到偏折准直透镜组，再依次经由扩束透镜组、光开关和环形器，最终由接收激光回波导出端口输出激光光束回波。

Description

一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体地说，涉及一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法。

背景技术

随着激光雷达技术的长足发展，目前在大气数据探测方面，诸如风速、风场、大气温度、气溶胶浓度、大气云层分布等应用中，激光光雷达大显身手。相比传统大气数据探测，激光雷达具有高精度、高时空分辨率和探测空间范围大的特点。激光雷达整机主要包括激光光源、激光发射与接收光学系统、供电电源、探测模块、信号处理单元等组成。在大气数据测量激光雷达测量中需要要求具有发射激光和接收回波的作用。为探测矢量大气数据信息，需要沿不同方向发射激光与接收回波，所以激光发射与接收光学系统首先需具备多方向收发功能，其次共窗口孔径、收发端口共用可使系统结构更为紧凑、重量更为轻便，系统可靠性更高。

发明内容

本发明针对现有技术的上述需求，提出了一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，通过使用基于激光雷达测量的光学检测系统，切换不同的扩束透镜组来发送激光光束到偏折准直透镜组上，并偏折到不同的角度进行激光探测，然后接收激光回波，并以相同的收发路径进行反馈。本发明实现了共窗口孔径、收发端口共用下的多方向收发，且使用的系统结构更为紧凑、重量更为轻便，系统可靠性更高。

本发明具体实现内容如下：

本发明提出了一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，用于对待测物体进行测量，具体为使用基于激光雷达测量的光学检测系统进行以下操作：

步骤一：通过激光接收端口接收激光光束，并通过环形器发送到光开关；

步骤二：通过光开关进行切换选择，选择相应的第二输入输出端口传输激光光束，并发送给对应的扩束透镜组；

步骤三：通过扩束透镜组对发送来的激光光束进行激光光束的扩束；

步骤四：将不同的扩束透光镜组进行扩束后的激光光束发送到光束偏折准直装置的偏折准直透镜组上，并通过偏折准直透镜组分别以不同的角度透射到待测物体上；

步骤五：待测物体反射激光光束回波到偏折准直透镜组，再依次经由扩束透镜组、光开关和环形器，最终由接收激光回波导出端口输出激光光束回波；

步骤六：将输出的激光光束回波经后续相干耦合或混频后，再发送到光电探测器；

所述基于激光雷达测量的光学检测系统包括依次连接的环形器、光开关、激光扩束装置和光束偏折准直装置；

所述环形器不与光开关连接的一端分别设置有发射激光接收端口和接收激光回波导出端口；所述环形器的另一端设置有收发激光端口，在光开关上的一端设置有第一输入输出端口；所述环形器和光开关通过收发激光端口和第一输入输出端口进行连接；

所述光开关还设置有多组与第一输入输出端口可切换连接的第二输入输出端口；

所述激光扩束装置内与第二输入输出端口数量对应的多组用于对激光进行扩束并进行发射的扩束透镜组；

所述光束偏折准直装置内设置用于接收多组扩束透镜组发射的激光并分别从不同角度发射到待测物体上的偏折准直透镜组。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述扩束透镜组包括光束接收端、弯月凸透镜和平凸透镜；

将所述弯月凸透镜的凹侧面设置来与连接了对应的第一输入输出端口的光束接收端相对，弯月凸透镜的凸侧面与平凸透镜的平缓面相对，将所述平凸透镜的凹侧面与所述光束偏折准直装置的偏折准直透镜组设置来相对。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述偏折准直透镜组包括第一偏折凸透镜、第二偏折凸透镜和第二凹透镜；

将所述第一偏折凸透镜的弧面较缓的一侧面设置来与所述平凸透镜的凹侧面相对，所述第一偏折凸透镜的弧面较大的一侧面与所述第二偏折凸透镜的弧面较大的一面相对；

将所述第二偏折凸透镜的弧面较缓的一面设置来与所述第二凹透镜的平缓面相对；所述第二凹透镜的凹侧面朝向所述待测物体；

将所述第一偏折凸透镜、第二偏折凸透镜和第二凹透镜同轴设置；所述第二偏折凸透镜和第二凹透镜的镜片口径相等并小于第一偏折凸透镜的口径。

为了更好地实现本发明，进一步地，将多组所述扩束透镜组在激光扩束装置中绕轴均匀设置，扩束透镜组所绕的轴线与第一偏折凸透镜、第二偏折凸透镜和第二凹透镜同轴。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述偏折准直透镜组包括第一偏折凸透镜、第二偏折凸透镜和第二凹透镜；

