CN204009074U - 综合激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种综合激光雷达系统，主要由激光发射系统(1)、接收光学系统(2)、后继光学系统(3)、光电探测与采集系统(4)、控制及显示系统(5)五大部分组成，所述激光发射系统(1)基本组件为激光器和发射光学装置，所述接收光学系统(2)主要包括接收望远镜，所述后继光学系统(3)主要由光纤、目镜、分光/分束镜、衰减片和干涉滤光片或单色仪等光学元件构成，所述光电探测与采集系统(4)基本的组成单元有光电探测器、放大器以及数据采集卡，所述控制及显示系统(5)包括计算机和显示屏。本实用新型提供的综合激光雷达系统能够用于大气参数的反演，根据系统得到的数据选择相应的方法对激光雷达回波数据进行处理，得到最终的结果，综合性能好。

Description

综合激光雷达系统
技术领域
本实用新型涉及一种脉冲综合激光雷达系统，属于激光雷达领域。
背景技术
作为一种主动遥感工具，激光雷达在大气探测领域已经得到了广泛的应用。自1960年激光问世以来，由于激光具备单色性好、相干性强、方向性高、以及高亮度、大功率等特点，立即受到了高度的重视，大气探测技术也因激光的产生而得到发展。近几十年来，许多国家都逐步开展了激光大气探测技术的相关研究，并取得了突飞猛进的进展。其中，大气温度以及气溶胶浓度是和人类生产生活关系最为紧密的大气参数之一，因此对其深入研究具有重要的意义。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，解决好现有技术的问题，弥补现有目前市场上现有产品的不足。
本实用新型提供了一种综合激光雷达系统，主要由激光发射系统、接收光学系统、后继光学系统、光电探测与采集系统、控制及显示系统五大部分组成，所述激光发射系统基本组件为激光器和发射光学装置，所述接收光学系统主要包括接收望远镜，所述后继光学系统主要由光纤、目镜、分光/分束镜、衰减片和干涉滤光片或单色仪等光学元件构成，所述光电探测与采集系统基本的组成单元有光电探测器、放大器以及数据采集卡，所述控制及显示系统包括计算机和显示屏。
优选的，上述发射光学装置为发射望远镜。
优选的，上述接收望远镜的口径越大越好，在表面镀有对激光波长具有高反射率的介质膜层。
优选的，上述光电探测器主要有光电子发射型、光生伏特型和光电导型。
本实用新型提供的综合激光雷达系统能够用于大气参数的反演，根据系统得到的数据选择相应的方法对激光雷达回波数据进行处理，得到最终的结果，综合性能好。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
附图标记：1-激光发射系统；2-接收光学系统；3-后继光学系统；4-光电探测与采集系统；5-控制及显示系统；6-大气。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。
如图1是本实用新型的综合激光雷达系统，主要由激光发射系统、接收光学系统、后继光学系统、光电探测与采集系统、控制及显示系统五大部分组成。
激光发射系统最基本的组件为激光器和发射光学装置。激光器是激光大气探测的核心部件之一。激光器的技术指标有：发射波长、脉冲重复频率、单脉冲能量及其稳定性、脉冲宽度、光束发散角与方向稳定性等。根据不同的探测需求选择不同的激光波长，通常紫外光传输距离近，但大气分子的散射截面较大，而红外光传输距离远，但散射截面小，探测器在该波段的噪声也比较大。同时，不同发射波长的选择也将影响到后面分光系统的设计；单脉冲能量直接影响回波信号的信噪比，但是脉冲能量过大也可能使空气电离对探测造成负面影响或者引发强回波造成探测器件饱合；高的脉冲重复频率可以缩短激光雷达的探测时间，但是却限制了激光雷达的探测高度，而且高的脉冲重复频率也会使单脉冲能量减弱，影响回波信号的信噪比；脉冲宽度影响激光雷达探测的空间分辨率，原则上脉冲宽度越窄越好，但是也同时受到激光器技术指标的限制；光束发散角将影响雷达系统的几何因子，限制回波信号的接收效率。
发射光学装置(发射望远镜)可以压缩激光束的发散角，获得较为理想的准直光束以增大传输距离，但同时以增大光斑直径为代价。
