CN1137389C - 多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置和调整方法，该装置由半导体激光器，准分子激光器，多个发射望远镜，氦氖激光器，YAG激光器，出射垂直折光镜，等腰棱镜，接收主镜，接收副镜，接收转向折光镜，视场光栏，准光镜，可移动的光轴平行调整折光镜，聚光镜，CCD探头，监视器和分光系统组成，调整装置结构简单，方法快捷，精度高，可视性强易操作。

Description

多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置

技术领域

本发明涉及大气污染检测技术领域，尤其是，一种用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置和调整方法。

背景技术

图1是激光雷达的一般原理方框图。通常的激光雷达由发射系统，控制系统，信号检测与处理系统和接收系统组成。

所述的激光发射系统包括激光器、发射望远镜等。其中，发射望远镜是用来改善激光发射信号的。激光经发射望远镜射向大气，在大气十传输时，受到大气介质的衰减和散射。其中的后向散射信号返回到激光雷达。激光雷达接收系统包括接收望远镜、光电转换和放大等部分。返回到激光雷达的激光散射信号被接收望远镜收集，经光电转换放大等环节，再由信号检测与处理系统分析和处理，得到我们所需要的大气参数和过程信息。控制系统是控制激光的发射与接收的同步和水平、俯仰转动等。

探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达是一种具有大功率激光发射能力的和大口径(D＝1m孔径)接收望远镜的、多波长从紫外到红外的激光雷达，它的探测能力是很强的，是目前我国口径最大的激光雷达。

图2是探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的原理方框图。图中，所述的多波长激光雷达包括：接收望远镜1，光阑电机2，小孔光阑3，光闸叶片4，光阑电机5，准光镜6，308nm光路7，355nm光路8，1060nm光路9，532nm光路10，偏振棱镜11，532nm水平偏振光路12，532nm垂直偏振光路13，355nm发射望远镜14，532nm发射望远镜15，308nm发射望远镜17，1060nm发射望远镜16，出射垂直折光镜18、19、20、21。

所述的多波长激光雷达有两台大功率激光器，其中Nd-YAG激光器输出三个波长的激光，分别是1060nm、532nm和355nm；XeCl激光器输出波长为308nm。这些激光经发射望远镜扩束并压缩发散角后射向大气，接收望远镜是一个口径为1米的卡塞格林式望远镜，焦点被侧转拉出，在焦点处有一个可调节的视场光阑。在近焦点处设置光闸，以减少光闸的开关过渡时间。分光系统将激光雷达收集的不同波长的激光回波信息分离，并导向光电转换器的光敏面上。其中308nm、355nm为紫外波段，采用微弱信号检测技术光子计数技术进行检测，532nm、1060nm采用模拟信号接收技术，并通过高速A/D转换成数字信号进入计算机进行信号处理。532nm有三个通道接收，其中有两个通道是用来检测激光大气偏振信息的。

控制部分包括光闸控制、激光触发控制、接收信号同步控制、望远镜调焦控制、接收视场角控制改变视场光阑、滤光片选择控制以及光轴平行调整。

图3是本发明激光雷达的总体结构示意图。图中，主计算机44，激光电源42，激光器28，光学平台41，发射望远镜16，出射垂直折光镜19，光学平台36，监视器25，顶层楼板37，观测圆顶房38，接收望远镜11，光学平台31，分光与接收系统22，控制机柜43，光闸4。

其中，激光雷达的激光发射光轴与大气回波信号接收光轴的平行是保证激光雷达接收信息正确与否的重要技术指标，也是光路调整中比较复杂的一项技术工作，若调整不好，会大大影响激光雷达的探测能力和探测结果的正确性。

已有的调整技术有以下几种方法：

A.平行光成像法

这种方法一般的应用对象是小型激光雷达。它采用专用设备如平行光管进行调整，它的一个基本要求就是平行光管的口径要大于发射与接收光轴的轴距。对于大型的激光雷达这几乎是不可能的。

B.恒星成像法

大型的激光雷达有的采用恒星成像的方法进行光轴平行调整。这种方法的基本要求是激光雷达能够转动，并能够瞄准或跟踪恒星。

C.激光打靶法

该方法有两种，其中一种也要求激光雷达能够转动，比如将激光雷达置于水平状态，使激光雷达的发射激光能够打到远处的反射靶上。另一种是在激光发射或接收光路中，设置一荧光靶面，采用激光雷达本身的激光器打靶，再用CCD摄像检测。

