CN1392421A - 具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其用于大气及云层测量，包含有一固体激光器，输出倍频激光束经扩束、准直后，由微光学波面整形器将高斯光强分布变换成平顶中空环形光束，与望远镜高效耦合后变成低强度的扩束微脉冲射向大气目标，从大气目标返回的后向散射信号由同一个望远镜收集，经窄带干涉滤光片滤掉背景杂散光后，通过光电二极管将探测信号送入电脑处理器，进行模数转换及数据处理，得到大气参数分布。

Description

具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统
本发明涉及一种脉冲激光雷达系统，特别涉及一种用于大气探测的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其主要用于探测云层高度及气溶胶密度等大气参数。
用于大气气溶胶密度及云层高度测量的激光雷达系统，一般由脉冲激光光源、激光发射及接收单元、信号探测单元、数据采集及处理单元组成，激光束经发射光学单元射向大气目标，接收单元收集来自云层、气溶胶等大气目标的后向散射光，经高速数据采集及处理单元处理后就可以对大气目标的高度及密度分布进行定量监测。
目前常用的激光雷达系统一般以大脉冲能量(0.1-1.0焦耳)、低重复频率(数十赫兹)的脉冲激光器作为光源，对测量现场附近的人群及飞机等有严重的安全问题，很难满足对大气目标长时间自动监测的要求。随着相关配套单元技术的进展，采用低脉冲能量(1-50微焦耳)、高重复频率(1-20千赫兹)的脉冲激光光源，扩束至人眼安全的强度后再射向大气目标的微脉冲激光雷达系统，已日益获得研究人员的关注.
如图2所示，为已有技术的非共轴微脉冲激光雷达系统示意图，其公开在IEEE“地球科学和遥感”论文集(Transactions on Geoscience andRemote Sensing.)  31(1)，48-55(1993)，论文题目为“微脉冲激光雷达”(Micro Pulse Lidar)，作者Jamcs D.Spinhirne。该系统的发射光学组件与接收光学组件采用独立并行放置的非共轴设计，从激光二极管激励(泵浦)的钕-四氟化钇锂(Nd；YLF)激光器输出的二倍频(523nm)激光束经扩束、准直后射向大气目标，来自目标的后向散射信号经卡塞格伦(Cassegrain)望远镜收集后，通过窄带干涉滤光片去掉背景杂散光，所得的信号光聚焦后由雪崩光电二极管采集送入电脑处理，可以获得大气中云层及气溶胶的空间分布数据。
但这种非共轴系统的限制在于：
1.需要独立的发射光学组件，增加了整个测量系统的体积及重量，影响系统的机动性及可移动性测量性能：
2.更为严重的是这种非共轴设计不可避免的带来接收与发射光学组件视场角的不匹配，其空间耦合面积随视场角及空间探测距离而改变，这大大增加了数据处理的复杂性及还原真实大气参数的难度。
如图3所示，为另一已有技术的共轴微脉冲激光雷达系统示意图，其公开在国际光学工程学会“激光雷达大气监测”论文集(Proc.SPIE onLidar Atmosphereic Monitoring.)第3104卷.39-42(1997)，论文题目为“用于探测气溶胶和云层的微脉冲激光雷达”作者是L.H.Hwang.Sandor Lokos.and Jin Kim.。该系统采用共轴设计，由一个施密特-卡塞格伦(Schmidt-Cassegrain)望远镜同时作为光信号发射器及接收器，激光二极管激励(泵浦)的钕-四氟化钇锂(Nd；YLF)激光器经KTP晶体倍频后耦合进入望远镜，通过凸面第二反射镜反射后经凹面主反射镜射向大气目标，返回的信号光被同一个望远镜收集，经滤波、聚焦后由雪崩光电二极管将探测信号输入计算机，由计算机对多通道信号采集卡采集的数字信号进行处理、分析，获得大气参数。
这种系统的限制在于：
1.能量效率低：激光器发射的高斯光束中心强度大，边缘强度小，激光束在进入望远镜第二反射镜时其中心部分由于孔径遮挡不能有效射出望远镜，这样损失的能量大约在30％-40％左右；
2.对探测器的损伤，被第二反射镜阻挡的激光沿原路返回，近轴光线射入探测器后将产生很强的背景信号，对高灵敏度的雪崩光电管的长期照射将造成探测器的永久疲劳与损伤，同时由于背景信号远远强于来自大气目标的后向散射信号，这也增加了背景压缩与信号处理的难度。
