CN204855797U - 一种用于水体光学特性测量的视场可调节光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水体激光散射信号的接收方式，具体地说是一种用于水体光学特性测量的视场可调节光学系统。包括光路支撑架及安装在光路支撑架上的可控光阑、物镜组单元和准直分光单元，其中物镜组单元用于激光散射回波信号的接收，准直分光单元设置于物镜组单元的接收光路之后，可控光阑设置于物镜组单元的成像面处。物镜组单元和准直分光单元分别设置于密封仓I和密封仓II内，密封仓I和密封仓II通过黑色套管连通，可控光阑设置于黑色套管内。本实用新型通过可控光阑控制接收视场范围，方便了对水面上视场覆盖面的调节，有效控制对水体中多次散射光子贡献部分的接收，利于水体光学特性探测实验的使用。

Description

一种用于水体光学特性测量的视场可调节光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种水体激光散射信号的接收方式，具体地说是一种用于水体光学特性测量的视场可调节光学系统，属于遥感测量技术领域。

背景技术

在人类社会活动过程中，海水光学特性，是海洋初级生产力调查、水质探测和生物资源开发等方面的重要研究对象。随着人类对海洋资源获取活动的日益增多，尤其在海洋渔业和海洋资源开发过程中，海洋光学特性的调查需求日益频繁。作为重要的海洋水体物理特征之一，水体光学特性不仅表征了海洋生态环境的特点，也说明了所探测水域生态圈可持续的可能性，因此能否有效观测水体光学特性已经成为全球关注并着力解决的问题。

激光雷达观测水体光学特性，是利用对激光束在水体中的后向散射光子的接收，来计算反演水体的光学特征参数。目前常用的水体光学特性测量系统一般采用固定视场接收，主要包括有激光发射设备、望远镜、光电转换电路及数据采集处理设备，其原理是利用OceanLidar接收的回波信号，分析载有激光束与探测目标相互作用的物理过程信息，通过分析回波信号变化可以获得探测水体的光学特征信息。将接收的光信号转换为电信号，经处理、采集和计算分析，实现对监测水体的监测和判别。为便于水体中激光多次散射贡献的接收控制和处理不同波长的光信号，接收视场需要设置为可控制调节的方式，准直分光结构将用于光电转换的波长限制于所探测范围内，并滤除背景光信号。

现有激光雷达探测水体的光学系统一般设置固定接收视场，反演的水体光学特征参数单一。由于海水是天然的光学散射体，激光束由空气中入射进入水体后，会产生激光光子的多次散射，造成一定范围的非均匀光场，该光场体现了水体的光学特性，因此，需要通过调节接收视场范围，实现多次散射贡献量的区别接收。

目前，广泛应用的激光雷达系统多采用卡塞格林望远镜、施密特望远镜、牛顿式望远镜等反射式望远镜，但其普遍特点为焦距长，因而构成的成像视场角范围很小。在海洋光学应用中，由于水体是天然的散射体，水中多次散射信号的接收对反演水体光学特征参数至关重要，而窄视场对水体中多次散射信号的接收受到限制，因此，构造光学性能优越的大视场光学接收系统是研究关键。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种用于水体光学特性测量的视场可调节光学系统。该视场可调节光学系统通过在大视场透镜组后接光阑和准直分光结构，设置光阑孔径可控调节，方便了对水体中激光后向散射信号的测量，实现了不同程度多次散射贡献量的接收控制。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于水体光学特性测量的视场可调节光学系统，包括光路支撑架及安装在光路支撑架上的可控光阑、物镜组单元和准直分光单元，其中物镜组单元用于激光散射回波信号的接收，所述准直分光单元设置于物镜组单元的接收光路之后，所述可控光阑设置于物镜组单元和准直分光单元之间、并位于物镜组单元的成像面处，所述可控光阑用于限制并调节物镜组单元的接收视场范围。

所述准直分光单元包括沿着光路依次设置的：

准直透镜，用于接收透镜组所汇聚的光信号，并准直为平行光束输出；

分束镜，用于接收准直透镜输出的平行光束，并对不同波长范围的光信号进行反射和透射，形式不同波长信号的分光；

窄带滤光片用于限制观测波长范围并抑制背景光影响；

聚焦透镜，用于将透射经过窄带滤光片的光信号聚焦到光电转换单元上。

所述物镜组单元包括物镜和消色差透镜元件，水体中激光散射信号经物镜接收，再经消色差透镜元件聚焦至可控光阑处。

所述物镜组单元的视场角大于200mrad。所述可控光阑的光阑孔径大小为0至25mm。

所述视场可调节光学系统进一步包括密封仓I、密封仓II及黑色套管，其中密封仓I和密封仓II通过套管连通，所述物镜组单元和准直分光单元分别设置于密封仓I和密封仓II内，所述可控光阑设置于套管内。所述可控光阑与套管同轴安装。

