CN114994711B - 一种基于菲索干涉仪的激光雷达 - Google Patents

一种基于菲索干涉仪的激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于菲索干涉仪的激光雷达，涉及激光雷达技术领域，该基于菲索干涉仪的激光雷达，包括：光源模块、光学收发模块、光学准直模块、菲索干涉仪、中空反射镜、折叠反射镜、线列探测器、第一探测器。本发明通过在中空反射镜的中心开设第一通孔，将较强的米散射信号和较弱的瑞利散射信号分离，采用两个探测器分别探测强弱不同的两组信号，既能够避免探测器被中心的米散射强信号击穿。通过设置折叠反射镜，将光信号的一半反射到线列探测器，另一半由线列探测器直接探测，从而实现线列探测器采样率的倍增；由于采用同一线阵探测器探测两倍范围的光谱，实现激光雷达信噪比的倍增。

Description

一种基于菲索干涉仪的激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种基于菲索干涉仪的激光雷达。
背景技术
大气探测激光雷达以其方向性好、时间分辨率和空间分辨率高、精度高、非接触探测等优点，已广泛应用于测速、成像、污染物监测、测风、测温、密度探测等领域。
大气探测激光雷达的基本原理是向大气中发射激光，接收激光与大气作用后的回波信号，并对回波信号进行进一步分析检测，以得到大气携带的信息。大气探测激光雷达的探测目标为空气分子及气溶胶粒子，因此，属于弱信号检测。弱信号检测对于光电探测器的要求很高。基于条纹图像技术的激光雷达中，探测器的采样率是很重要的指标。以电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)为例，采样率较低时，容易遗漏重要细节，无法完整采集目标图像的全部信息。
发明内容
（一）解决的技术问题
本发明目的为提供一种基于菲索干涉仪的激光雷达，该激光雷达解决了现有的激光雷达采样率较低时，容易遗漏重要细节，无法完整采集目标图像的全部信息的问题。
（二）技术方案
本发明是这样实现的：
一种基于菲索干涉仪的激光雷达，包括：光源模块、光学收发模块、光学准直模块、菲索干涉仪、中空反射镜、折叠反射镜、线列探测器、第一探测器；
所述光源模块用于输出脉冲激光信号；
所述光学收发模块用于将光源模块发射的激光信号发射到目标大气中，并接收目标大气返回的回波信号；
所述光学收发模块包括接收望远镜，所述接收望远镜用于接收目标大气返回的回波信号；
所述光学准直模块用于将所述接收望远镜出射的光转换为平行光输出；
所述光学准直模块输出的平行光经所述菲索干涉仪干涉后形成干涉光；
所述中空反射镜用于反射所述干涉光；所述中空反射镜的中心开设有第一通孔，所述第一通孔的中心与所述干涉光的中心对准，通过所述第一通孔的干涉光经第一探测器探测；
经中空反射镜反射后的干涉光，一半经折叠反射镜反射到所述线列探测器，另一半直接入射到所述线列探测器。
进一步的，所述中空反射镜的法线方向与所述平行光的出射方向的夹角为第一夹角，所述线列探测器与所述折叠反射镜垂直设置；所述折叠反射镜与所述中空反射镜的第二夹角满足下式：
0°<A<90°；
B=A-45°；
其中，A为第一夹角，B为第二夹角。
进一步的，所述第一夹角A为45度，所述折叠反射镜与所述中空反射镜平行设置，所述线列探测器与所述折叠反射镜垂直设置。
进一步的，所述线列探测器为线列CCD、线列ICCD、线列光电倍增管或线列雪崩二极管。
进一步的，所述菲索干涉仪包括两块光学平板，两块光学平板之间形成不为零的第三夹角。
进一步的，还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述接收望远镜的出射光路上，用于使接收望远镜出射的信号通过。
进一步的，所述第一探测器为光电倍增管、雪崩二极管、线列光电倍增管或线列雪崩二极管。
进一步的，所述第一通孔为圆孔，第一通孔的尺寸由米散射信号谱的宽度确定。