本发明的目的在于提供一种具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其是为了改善已有系统的技术限制，采用共轴设计改善非共轴系统数据处理及系统结构的复杂度，采用微光学波面整形器件来改善已有共轴系统的能量耦合效率，从而实现一种对人眼安全、能量效率高，系统结构轻便的微脉冲激光雷达系统。
为实现本发明的目的，我们提出一种基于微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其主要包括：
一固体激光器，其由激光二极管激励，并输出一倍频激光束；
一光信号扩束器，其将所述激光器输出的倍频光信号进行扩束和准直，并输出高斯光强分布的平行光信号；
一微光学波面整形器，将光信号扩束器输出的高斯光束变换成平顶中空环形光束；
一台同时作为光学信号发射器及接收器的望远镜，一方面将经过聚焦的平顶中空环形激光束射向大气目标；另一方面将来自探测目标的后向散射光信号收集聚焦；
一窄带干涉滤光片，其滤掉由望远镜接收下来的光信号中其它波长的背景杂散光，并输出一后向散射探测光信号；
一高灵敏度的光子计数雪崩光电二极管，完成后向散射探测光信号的光电信号转换；
一数据采集及处理单元，其完成转换后的电信号的采集、模数转换、存储及数据处理工作。
所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，还包括一个偏振分束器，其可通过聚焦的平顶中空环形激光束，而将望远镜接收的信号光束转向窄带干涉滤光片，使收发光学系统采用共轴设计。
所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其所述的固体激光器是一低脉冲能量、高重复频率的激光二极管激励的固体激光器，其脉冲重复频率在1-20千赫兹，脉冲能量在1-50微焦耳之间。
所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，还包括一透镜，其F数与望远镜的F数相匹配，该透镜将输入的环形光束进行聚焦后送入发射光学单元，使其具有很高的能量耦合效率。
所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其所述的微光学波面整形器放置在傅里叶变换透镜的前焦面上。
所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其所述的收发望远镜为施密特-卡塞格伦望远镜。
本发明给出的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其主要优点如下：
(1)系统采用共轴设计，由一个Schmidt-Casegrain望远镜同时作为发射与接收光学单元，减小了整个系统的体积与重量，提高了系统的机动性能，可以实现多区域的可移动测量；
(2)解决了非共轴系统存在的接收光学单元与发射光学单元空间耦合视场角的失匹配问题，改善了数据处理的复杂度及精确度；
(3)用新型的微光学波面整形器作为波前变换器件，将激光的高斯光强分布变换成平顶中空环形光强分布，大大提高了激光光源与发射望远镜的能量耦合效率，消除了其它共轴激光雷达系统中强背景噪声对高灵敏度探测器长时间照射所产生的损伤；
(4)采用低脉冲能量、高重复频率的激光光源，扩束至人眼安全的微脉冲后发射向大气目标，消除了常用高能量激光雷达系统对测量现场附近人群及飞机的安全隐患，可以满足长期、全自动大气测量的要求。
下面结合附图就本发明的最佳实施例详细说明如下：
图1为本发明采用微光波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统示意图；
图2为已有技术1的非共轴微脉冲激光雷达系统示意图；
图3为已有技术2的共轴微脉冲激光雷达系统示意图；
图4为激光器输出的高斯光束强度分布图；
图5为高斯光束经过微光学波面整形器变换后产生的平顶中空环形激光束的强度分布图；
图6为微光学波面整形元件的表面位相分布图。
