CN203745642U - 一种基于y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于用一收发一体的Y型光纤束，实现收发共轴。Y型光纤束发射端与激光器相连，收发端与望远镜系统相连，接收端与后继光学探测与采集单元相连。激光器发出的光耦合进Y型光纤束的发射端，经准直、扩束后由望远镜系统进行发射，大气后向散射回波信号由同一望远镜接收，聚焦耦合进入接收光纤，光电倍增管与接收光纤相连，经窄带干涉滤光片滤除背景杂散光后，由光电倍增管探测信号并送入光子计数采集卡，最后将采集数据送入计算机存储并处理。本实用新型应用于大气能见度测量，精简了激光雷达系统的结构，结构简单有效，降低了系统成本，使系统结构更紧凑。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种激光雷达的技术领域，特别涉及一种基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置。
背景技术
微脉冲激光雷达不仅能够对大气气溶胶特性进行实时、全天候的监测，与传统激光雷达相比，还具有结构紧凑、低发射能量、高时空分辨率等特点，能够对云和气溶胶的光学特性的空间分布进行有效的探测。微脉冲激光雷达一般由激光发射单元、光学接收单元和信号探测与采集单元3部分组成。
目前国内外常用的微脉冲激光雷达的光学发射单元和接收单元常采用分置非共轴设计。图3为一已有发明技术的基于光纤的非共轴微脉冲激光雷达，其公开在中国知识产权局，发明名称为“一种半导体激光雷达能见度仪”，发明公告号CN101581786，卷期号A25-46，发明人唐磊、岳斌等。该激光雷达采用收发分置离轴结构，从脉冲半导体激光器发出的905nm激光经耦合透镜耦合进第一耦合光纤，经望远镜扩束、准直后射向大气，后向散射回波信号经接收望远镜接收进入第二耦合光纤，通过光电倍增管探测采集数据送入计算机处理。
这种收发分置非共轴系统避免了发射信号对接收信号的干扰，但相对独立的发射单元不仅增加了系统的成本，还影响了整个系统的小型化；收发分置非共轴系统的另一个问题就是要调节发射和接收光路使之严格平行，否则将会出现测量误差；此外，由于收发单元不共轴，存在探测盲区和过渡区，需要对几何重叠因子进行校正，增加了数据处理的难度。
如图4所示，为另一已有技术的共轴微脉冲激光雷达结构示意图。该激光雷达公开在“大气与环境光学学报”第1卷。47-52(2006)，论文题目为“扫描式微脉冲激光雷达的研制和应用”，作者是张大毛、徐赤东等。该激光雷达利用与光轴成45°的全反射镜的方法实现收发共轴设计。半导体泵浦的Nd:YAG激光器发射的532nm激光经扩束后，由全反射镜反射至望远镜次镜背面，再由一全反射镜反射使激光从望远镜中心发出。后向散射回波信号被同一望远镜接收并聚焦在微孔光阑中心，通过透镜和窄带干涉滤光片到达探测器。最终由计算机对采集的数据进行分析、处理，获得大气参数。
该激光雷达的不足在于：仍然存在收发光路的调平问题，增加的全反射镜不仅增加了光路调节的复杂度，而且镜子的调节架容易因温度变化和机械振动等因素产生微量形变，很难保证收发光轴始终平行。因此系统机械稳定性和可移动性不能满足激光雷达常规运行需求。
目前存在的问题是在微脉冲激光雷达的体积较大、成本较高，很难得到推广应用。在实际安装中，设计要求调节发射光路和接收光路严格平行，这给光路的调节带来一定的难度，且激光雷达机械稳定性和可移动性不能满足激光雷达常规运行要求。
本实用新型具体是涉及一种通过一收发一体的Y型光纤束实现收发共轴的微脉冲激光雷达，实现接收的后向散射回波信号与发射信号的同轴接收，不仅降低了成本，提高了雷达结构的紧凑性，而且有效解决了传统激光雷达发射和接收光路的调节问题，避免了几何重叠因子的影响，减小了数据处理的复杂程度。其主要用于大气水平能见度的测量。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于收发一体的Y型光纤束的新型共轴微脉冲激光雷达，包括固体激光器、光束耦合器、收发一体Y型光纤束、准直透镜、卡塞格林式望远镜、窄带干涉滤光片与后继信号信号探测与采集单元，实现接收的后向散射回波信号与发射信号的同轴接收，以解决传统非同轴激光雷达系统体积较大、成本较高、发射和接收光路的调节要求严格，以及系统机械稳定性和可移动性不能满足激光雷达常规运行需要等难题。