（三）有益效果
1、本发明采用菲索干涉仪产生明暗相间的条纹状的干涉光，通过线列探测器来测量干涉条纹，能够提高采样率。
2、现有技术中，当较强的米散射信号和较弱的瑞利散射信号同时探测时，为了避免探测器被强信号击穿，往往会牺牲弱的瑞利散射信号，导致损失大量有用信息。本发明通过在中空反射镜的中心开设第一通孔，将较强的米散射信号和较弱的瑞利散射信号分离，采用两个探测器分别探测强弱不同的两组信号，既能够巧妙地避免探测器（如CCD/PMT/APD）被中心的米散射强信号击穿，又能兼顾两种强弱不同的信号同时得到充分有效地探测。
3、本发明通过设置折叠反射镜，将光信号的一半反射到线列探测器，另一半由线列探测器直接探测，从而实现线列探测器采样率的倍增，16位的CCD达到32位CCD的采样率，相当于对整个信号的光谱做了32位的采样，有效提高信号探测的采样率。
4、本发明采用同一个线阵探测器探测两倍范围的光谱，在实现探测信号增大一倍的同时，并没有引入新的探测噪声，噪声水平保持不变，从而实现激光雷达信噪比的倍增，显著提高激光雷达的探测性能。
5、本发明通过提高信号的探测效率，能够在探测米散射信号的同时，详细地采集和提取到大气中的瑞利布里渊谱，而布里渊谱的间距与大气的气压和温度相关，通过对瑞利布里渊谱的分析计算，实现大气气压和温度的测量，极大地丰富和拓展了测量领域和范围。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于菲索干涉仪的激光雷达的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于菲索干涉仪的激光雷达的另一结构示意图；
图3为本发明提供的菲索干涉仪的原理图；
图4为本发明提供的中空反射镜的示意图；
图5 为本发明提供的一种基于菲索干涉仪的激光雷达的原理图。
其中，1、接收望远镜；2、菲索干涉仪；3、中空反射镜；4、第一探测器；5、折叠反射镜；6、线列探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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。
图1为本发明提供的一种基于菲索干涉仪的激光雷达的结构示意图；如图1所示，本发明提供了一种基于菲索干涉仪的激光雷达，包括：光源模块、光学收发模块、光学准直模块、菲索干涉仪2、中空反射镜3、折叠反射镜5、线列探测器6、第一探测器4；
所述光源模块用于输出脉冲激光信号。
所述光学收发模块用于将光源模块发射的激光信号发射到目标大气中，并接收目标大气返回的回波信号。
所述光学收发模块包括接收望远镜1，所述接收望远镜1用于接收目标大气返回的回波信号。
所述光学准直模块用于将所述接收望远镜1出射的光转换为平行光输出。
所述光学准直模块输出的平行光经所述菲索干涉仪2干涉后形成干涉光。
所述中空反射镜3用于反射所述干涉光；所述干涉光在中空反射镜3上形成明暗相间的干涉条纹。所述中空反射镜3的中心开设有第一通孔31，所述第一通孔31的中心与所述干涉光的中心对准，通过所述第一通孔31的干涉光经第一探测器4探测。
经中空反射镜3反射后的干涉光，一半经折叠反射镜5反射到所述线列探测器6，另一半直接入射到所述线列探测器6。
进一步的，所述中空反射镜3的法线方向与所述平行光的出射方向的夹角为第一夹角，所述线列探测器6与所述折叠反射镜5垂直设置；所述折叠反射镜5与所述中空反射镜3的第二夹角满足下式：
0°<A<90°；
B=A-45°；
其中，A为第一夹角，B为第二夹角。
在一个实施例中，如图1所示，所述第一夹角A为45度，所述折叠反射镜5与所述中空反射镜3平行设置，所述线列探测器6与所述折叠反射镜5垂直设置。当第一夹角为45度时，能够大大降低装配难度，并能节省空间，从而减小整个系统的体积。