将所述第一偏折凸透镜的弧面较缓的一侧面与所述扩束透镜组相对设置，将所述第一偏折凸透镜的弧面较大的一侧面与所述第二偏折凸透镜的弧面较大的一面相对设置；

将所述第二偏折凸透镜的弧面较缓的一面与所述第二凹透镜的平缓面相对设置；将所述第二凹透镜的凹侧面朝向所述待测物体设置；

将所述第一偏折凸透镜、第二偏折凸透镜和第二凹透镜同轴设置，所述第二偏折凸透镜和第二凹透镜的镜片口径相等并小于第一偏折凸透镜的口径。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述第二输入输出端口与扩束透镜组都设置三组，三组扩束透镜组分别为第一扩束透镜组、第二扩束透镜组和第三扩束透镜组；

在所述第一扩束透镜组中分别设置一号光束接收端、一号弯月凸透镜和一号平凸透镜；

在所述第一扩束透镜组中分别设置一号光束接收端、一号弯月凸透镜和一号平凸透镜；

在所述第一扩束透镜组中分别设置一号光束接收端、一号弯月凸透镜和一号平凸透镜。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：

在大气数据测量激光雷达中，激光发射与接收光学系统是其重要的组成部分，矢量大气数据解算一般需求探测方向数至少三个，本发明提出的光学系统能够很好的满足相关需求。在大气数据测量激光雷达中使用本发明光学系统，仅需一套激光光源与一套探测模块就能完成对多个方向的大气数据探测，结构简单无需机械扫描，探测方向切换灵活。同时，本发明光学系统中所使用的环形器、光开关分别实现发射激光与接收回波激光分离、探测方向切换功能，均为光纤连接的成熟封装器件，相对传统空间光学系统设计，体积小、重量轻，可靠性高，且无需复杂光学装调。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明环形器的端口接口示意图；

图3为本发明光开关的接口示意图；

图4为本发明激光扩束装置与光束偏折准直装置光路截面图；

图5为本发明激光扩束装置内扩束透镜组的设置分布示意图；

图6为本发明激光扩束装置与光束偏折准直装置的安装连接示意图。

其中：1、环形器，11、发射激光接收端口，12、收发激光端口，13、接收激光回波导出端口，2、光开关，21、第一输入输出端口，22、一号第二输入输出端口，23、二号第二输入输出端口，24、三号第二输入输出端口，3、激光扩束装置，31、第一扩束透镜组，311、一号光束接收端，312、一号弯月凸透镜，313、一号平凸透镜，32、第二扩束透镜组，321、二号光束接收端，322、二号弯月凸透镜，323、二号平凸透镜，33、第三扩束透镜组，331、三号光束接收端，332、三号弯月凸透镜，333、三号平凸透镜，4、光束偏折准直装置，41、第一偏折凸透镜，42、第二偏折凸透镜，43、第二凹透镜，5、待测物体。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本实施例提出了一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，如图1、图2、图3、图4、图6所示，用于对待测物体5进行测量，具体为使用基于激光雷达测量的光学检测系统进行以下操作：

步骤一：通过激光接收端口11接收激光光束，并通过环形器1发送到光开关2；

步骤二：通过光开关2进行切换选择，选择相应的第二输入输出端口传输激光光束，并发送给对应的扩束透镜组；

步骤三：通过扩束透镜组对发送来的激光光束进行激光光束的扩束；

步骤四：将不同的扩束透光镜组进行扩束后的激光光束发送到光束偏折准直装置4的偏折准直透镜组上，并通过偏折准直透镜组分别以不同的角度透射到待测物体5上；

步骤五：待测物体5反射激光光束回波到偏折准直透镜组，再依次经由扩束透镜组、光开关2和环形器1，最终由接收激光回波导出端口13输出激光光束回波；

步骤六：将输出的激光光束回波经后续相干耦合或混频后，再发送到光电探测器；

所述基于激光雷达测量的光学检测系统包括依次连接的环形器1、光开关2、激光扩束装置3和光束偏折准直装置4；

所述环形器1不与光开关2连接的一端分别设置有发射激光接收端口11和接收激光回波导出端口13；所述环形器1的另一端设置有收发激光端口12，在光开关2上的一端设置有第一输入输出端口21；所述环形器1和光开关2通过收发激光端口12和第一输入输出端口21进行连接；