激光雷达的接收光学系统指的是接收望远镜，它可以接收发射光束与大气相互作用后的散射回波，性能良好的接收系统，可以提高激光雷达系统的整机性能以及探测精度。接收望远镜的主要技术指标包括：口径、接收视场角、焦距以及光学效率等。通常来讲，接收望远镜的口径越大，接收到的后向散射光信号越强，信噪比就越大，对于微弱信号的探测通常用较大口径的望远镜；对于非同轴雷达系统，接收视场角决定着系统的几何因子，接收视场角越大，探测盲区越低，激光雷达的探测下限越低，但是过大的接收视场角也会同时接收过多的大气背景辐射噪声，使探测信号的信噪比降低。同样，接收视场角应大于激光束的发散角，这样才能保证在一定垂直高度处可接收到全部的后向散射信号。因此，应根据具体的探测要求，选择合适的接收视场角，既使激光雷达的探测盲区尽可能地，同时又保证回波信号的信噪比；望远镜的焦距与口径一同影响其设计难度和成本，同时焦距也会通过影响入射光的数值孔径进而影响后续分光系统的设计难度；设计时为了提高望远镜的接收效率，通常在其反射镜的表面镀上对激光波长具有高反射率的介质膜层。
后继光学系统通常是指光纤、目镜、分光/分束镜、衰减片和干涉滤光片或单色仪等光学元件，用来对接收光学系统接收的数据进行整形、分束、滤波等操作，以最大效率地获得所需波长的信号。光纤可以将望远镜收集到的信号传导进后面的分光系统，可以避免反射镜等光学器件的使用进而增加分光系统的稳定性；目镜可以将望远镜接收的后向散射光转换成平行光，以便后续光学系统的利用；分光/分束镜可以将不同能量不同波长的光导入响应的分光系统或光电探测器；衰减片可以等比例地减小回波信号的强度，防止信号过强造成光电探测器饱和；干涉滤波片或单色仪等光学元件是后继光学系统的核心，其主要用途是将对应波长的信号分离出来，用以后续的信号分析处理，在信号分离的过程中既提取了有用信号同时也抑制了其他波长的信号，单色仪的性能将直接影响雷达系统的探测精度。因此单色仪的设计对激光雷达系统的成败至关重要。
光电探测与数据采集系统的目的是将光学系统分离出来的信号进行光电转换、信号放大、数据采集等操作，基本的组成单元有光电探测器、放大器以及数据采集卡。光电探测器主要有光电子发射型、光生伏特型和光电导型等。目的是将望远镜接收的回波光信号转化成电信号，以便后面的放大采集。光电探测器的技术指标有：光量子效率、灵敏度、光谱响应、暗电流、探测度、响应时间和线性动态范围等。可根据不同的探测要求选择合适的光电探测器；放大器是将光电探测器转化来的电信号进行放大，像测温激光雷达接收的拉曼散射信号比较弱，为了便于进行信号分析，需要将信号进行放大；数据采集卡有模数转换和光子计数两种工作模式，对于比较强的信号，像是米散射信号，通常用模数转换功能，将模拟信号数字化，之后计算机再对数字信号进行处理，对于比较微弱的信号，像是拉曼散射回波信号，通常用光子技术的模式，通过设定阈值来区分信号和噪声，实现光子计数。
控制及显示系统的职能是通过时序控制，确保激光雷达的激光发射、回波信号接收以及数据采集等有序的进行，并实时处理和显示数据。可以通过控制及显示系统的软件界面设置参数，使其按照特定的意图实现数据接收及采集，通过它还可以实时地检测信号，对异常情况作出及时的调整。
经过以上环节采集到的数据就可以用于大气参数的反演了，不同的探测目的有其对应的反演方法，选择相应的方法对激光雷达回波数据进行处理，得到最终的结果。
以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种综合激光雷达系统，其特征在于：所述综合激光雷达系统主要由激光发射系统(1)、接收光学系统(2)、后继光学系统(3)、光电探测与采集系统(4)、控制及显示系统(5)五大部分组成，所述激光发射系统(1)基本组件为激光器和发射光学装置，所述接收光学系统(2)主要包括接收望远镜，所述后继光学系统(3)主要由光纤、目镜、分光/分束镜、衰减片和干涉滤光片或单色仪等光学元件构成，所述光电探测与采集系统(4)基本的组成单元有光电探测器、放大器以及数据采集卡，所述控制及显示系统(5)包括计算机和显示屏。
2.根据权利要求1所述的综合激光雷达系统，其特征在于：所述发射光学装置为发射望远镜。
3.根据权利要求1所述的综合激光雷达系统，其特征在于：所述接收望远镜的口径越大越好，在表面镀有对激光波长具有高反射率的介质膜层。
4.根据权利要求1所述的综合激光雷达系统，其特征在于：所述光电探测器主要有光电子发射型、光生伏特型和光电导型。
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