在另一个实施例中，如图2所示，所述第一夹角为30度，所述折叠反射镜5与所述中空反射镜3具有15度的夹角，为了实现经中空反射镜3反射后的干涉光，一半经折叠反射镜5反射到所述线列探测器6，另一半直接入射到所述线列探测器6，线列探测器6与所述折叠反射镜5的位置与图1相比有较大改变。
具体的，所述线列探测器6为线列CCD、线列ICCD、线列光电倍增管或线列雪崩二极管中的一种。
在一个实施例中，还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述接收望远镜1的出射光路上，用于使接收望远镜1出射的信号通过，同时，最大限度地隔离背景光。
具体的所述菲索干涉仪2包括两块光学平板，两块光学平板之间形成不为零的第三夹角。在一个实施例中，所述第三夹角为5~20度。
菲索干涉仪2，英文名为Fizeau干涉仪，是由两块互相成一定角度的高光学质量平板组成。如图3所示，N0P为直接透射光，NnP为干涉仪平板间来回反射n次后的透射光，其中W0O和WnO为两透射光线等位相面。干涉仪一工作面与y方向平行，另一工作面与y成α夹角（第三夹角）。
理想情况下多光束Fizeau干涉仪透过率函数为：
Figure 18170DEST_PATH_IMAGE001
其中，T表示理想情况下多光束Fizeau干涉仪透过率，A为标准具平板中吸收或散射引起的损失,R为标准具工作面的反射率,k为波数,等于2π/λ,p为光在两平板之间的反射次数,δn表示光通过干涉仪反射n次后的透射波与直接透射波的总相位差，i为虚数因子。
在图3所示的入射情况下,P(x,y)为产生干涉叠加方一点,
Figure 466468DEST_PATH_IMAGE002
,展开后可近似为
Figure 511785DEST_PATH_IMAGE003
Figure 172573DEST_PATH_IMAGE004
其中,α为两平板所成的夹角,θ为入射光线在后一块平板上的入射角即入射光照射角,L为干涉仪平板之间的间隔。考虑x=0的简单情况,即平板后表面产生的干涉条纹。则
Figure 252525DEST_PATH_IMAGE005
Figure 340567DEST_PATH_IMAGE006
定义
Figure 873179DEST_PATH_IMAGE007
,则
Figure 839123DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 39160DEST_PATH_IMAGE009
,因此,多光束Fizeau干涉仪理想情况下透射率公式可以表示为
Figure 298103DEST_PATH_IMAGE010
通过探测干涉条纹，能够分析出出射到菲索干涉仪2的信号。菲索干涉仪2会把光信号形成等间隔的条纹，最后形成一个强度像。本发明采用菲索干涉仪2产生明暗相间的条纹状的干涉光，通过线列探测器6来测量干涉条纹（即强度像），能够提高采样率。
所述第一探测器4为光电倍增管、雪崩二极管、线列光电倍增管或线列雪崩二极管。
所述第一通孔31为圆孔，第一通孔31的尺寸由米散射信号谱的宽度确定。具体的，第一通孔31的大小等于米散射信号在中空反射镜3的投影面积，即第一通孔31的大小能够使得米散射信号透过。
图4为本发明提供的中空反射镜的示意图；如图4所示，中空反射镜中心具有圆形的第一通孔以使强的米散射信号通过。
图5 为本发明提供的一种基于菲索干涉仪的激光雷达的原理图。其中，左图为混合有米散射信号和瑞利散射信号的回波信号；其中，中心的凸起为米散射信号，下方的缓慢变化曲线为瑞利散射信号。
米散射信号很强，对应于时域中，为6ns-200ns，具体取决于脉冲宽度。经傅里叶变换（FFT变换）后，频率约为3-270MHz。也就是说，米散射信号实际上是一个很窄的信号。而分子谱则为3-5GHz，很宽。
图5的右边为采用本发明的技术方案分离后的米散射信号和瑞利散射信号。上方是窄带而强的米散射信号，下方是宽谱而平缓的瑞利散射弱信号。