所述视场可调节光学系统进一步包括激光器、光束提升器、光电转换单元及数据采集处理设备，所述光电转换单元安装在所述光路支撑架上、并位于准直分光单元的后侧，所述光电转换单元与数据采集处理设备电连接；所述激光器发生激光束，经光束提升器后沿着物镜组单元的中心光轴射入探测水体，水体中激光散射回波经由物镜组单元接收后，再由准直分光单元汇聚至光电转换元件处，进行光电信号的输出转换。

所述视场可调节光学系统设置于盒体内。所述密封仓I、密封仓II及盒体均为黑色。

本实用新型的优点和有益效果是：

1.本实用新型通过透镜组构成大视场范围的接收效果，并设置可控光阑，易于调整探测视场变化。

2.本实用新型将透镜组和准直分光结构分别密封于两独立的舱体，并由黑色套管作为光路链接，有效避免透镜组中镜片处反射及散射光对其后分光光路的影响。

3.本实用新型通过设置套管链接，一方面有效减少了杂散光对接收光路的干扰，另一方面可尽可能地稳定可控光阑在光路中心的位置，防止视场接收偏离。

4.本实用新型的接收视场范围易于调节，便于接收不同范围的激光散射信号，以及所述分光结构采用准直透镜和分束镜，提高不同波长光信号的反射和透射效果。

5.本实用新型对视场的变化范围作出合理的限定，以便于调整对水体中光子多次散射信号的接收比例，用于利用涉及多次散射因子的激光雷达理论反演多个水体光学特征参数，提高水体光学特性的测量灵敏度和准确性。

附图说明

图1是本实用新型所采用光路支撑架的一个实施例结构示意图；

图2是本实用新型视场可调节光学系统一个实施例的结构示意图。

图3是本实用新型利用光阑限制接收视场的原理示意图；

图4是本实用新型所使用透镜组的一个实施例光线追迹图。

其中：1为物镜，2为消色差透镜元件，3为准直透镜，4为可控光阑，5为分束镜，6为窄带滤光片，7为聚焦透镜，8为光电转换单元，9为激光器，10为透镜组单元，11为准直分光单元，12为盒体，13为光束提升器，14为平凹透镜，15为平凸透镜I，16为平凸透镜II。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

如图1所示，本实用新型包括光路支撑架及安装在光路支撑架上的可控光阑4、物镜组单元10和准直分光单元11，其中物镜组单元10用于激光散射回波信号的接收，所述准直分光单元11设置于物镜组单元10的接收光路之后，所述可控光阑4设置于物镜组单元10和准直分光单元11之间、并位于物镜组单元10的成像面处，所述可控光阑4用于限制并调节物镜组单元10的接收视场范围。

所述准直分光单元11包括沿着光路依次设置的：

准直透镜3，用于接收透镜组所汇聚的光信号，并准直为平行光束输出；

分束镜5，用于接收准直透镜3输出的平行光束，并对不同波长范围的光信号进行反射和透射，形式不同波长信号的分光；

窄带滤光片6用于限制观测波长范围并抑制背景光影响；

聚焦透镜7，用于将透射经过窄带滤光片6的光信号聚焦到光电转换单元8上。

如图2所示，所述视场可调节光学系统进一步包括密封仓I、密封仓II及套管，其中密封仓I和密封仓II通过套管连通，所述物镜组单元10和准直分光单元11分别设置于密封仓I和密封仓II内，所述可控光阑4设置于套管内，中间衔接的套管部分，采用“脖颈”式结构。物镜组单元10所接收大视场范围的激光散射回波，汇聚于同轴光路上的套管中，可控光阑4与套管由螺纹密闭衔接并中心同轴，可控光阑4位置固定于物镜组单元10的有效焦距处，可控光阑4孔径通过手动或自动驱动调节，限制物镜组单元10的视场范围。所述可控光阑4的光阑孔径大小为0至25mm。密封仓I、密封仓II及套管均采用黑色。

在该实施例中，由于光学系统中存在有多个光学镜片，为了防止镜片光学效率造成的杂散光影响，光学系统被分成两个光学密封腔，即密封舱I(接收透镜组固定舱)和密封舱II(准直分光结构舱)，中间衔接利用密封套管将两个光学密封舱分别与视场光阑连接。所有的密封腔和光路支撑架均安装在光学面包板上，这有利于光学元件的安装扩展。