上述几种调整方法都比较复杂，并存在着以下几个问题：

A.对结构设计、加工精度要求高，调整时，系统的联动性很强，各个环节相互影响，因此需要来回地反复调整。

B.可视性差。调整时参考光源的光很微弱，如恒星成像法，有的光源瞬间就消失，如打靶法激光雷达的激光为脉冲光，最长也只有几十个毫微秒。

C.可操作性差，特别是对大型激光雷达，调整周期K，并需要多人合作。

D.整机价格较高，为保证光学调整的精度，整机结构精度要求较高，如水平、俯仰转向机构。

由于以上问题，所以激光雷达光轴一旦调整好后，必须马上固定，不能再随意更改光路设计中的任一环节，如增减接收通道等，否则不能确保激光发射和接收光轴的平行性。

发明内容

本发明的目的在于，设计了一种新型的光轴平行调整装置和方法，该装置可以采用可见的、连续的和准直的调整激光光源，因此可视性强，结构简单，容易操作，调整精度高，稳定性也好。

一种用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置，其探测臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达是由激光器、发射望远镜、接收望远镜、分光元件、光电转换元件、数据处理系统和控制部分组成，其经常性的光轴平行调整是影响探测准确性和可操作性的重要环节，其特征在于，所述的装置包括：半导体激光器，准分子激光器，308nm发射望远镜，氦氖激光器，YAG激光器，1060nm、3532nm、355nm发射望远镜，出射垂直折光镜，共四块，等腰棱镜，接收望远镜，视场光阑，准光镜，可移动的光轴平行调整折光镜，聚光镜，CCD探头，监视器和分光系统：其安装位置是出射垂直折光镜放置在发射望远镜前，等腰棱镜放置在与接收望远镜中心光轴垂直的基准面上，具有一定复位精度的可移动的光轴平行调整折光镜放置在准光镜后的接收光路中，与准光镜焦距相等的聚光镜放置在光轴平行调整光路中，CCD探头放置在聚光镜的焦点上，CCD探测器的监视器放置在出射垂直折光镜附近

以便于边观察边调整，辅助激光器放置在激光雷达的发射激光器的后面，使辅助激光器发出的可见的、连续的、准直的激光与发射激光器输出的激光同轴，经发射望远镜、出射垂直折光镜垂直射出，再由等腰棱镜将辅助激光器射出的光返回到接收光路，经接收望远镜、视场光阑、准直镜、可移动的光轴平行调整折光镜、聚光镜聚焦在CCD探头的光敏面上，形成一个可通过监视器观察辅助激光器输出激光像点、调整出射垂直折光镜的多波长激光雷达激光发射与接收光轴平行的调整装置。

附图说明

图1表示一般激光雷达工作原理的示意框图；

图2表示用于探测大气臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的工作原理的框图；

图3表示用于探测大气臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的总体结构示意图；

图4表示用于本发明多波长激光雷达的光轴平行调整装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明用于多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置以及调整方法进行详细的说明。

图4所示的多波长激光雷达的光轴平行调整装置，其中包括：半导体激光器48，准分子激光器29，308nm发射望远镜17，氦氖激光器47，YAG激光器28，1060nm、532nm、355nm发射望远镜16、15、14，出射垂直折光镜共4块18、19、20、21，等腰棱镜30，接收主镜9，接收副镜10，接收转向折光镜11，视场光阑13，准光镜6，可移动的光轴平行调整折光镜40，聚光镜45，CC1)探头46，监视器25，分光系统22。