本发明通过在中空反射镜的中心开设第一通孔，将较强的米散射信号和较弱的瑞利散射信号分离，采用两个探测器分别探测强弱不同的两组信号，既能够巧妙地避免探测器（如CCD/PMT/APD）被中心的米散射强信号击穿，又能兼顾两种强弱不同的信号同时得到充分有效地探测。
现有技术中，当较强的米散射信号和较弱的瑞利散射信号同时探测时，为了避免探测器被强信号击穿，往往会牺牲弱的瑞利散射信号，导致损失大量有用信息。本发明通过分离米散射和瑞利散射信号很好地克服了这一缺点。
本发明通过设置折叠反射镜，将光信号的一半反射到线列探测器，另一半由线列探测器直接探测，从而实现线列探测器采样率的倍增，16位的CCD达到32位CCD的采样率，相当于对整个信号的光谱做了32位的采样，有效提高信号探测的采样率。
本发明采用同一个线阵探测器探测两倍范围的光谱，在实现探测信号增大一倍的同时，并没有引入新的探测噪声，噪声水平保持不变，从而实现激光雷达信噪比的倍增，显著提高激光雷达的探测性能。
本发明通过提高信号的探测效率，能够在探测米散射信号的同时，详细地采集和提取到大气中的瑞利布里渊谱，而布里渊谱的间距与大气的气压和温度相关，通过对瑞利布里渊谱的分析计算，实现大气气压和温度的测量，极大地丰富和拓展了测量领域和范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种基于菲索干涉仪的激光雷达，其特征在于，包括：光源模块、光学收发模块、光学准直模块、菲索干涉仪、中空反射镜、折叠反射镜、线列探测器、第一探测器；
所述光源模块用于输出脉冲激光信号；
所述光学收发模块用于将光源模块发射的激光信号发射到目标大气中，并接收目标大气返回的回波信号；
所述光学收发模块包括接收望远镜，所述接收望远镜用于接收目标大气返回的回波信号；
所述光学准直模块用于将所述接收望远镜出射的光转换为平行光输出；
所述光学准直模块输出的平行光经所述菲索干涉仪干涉后形成干涉光；
所述中空反射镜用于反射所述干涉光；所述中空反射镜的中心开设有第一通孔，所述第一通孔的中心与所述干涉光的中心对准，通过所述第一通孔的干涉光经第一探测器探测；
经中空反射镜反射后的干涉光，一半经折叠反射镜反射到所述线列探测器，另一半直接入射到所述线列探测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于菲索干涉仪的激光雷达，其特征在于，所述中空反射镜的法线方向与所述平行光的出射方向的夹角为第一夹角，所述线列探测器与所述折叠反射镜垂直设置；所述折叠反射镜与所述中空反射镜的第二夹角满足下式：
0°<A<90°；
B=A-45°；
其中，A为第一夹角，B为第二夹角。
3.根据权利要求2所述的一种基于菲索干涉仪的激光雷达，其特征在于，所述第一夹角A为45度，所述折叠反射镜与所述中空反射镜平行设置，所述线列探测器与所述折叠反射镜垂直设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于菲索干涉仪的激光雷达，其特征在于，所述线列探测器为线列CCD、线列ICCD、线列光电倍增管或线列雪崩二极管。
5.根据权利要求1所述的一种基于菲索干涉仪的激光雷达，其特征在于，所述菲索干涉仪包括两块光学平板，两块光学平板之间形成不为零的第三夹角。
6.根据权利要求1所述的一种基于菲索干涉仪的激光雷达，其特征在于，还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述接收望远镜的出射光路上，用于使接收望远镜出射的信号通过。
7.根据权利要求1所述的一种基于菲索干涉仪的激光雷达，其特征在于，所述第一探测器为光电倍增管、雪崩二极管、线列光电倍增管或线列雪崩二极管。
8.根据权利要求1所述的一种基于菲索干涉仪的激光雷达，其特征在于，所述第一通孔为圆孔，所述第一通孔的尺寸由米散射信号谱的宽度确定。
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