为解决上述问题，本实用新型的方案为：一种基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，包括：固体激光器、光束耦合器、收发一体Y型光纤束、准直透镜、卡塞格林式望远镜、滤光片与信号探测与采集单元。所述收发一体Y型光纤束的发射端A端由单根芯径为400nm的石英光纤组成，接收端B端由8根芯径为200nm的石英光纤组成，收发端C端发射光纤位于中心，外层8根接收光纤以发射光纤为圆心均匀排列。其中，在固体激光器出射光束的后继光路上依次设置有光束耦合器、Y型光纤束的发射光纤、准直透镜。固体激光器出射光束经光束耦合器耦合进所述的Y型光纤束的发射端A，经过准直透镜后导入所述卡塞格林式望远镜，后向散射回波信号经同一望远镜接收聚集进入Y型光纤束的收发端C的外层接收光纤，由接收光纤束传输并经窄带干涉滤光片滤除背景杂散光后进入所述的信号探测和采集单元。
进一步的，所述固体激光器为激光二极管泵浦的Nd:YAG固体激光器，其输出中心波长为532nm，单脉冲能量为30μJ，其脉冲重复频率为2KHz，经大口径望远镜扩束后符合人眼安全标准。
进一步的，所述Y型光纤束的长度为3-10m。
进一步的，所述的准直透镜与光纤数值孔径匹配，光束发散角为0.2mrad，使望远镜发射出环形光束。
进一步的，所述卡塞格林式望远镜同时作为光学信号的发射器和接收器，直径为203mm。
进一步的，所述Y型光纤束的收发光纤的光纤头位于卡塞格林式望远镜的焦点位置。
进一步的，所述窄带干涉滤光片带宽为3nm。
进一步的，所述信号探测与采集单元由光电倍增管、光子计数采集卡和计算机组成，光子计数采集卡采集光电倍增管探测的信号，然后传送给计算机进行处理。
进一步的，所述Y型光纤束发射端A与光束耦合器相连、收发端C与望远镜相连、接收端B与信号探测与采集单元相连。
本实用新型与现有技术相比的有益效果：
(1)、本实用新型中基于光纤的共轴微脉冲激光雷达采用一Y型光纤束实现信号的收发同轴设计，精简了激光雷达的结构，结构简单有效。光纤具有低成本、可挠性好等特点，降低了系统成本，使激光雷达结构更紧凑。
(2)、本实用新型中的的Y型光纤束的长度为3-10m，其可弯曲性不仅可使雷达结构更紧凑，还实现了望远镜与激光雷达其他部分的相对独立，仅移动望远镜即可实现在一定范围内的探测调整。
(3)、用光纤代替传统镜片进行光路传输，解决了收发光路需要严格调平的问题。
(4)、激光雷达采用收发同轴设计，解决了非同轴系统中由于收发视场不匹配存在的探测盲区和过渡区的难题，无需对几何重叠因子进行校正，降低了数据分析、处理的难度。
(5)、Y型光纤束实现了收发光路的一体化设计，提高了系统的稳定性和可靠性。解决了传统激光雷达因温度和机械振动等因素影响，稳定性和可移动性不能满足激光雷达常规运行需要的难题。
附图说明
图1为本实用新型基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达示意图；
图2为本实用新型中Y型光纤束结构示意图；
图3为已有技术的基于光纤的非共轴微脉冲激光雷达示意图；
图4为已有技术的共轴微脉冲激光雷达结构示意图。
具体实施方式
本实用新型提出的基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达结构示意图如图1所示，主要包括一固体激光器1、光束耦合器2、收发一体Y型光纤束3、准直透镜4、卡塞格林式望远镜5、窄带干涉滤光片6与信号探测与采集单元，信号探测与采集单元包括光电倍增管7、光子计数采集卡8和计算机9。收发一体的Y型光纤束结构如图2所示。光束耦合器2安装在一个四维可调整的镜座上，调节4个旋钮使激光耦合进Y型光纤束3的发射端A，Y型光纤束3的收发端C发射出的光束为一均匀的圆形光束；准直透镜4安装在望远镜主镜5之后；Y型光纤束3的发射端A与光束耦合器2相连，收发端C与望远镜5相连，接收端B与和光电倍增管7相连的窄带干涉滤光片6上的连接口相接；调节卡塞格林式望远镜5的焦点使之位于Y型光纤束3收发端C的端点处，光电倍增管7后依次连接光子计数采集卡8和计算机9。