所述光开关2还设置有多组与第一输入输出端口21可切换连接的第二输入输出端口；

所述激光扩束装置3内与第二输入输出端口数量对应的多组用于对激光进行扩束并进行发射的扩束透镜组；

所述光束偏折准直装置4内设置用于接收多组扩束透镜组发射的激光并分别从不同角度发射到待测物体5上的偏折准直透镜组。

工作原理：光开关2实物图示见图3，图中示例光通道数为3个。光开关2驱动及切换方式由外部信号处理单元控制，按时延顺序，各通道轮流切换扫描。光开关2第二输入输出端口与激光扩束装置的透镜组合第一输入输出端口光纤连接，一个光通道需要单独连接一个透镜组合。

在激光发射路径，激光扩束装置3将光开关2各通道传输激光扩束后入射光束偏折准直装置4；在激光回波接收路径，激光扩束装置3将光束偏折准直装置4接收回波耦合到光纤中。激光发射路径与回波接收路径为逆反关系，两者共光路，示意工作光路截面如图4所示。

激光扩束装置3结构安装在光束偏折准直装置的安装环面上，多个透镜组合31、32、33在安装环面以圆周对称方式布局，不同的安装点位确定了发射激光出射角度，图4为光束偏折准直装置3透镜组合31、32、33安装示意图。

光束偏折准直装置3将发射路径扩束激光按设计角度偏折并高度准直后发射到待测大气中，光束偏折角度决定了激光扩束装置3安装环面位置。而光束偏折角度与光束准直质量是根据光学设计，配合精密光学装调得以保证的，激光扩束装置3结构与光束偏折准直装置4的装配结构于图6整体系统透视图可见。在激光回波接收路径，光束偏折准直装置4接收大气后向散射回波，入射激光扩束装置3。

实施例2：

本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图4所示，所述扩束透镜组包括光束接收端、弯月凸透镜和平凸透镜；

将所述弯月凸透镜的凹侧面设置来与连接了对应的第一输入输出端口21的光束接收端相对，弯月凸透镜的凸侧面与平凸透镜的平缓面相对，将所述平凸透镜的凹侧面与所述光束偏折准直装置的偏折准直透镜组设置来相对。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，为了更好地实现本发明，如图4所示，进一步地，所述偏折准直透镜组包括第一偏折凸透镜41、第二偏折凸透镜42和第二凹透镜43；

将所述第一偏折凸透镜41的弧面较缓的一侧面设置来与所述平凸透镜的凹侧面相对，所述第一偏折凸透镜41的弧面较大的一侧面与所述第二偏折凸透镜42的弧面较大的一面相对；

将所述第二偏折凸透镜42的弧面较缓的一面设置来与所述第二凹透镜43的平缓面相对；所述第二凹透镜43的凹侧面朝向所述待测物体5；

将所述第一偏折凸透镜41、第二偏折凸透镜42和第二凹透镜43同轴设置；所述第二偏折凸透镜42和第二凹透镜43的镜片口径相等并小于第一偏折凸透镜41的口径。

本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图5所示，将多组所述扩束透镜组在激光扩束装置3中绕轴均匀设置，扩束透镜组所绕的轴线与第一偏折凸透镜41、第二偏折凸透镜42和第二凹透镜43同轴。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述第二输入输出端口与扩束透镜组都设置三组，三组扩束透镜组分别为第一扩束透镜组31、第二扩束透镜组32和第三扩束透镜组33；

在所述第一扩束透镜组31中分别设置一号光束接收端311、一号弯月凸透镜312和一号平凸透镜313；一号光束接收端311与一号第二输入输出端口22连接；

在所述第二扩束透镜组32中分别设置二号光束接收端321、二号弯月凸透镜322和二号平凸透镜323；二号光束接收端321与二号第二输入输出端口23连接；

在所述第三扩束透镜组33中分别设置三号光束接收端331、三号弯月凸透镜332和三号平凸透镜333。三号光束接收端331与三号第二输入输出端口24连接。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，用于对待测物体（5）进行测量，其特征在于，使用基于激光雷达测量的光学检测系统进行以下操作：