其中：

1.可见的、连续的、准直的调整光源一辅助激光器(半导体激光器)48

作用：

A.调整激光器和激光雷达各光学元件时，用于准直指向和定位指示。

B.替代激光雷达中的Nd-YAG激光或XeCl准分子激光调整雷达发射与接收两轴平行

2.XeCl准分子激光器29 XeCl激光器输出波长为308nm激光。

3.发射望远镜(308nm)17用于对激光进行扩束，并压缩和改善激光发散角。

4.可见的、连续的、准直的调整光源一辅助激光器(He-Ne激光)47

作用：

A.调整激光器和激光雷达各光学元件时，用于准直指向和定位指示。

B.替代激光雷达中的Nd-YAG激光或XeCl准分子激光调整雷达发射与接收两轴平行。

5.YAG激光器28，输出波长为1060nm、532nm、355nm。

6.发射望远镜(1060nm)16、(532nm)15、(355nm)14用于对激光进行扩束，并压缩和改善激光发散角。

7.出射垂直折光镜18、19、20、21

至少具有水平、俯仰转角两个自由度的调整功能，它有两种作用，一是转向，二是调整光轴平行。

8.等腰棱镜30

将发射光路的调整光源的辅助光源发出的连续的、可见的准直激光导入接收光路，实现激光雷达本身的全光程的各光学元件的调整与定位，同时包括光轴平行调整。

9.接收望远镜1

激光雷达的接收天线，接收并会聚大气回波光信号。主光路转向。

10.视场光阑13

位于接收主镜的焦点处，光阑可限制接收视场角和来自主光路外的不同方向的杂散光。

11.准光镜6

将主光路光束变成平行光束，形成分光系统的基准光束。

12.可移动的光轴平行调整折光镜40

调两轴时用于光路转向，雷达观测时，把此镜撤出光路外。

13.聚光镜45

与准光镜焦距相等，用于将准光镜后的平行光束还原接收望远镜的焦点。

14.CCD探头46

放置在聚光镜的焦点上，用于检测光轴平行的误差。

15.监视器25

用于光轴平行误差显示。

16.分光系统22

用于多波长多通道的光电接收转换大气回波信号。

本发明的激光发射与接收光轴平行调整方法的基本原理是，在激光发射部分的激光器后增设一台辅助激光器，这台激光器所发射的光是连续的、可见的，如氦氖激光器、大功率半导体激光器等，并使该辅助激光器发射的激光与激光雷达中Nd-YAG激光器和XeCI准分子激光器发射的激光同轴，并分别以He-Ne激光代替Ne-YAG激光或以半导体激光代替XeCI准分子激光，经过出射垂直折光镜发射，通过放置在接收主镜平台(此平台经过高精度的研磨，平台面与主镜中心光轴垂直)上的等腰棱镜返回到接收主镜、副镜、45°反射镜，直达接受系统的焦点处成像，像点再经过准光镜，可转动的反光镜、聚光镜，到达CCD接收器光敏面上(CCD接收器放置点是事先调整接收系统时放在接收望远镜焦点的共轭处)通过显示器可看到像点。

在接收望远镜装配校准时，使用另一氦氖激光器调整其接受望远镜系统，并调整CCD的位置，使接收光路焦点在监视器上的映像显示在荧光屏的中央位置上，固定CCD接收器，并用记号笔在监视器荧光屏上留下标记。当再调整光轴平行时，调整出射垂直折光镜，观察显示器上的像点，如与望远镜装配校准时留下的标记重合，便证明两光轴已调整好了。

上述调整的调整精度在很大程度上取决于等腰棱镜的精度系统误差。这种方法解决了前面所述的复杂的技术问题，使光轴平行调整变得简单、快捷，并且由于可视性强，对接收光路焦点后的其它光学元件的调整和定位也变得非常方便，大大降低了整机结构的复杂程度，降低整机研制费用。

探测臭氧与平流层气溶胶多波长激光雷达是一个具有大口径D二1m接收望远镜的、多台激光器发射的和多波长多通道接收的激光雷达，它的接收望远镜有3吨，接收光路垂直固定，这种新型的光轴平行调整装置如图4所示。各部分元器件的作用如前所述。

在接收望远镜的主镜机械结构上，预先加工了一个供光轴平行调整的基准面平台，这个面的精度要求很高，在接收望远系统调整时，要将接收望远系统的光轴与这个基准面垂直。

在发射激光器后分别设置一台有连续的、可见光输出的氦氖激光器或半导体激光器，在每个发射望远镜前设置一块出射垂直折光镜。

等腰棱镜要保证入射光和出射光有高精度的平行是一块能进行发射和接收导光的条型等腰棱镜，长度有380mm。

在准直镜后面的光路中，设置一个可移动的，复位精度很高的平面反射镜，并在其反射光路中设置一与准直镜同焦距的聚光镜，形成一个与接收望远系统共轭的焦点，在此焦点处设置一个CCD摄影接收器，该CCD摄影接收器不需要镜头。

光轴平行调整的操作如图4所示。

这里以YAG激光器输出激光波长355nm为例，叙述其臭氧激光雷达发射系统和接收系统两光轴平行的调整方法，其它波长的光轴平行调整的方法完全相同。

A.调整辅助激光器一氦氖激光器，使氦氖激光器发出的激光穿透YAG激光器的工作物质--YAG激光晶体棒，使氦氖激光器与YAG激光器同轴

B.在接收主镜平台上放置一块高精度条状的等腰棱镜，并将氦氖激光导入接收光学系统。

巳推入可移动的光轴平行调整折光镜，打开CCD插头电源，打开监视器，使氦氖激光器聚焦在CCD探头的光敏面上，监视器显示出氦氖激光的像

D.调整355nm波长的出射垂直折光镜，使氦氖激光在监视器上显示的像与激光雷达装配校准时留下的光轴平行位置的标记重合。

已移走放在接收主镜平台上的条型等腰棱镜，并将可移动的光轴平行调整折光镜从分光光路中移开，关掉CCD、监视器、氦氖激光电源。调整结束。

这种方法非常快捷，并为今后光轴平行调整的自动化打下了技术基础。由于采用了辅助激光器，其可视性很强，当移开可转动的折光镜后，分光光路的调整与更改变得非常方便、安全，也使整机的机械结构变得简单了。