本实用新型工作过程：如图1所示，由激光二极管泵浦的Nd:YAG固体激光器1发出中心波长为532nm，单脉冲能量为30μJ，重复频率为2KHz的激光束。该激光束经光束耦合器2耦合进Y型光纤束3的发射端A，经发射光纤传输并经一准直透镜4准直后导入一卡塞格林式望远镜5向大气发射。从大气返回的后向散射回波信号经同一望远镜5接收后聚焦耦合进Y型光纤束3的收发端C的外层接收光纤，Y型光纤束的收发端C位于望远镜的焦点上。回波信号经接收光纤传输并经中心波长为532nm，带宽为3nm的窄带干涉滤光片6滤除背景杂散光后由聚焦透镜聚焦进入信号探测与采集单元，由光电倍增管7进行光电探测，最终由光子计采集卡8采集记录数据并输入计算机9进行存储和后续数据处理。采用该微脉冲激光雷达系统进行水平探测即可获得大气水平能见度数据。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，然其并非用于限制本实用新型。本实用新型未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识，凡在本实用新型的原则和精神范围内的变换与改进，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于，该装置包括：固体激光器（1）、光束耦合器（2）、收发一体Y型光纤束（3）、准直透镜（4）、卡塞格林式望远镜（5）、滤光片（6）与信号探测与采集单元；所述收发一体Y型光纤束（3）的发射端A端由单根芯径为400nm的石英光纤组成，接收端B端由8根芯径为200nm的石英光纤组成，收发端C端发射光纤位于中心，外层8根接收光纤以发射光纤为圆心均匀排列；其中，在固体激光器（1）出射光束的后继光路上依次设置有光束耦合器（2）、Y型光纤束（3）的发射光纤、准直透镜（4）；固体激光器（1）出射光束经光束耦合器（2）耦合进所述的Y型光纤束（3）的发射端A，经过准直透镜（4）后导入所述卡塞格林式望远镜（5），后向散射回波信号经同一望远镜（5）接收聚集进入Y型光纤束（3）的收发端C的外层接收光纤，由接收光纤束传输并经窄带干涉滤光片（6）滤除背景杂散光后进入所述的信号探测和采集单元。
2.根据权利要求1所述的基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于，所述的固体激光器（1）为激光二极管泵浦的Nd:YAG固体激光器，其输出中心波长为532nm，单脉冲能量为30μJ，其脉冲重复频率为2KHz，经大口径望远镜（5）扩束后符合人眼安全标准。
3.根据权利要求1所述的基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于，所述的Y型光纤束的长度为3-10m。
4.根据权利要求1所述的基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于，所述的准直透镜（4）与光纤数值孔径匹配，减小光束发散角，使望远镜（5）发射出环形光束。
5.根据权利要求1所述的基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于，所述的卡塞格林式望远镜（5）同时作为光学信号的发射器和接收器，直径为203mm。
6.根据权利要求1所述的基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于，所述的Y型光纤束（3）的收发光纤的光纤头位于卡塞格林式望远镜（5）的焦点位置。
7.根据权利要求1所述的基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于，所述的窄带干涉滤光片（6）带宽为3nm。
8.根据权利要求1所述的基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于，所述的信号探测与采集单元由光电倍增管（7）、光子计数采集卡（8）和计算机（9）组成，光子计数采集卡（8）采集光电倍增管（7）探测的信号，然后传送给计算机（9）进行处理。
9.根据权利要求1-3任一项所述的基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，其特征在于，所述的Y型光纤束（3）发射端与光束耦合器（2）相连、收发端与望远镜（5）相连、接收端与后继信号探测与采集单元相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140730 |
|
| CX01 | Expiry of patent term |