步骤一：通过激光接收端口（11）接收激光光束，并通过环形器（1）发送到光开关（2）；

步骤二：通过光开关（2）进行切换选择，选择相应的第二输入输出端口传输激光光束，并发送给对应的扩束透镜组；

步骤三：通过扩束透镜组对发送来的激光光束进行激光光束的扩束；

步骤四：将不同的扩束透光镜组进行扩束后的激光光束发送到光束偏折准直装置（4）的偏折准直透镜组上，并通过偏折准直透镜组分别以不同的角度透射到待测物体（5）上；

步骤五：待测物体（5）反射激光光束回波到偏折准直透镜组，再依次经由扩束透镜组、光开关（2）和环形器（1），最终由接收激光回波导出端口（13）输出激光光束回波；

步骤六：将输出的激光光束回波经后续相干耦合或混频后，再发送到光电探测器；

所述基于激光雷达测量的光学检测系统包括依次连接的环形器（1）、光开关（2）、激光扩束装置（3）和光束偏折准直装置（4）；

所述环形器（1）不与光开关（2）连接的一端分别设置有发射激光接收端口（11）和接收激光回波导出端口（13）；所述环形器（1）的另一端设置有收发激光端口（12），在光开关（2）上的一端设置有第一输入输出端口（21）；所述环形器（1）和光开关（2）通过收发激光端口（12）和第一输入输出端口（21）进行连接；

所述光开关（2）还设置有多组与第一输入输出端口（21）可切换连接的第二输入输出端口；

所述激光扩束装置（3）内与第二输入输出端口数量对应的多组用于对激光进行扩束并进行发射的扩束透镜组；

所述光束偏折准直装置（4）内设置用于接收多组扩束透镜组发射的激光并分别从不同角度发射到待测物体（5）上的偏折准直透镜组。

2.如权利要求1所述的一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，其特征在于，所述扩束透镜组包括光束接收端、弯月凸透镜和平凸透镜；

将所述弯月凸透镜的凹侧面设置来与连接了对应的第一输入输出端口（21）的光束接收端相对，弯月凸透镜的凸侧面与平凸透镜的平缓面相对，将所述平凸透镜的凹侧面与所述光束偏折准直装置的偏折准直透镜组设置来相对。

3.如权利要求2所述的一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，其特征在于，所述偏折准直透镜组包括第一偏折凸透镜（41）、第二偏折凸透镜（42）和第二凹透镜（43）；

将所述第一偏折凸透镜（41）的弧面较缓的一侧面设置来与所述平凸透镜的凹侧面相对，所述第一偏折凸透镜（41）的弧面较大的一侧面与所述第二偏折凸透镜（42）的弧面较大的一面相对；

将所述第二偏折凸透镜（42）的弧面较缓的一面设置来与所述第二凹透镜（43）的平缓面相对；所述第二凹透镜（43）的凹侧面朝向所述待测物体（5）；

将所述第一偏折凸透镜（41）、第二偏折凸透镜（42）和第二凹透镜（43）同轴设置；所述第二偏折凸透镜（42）和第二凹透镜（43）的镜片口径相等并小于第一偏折凸透镜（41）的口径。

4.如权利要求3所述的一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，其特征在于，将多组所述扩束透镜组在激光扩束装置（3）中绕轴均匀设置，扩束透镜组所绕的轴线与第一偏折凸透镜（41）、第二偏折凸透镜（42）和第二凹透镜（43）同轴。

5.如权利要求1所述的一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，其特征在于，所述偏折准直透镜组包括第一偏折凸透镜（41）、第二偏折凸透镜（42）和第二凹透镜（43）；

将所述第一偏折凸透镜（41）的弧面较缓的一侧面与所述扩束透镜组相对设置，将所述第一偏折凸透镜（41）的弧面较大的一侧面与所述第二偏折凸透镜（42）的弧面较大的一面相对设置；

将所述第二偏折凸透镜（42）的弧面较缓的一面与所述第二凹透镜（43）的平缓面相对设置；将所述第二凹透镜（43）的凹侧面朝向所述待测物体（5）设置；

将所述第一偏折凸透镜（41）、第二偏折凸透镜（42）和第二凹透镜（43）同轴设置，所述第二偏折凸透镜（42）和第二凹透镜（43）的镜片口径相等并小于第一偏折凸透镜（41）的口径。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，其特征在于，所述第二输入输出端口与扩束透镜组都设置三组。

7.如权利要求2或3或4所述的一种基于激光雷达测量大气数据的光学检测方法，其特征在于，所述第二输入输出端口与扩束透镜组都设置三组，三组扩束透镜组分别为第一扩束透镜组（31）、第二扩束透镜组（32）和第三扩束透镜组（33）；

在所述第一扩束透镜组（31）中分别设置一号光束接收端（311）、一号弯月凸透镜（312）和一号平凸透镜（313）；

在所述第一扩束透镜组（32）中分别设置一号光束接收端（321）、一号弯月凸透镜（322）和一号平凸透镜（323）；

在所述第一扩束透镜组（33）中分别设置一号光束接收端（331）、一号弯月凸透镜（332）和一号平凸透镜（333）。

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