Claims (5)

1、一种用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置，其特征在于，所述的装置包括：出射垂直折光镜(18、19、20、21)放置在发射望远镜(14、15、16、17)前，等腰棱镜(30)放置在与接收望远镜(1)中心光轴垂直的基准面上，具有一定复位精度的可移动的光轴平行调整折光镜(40)放置在准光镜(6)后的接收光路中，与准光镜焦距相等的聚光镜(45)放置在光轴平行调整光路中，CCD探头(46)放置在聚光镜的焦点上，CCD探测器的监视器(25)放置在出射垂直折光镜附近以便于边观察边调整，用作辅助激光器的氦氖激光器(47)和半导体激光器(48)分别放置在激光雷达的发射激光器的YAG激光器(28)与准分子激光器(29)的后面；

使辅助激光器发出的可见的、连续的、准直的激光与发射激光器输出的激光同轴，经发射望远镜、出射垂直折光镜垂直射出，再由等腰棱镜将辅助激光器射出的光返回到接收光路，经接收望远镜、视场光阑、准直镜、可移动的光轴平行调整折光镜、聚光镜聚焦在CCD探头的光敏面上，形成一个可通过监视器观察辅助激光器输出激光像点、调整出射垂直折光镜的多波长激光雷达激光发射与接收光轴平行的调整装置。

2.一种用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置的调整方法，其特征在于，所述的方法是：

在激光发射部分的激光器后增设一台辅助激光器，这台激光器所发射的光是连续的、可见的，如氦氖激光器、大功率半导体激光器等，并使该辅助激光器发射的激光与激光雷达中Nd-YAG激光器和XeCI准分子激光器发射的激光同轴，并分别以He-Ne激光代替Ne-YAG激光或以半导体激光代替XeCI准分子激光，经过出射垂直折光镜发射，通过放置在接收主镜平台上的等腰棱镜返回到接收主镜、副镜、45°反射镜，直达接受系统的焦点处成像，像点再经过准光镜，可转动的反光镜、聚光镜，到达CCD接收器光敏面上，通过显示器可看到像点；

在接收望远镜装配校准时，使用另一氦氖激光器调整其接受望远镜系统，并调整CCD的位置，使接收光路焦点在监视器上的映像显示在荧光屏的中央位置上，固定CCD接收器，并用记号笔在监视器荧光屏上留下标记；

当再调整光轴平行时，调整出射垂直折光镜，观察显示器上的像点，如与望远镜装配校准时留下的标记重合，便证明两光轴已调整好了。

3.如权利要求2所述的用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置的调整方法，其特征在于，所述的方法是：

a.打开辅助激光器电源，调整辅助激光器，使辅助激光器输出激光穿透激光雷达发射激光器，使辅助激光器激光与发射激光器激光同轴；

b.在接收主镜平台上放置一块高精度条状的等腰棱镜，并将氦氖激光导入接收光学系统；

c.推入可移动的光轴平行调整折光镜，打开CCD插头电源，打开临视器，使氦氖激光器聚焦在CCD探头的光敏面上，监视器显示出氦氖激光的像：

d.调整出射垂直折光镜，使辅助激光器激光在监视器上显示的像与激光雷达装配校准时留在监视器上的光轴平行位置的标记重合；

e.移走放在接收主镜平台上的条型等腰棱镜，并将町移动的光轴平行调整折光镜从分光光路中移开，关掉CCD、监视器、辅助激光器电源，调整结束。

4、如权利要求2所述的用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置的调整方法，其特征在于，所述的接收主镜平台，经过高精度的研磨，且平台面与主镜中心光轴垂直。

5、如权利要求2所述的用于探测大气中臭氧和平流层气溶胶的多波长激光雷达的激光发射与接收光轴平行调整装置的调整方法，其特征在于，所述的CCD接收器，其放置点是事先调整接收系统时放在接收望远镜焦点的共轭处。

Images