本发明提出的采用微光波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统的结构如图1所示，含有一台由激光二极管激励的脉冲固体激光器1，产生一倍频激光束经扩束器2扩束准直后，产生的平行光束入射到放置在傅里叶变换透镜前焦面上的微光学波面整形器3上，由波面整形器将高斯光强分布的激光束变换成平顶中空环形光束，然后进入傅里叶变换透镜，聚焦后通过偏振分束器5直接送入望远镜6，由望远镜进一步扩束变成对人眼安全的微脉冲后射向大气目标。由大气目标返回的后向散射光经同一个望远镜6接收后，由偏振分束器5将信号光束转向探测单元，先通过窄带干涉滤光片7滤掉背景杂散光，再聚焦到光子计数雪崩光电二极管8上进行光电信号转换，转换后的电信号由安装在电脑处理器9中的多通道信号采集卡进行采集、模数变换及存储，最后由计算机进行数字信号处理得到大气中气溶胶密度分布及云层高度分布等大气参数。
如图1所示，从激光二极管激励(泵浦)的脉冲钕-钇铝石榴石(Nd；YAG)固体激光1输出的二倍频(532mm)激光束，其脉冲能量为25微焦耳、脉冲重复频率为1KHz。该激光束进入扩束器2进行扩束和准直后，产生一平行激光束，该平行激光束是一高斯分布的光束，其光强分布状态见图4所示，然后，该光束入射到放置在傅里叶变换透镜前焦面上的微光学波面整形器3上，该波面整形器的表面相位分布见图6，由波面整形器将高斯光强分布的激光束变换成平顶中空环形光束，其分布见图5，从图5可以看出，经微光学波面整形器3整理后的光强分布是一具有一定厚度的圆柱形，为了保证激光束与望远镜6有较高的耦合效率，选择与望远镜F数相匹配的聚集透镜对变换后的环形光束进行聚焦后送入望远镜，由望远镜进一步扩束变成对人眼安全的微脉冲后射向大气目标。由大气目标返回的后向散射光经同一个望远镜6接收后，由偏振分束器5将信号光束转向探测单元，先通过中心波长为532nm、带通宽度为0.5nm的窄带干涉滤光片7滤掉背景杂散光，再聚焦到光子计数雪崩光电二极管8上进行光电信号转换，转换后的电信号由安装在电脑处理器9中的高速多通道信号采集卡进行采集、模数变换及存储，最后由电脑处理器对获得的时间分辨信号进行数字信号处理，得到大气中气溶胶密度分布及云层高度分布等大气参数。采用该轻便激光雷达系统进行空间多角度扫瞄及多点移动测量，即可获得大空间范围、三维全场的大气参数分布数据。
虽然本发明已给出具体实施例如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技术的人员，在不脱离本发明的精神的范围内，可做出各种的变动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其中主要包括：
一固体激光器，其由激光二极管激励，并输出一倍频激光束；
一光信号扩束器，其将所述激光器输出的倍频光信号进行扩束和准直，并输出高斯光强分布的平行光信号；
一微光学波面整形器，将光信号扩束器输出的高斯光束变换成平顶中空环形光束；
一台同时作为光学信号发射器及接收器的望远镜，一方面将经过聚焦的平顶中空环形激光束射向大气目标；另一方面将来自探测目标的后向散射光信号收集聚焦；
一窄带干涉滤光片，其滤掉由望远镜接收下来的光信号中其它波长的背景杂散光，并输出一后向散射探测光信号；
一高灵敏度的光子计数雪崩光电二极管，完成后向散射探测光信号的光电信号转换；
一数据采集及处理单元，其完成转换后的电信号的采集、模数转换、存储及数据处理工作。
2.如权利要求1所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其中还包括一个偏振分束器，其可通过聚焦的平顶中空环形激光束，而将望远镜接收的信号光束转向窄带干涉滤光片，使收发光学系统采用共轴设计。
3.如权利要求1所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其中所述的固体激光器是一低脉冲能量、高重复频率的激光二极管激励的固体激光器，其脉冲重复频率在1-20千赫兹，脉冲能量在1-50微焦耳之间。
4.如权利要求1所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其中还包括一透镜，其F数与望远镜的F数相匹配，该透镜将输入的环形光束进行聚焦后送入发射光学单元，使其具有很高的能量耦合效率。
5.如权利要求1所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其中所述的微光学波面整形器放置在傅里叶变换透镜的前焦面上。
6.如权利要求1所述的具有微光学波面整形器的共轴微脉冲激光雷达系统，其中所述的收发望远镜为施密特-卡塞格伦望远镜。
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