所述视场可调节光学系统进一步包括盒体12、激光器9、光束提升器13、光电转换单元8及数据采集处理设备，所述可控光阑4、物镜组单元10、准直分光单元11、激光器9、光束提升器13、光电转换单元8及数据采集处理设备均设置于盒体12内，所述光电转换单元8安装在所述光路支撑架上、并位于准直分光单元11的后侧，所述光电转换单元8与数据采集处理设备电连接。

如图3所示，本实用新型的接收视场由可控光阑4调节变化。在实施过程中，物镜组单元10由透镜组构成，包括物镜1和消色差透镜元件2，形成可根据像差和色差设计要求的接收物镜。

如上所述的光学系统，通过调节接收视场，实现对水体中散射光子的接收，具体理论依据如(式1)

$P_{water}=Q\frac{A_{rcvr}{T_{atm}}^2{T_{aw}}^2\mathrm{\β}\left(\mathrm{\π}\right)({\mathrm{v\τ}}_d/n)}{2n^2{(H+D/n)}^2}\exp (-2aD)\×\{\exp (-bD)+\[1-\exp (-bD)\]$

$\×{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}d\mathrm{\τ}\frac{\exp (-a\mathrm{\τ}v/n)g(D,\mathrm{\τ})}{1+\frac{\frac{4}{3}D\mathrm{\τ}v/n}{{\left({\mathrm{tan\θ}}_{rcvr}\right)}^2{(H+D/n)}^2}}{\}}^2$ (式1)

其中，P_water为激光雷达接收到的水体中后向散射光信号功率；Q为探测激光的功率；A_rcvr/H²为光学接收立体角，A_rcvr为光学系统有效接收面积；H为激光雷达离水面的距离，D为测量水深；T_atm和T_aw分别为接收波长在大气传输中和气海界面处的光学透过率；β(π)为水体的后向散射系数；v为光速；τ_d为激光脉冲持续时间，n为水体折射率；a和b分别为水体的吸收和散射系数；θ_rcvr为接收视场的半值；g(D，τ)为多次散射分布函数，τ为多次散射时间。

所述物镜组单元10用于接收大视场范围的光信号，视场角大于200mrad，透镜类型包括平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜、双胶合透镜和非球面透镜等，可根据观测时对成像的要求进行调整；另外，透镜材料以K9玻璃和石英为主。

对于光学系统的接收性能而言，其透镜组的最前端物镜直径尽量选取大尺寸透镜，为了消除或降低像差，通过在透镜组中采用非球面透镜或双胶合透镜，实现水体中散射信号的大视场接收，提高光阑调节视场变化的效果。

图4所示，本实用新型所使用透镜组的一个实施例光线追迹图，不同波长的成像光路能够通过配置不同类型透镜进行调整。实现大视场的透镜组设计中，采用凸凹透镜组合减少球面像差，精确校正共轴光学接收结构，以保证在需要调节的视场范围内成像面接收总能量的比例接近100％。所述光线由物镜1接收，经由消色差透镜元件2汇聚至透镜组焦点处。本实施例中，所述消色差透镜元件2包含沿光路依次设置的平凹透镜14、平凸透镜I15和平凸透镜II16。

在光学系统设计过程中，光学透镜非球面控制、以及透镜边缘和中心厚度的约束，对系统接收效果的影响至关重要。一般将非球面表示成一个10次幂的多项式，Y表示表面的垂度，则有：

$Y=\frac{{\mathrm{CX}}^2}{1+\sqrt{1-X^2{C}^2(1+A_2)}}+A_4{X}^4+A_6{X}^6+A_8{X}^8+A_{10}{X}^{10}$

其中，X为光线高度，C为表面在光轴上的曲率，A₂为锥面系数，A₄、A₆、A₈、A₁₀为多项式系数。通过计算得到光学透镜非球面在光轴上的曲率半径，从而得到较好的成像效果。另外，为了避免透镜对光学接收产生破边影响、以及较多的散射和吸收，必须对光学透镜的边缘和中心厚度进行约束：负透镜的直径-厚度比值应小于10；对于正透镜，直径小于lin的小孔径情况边缘厚度至少为0.04in，孔径较大情况，边缘厚度至少为0.06in。

在光学接收系统设计初，首先要追迹最少的光线，图4为本实用新型按照设计原理所得到一种透镜组的光线追迹图，并在成像面处设置孔径光阑，增加斜光线，形成对不同视场接收情况的分割，展示透镜组大视场接收的光线追迹效果。

本实用新型的物镜组单元10和准直分光单元11的工作过程如下：

激光器9发生激光束，经光束提升器13后沿着透镜组的中心光轴射入探测水体，水体中激光散射信号经物镜组单元10的物镜1接收，先经物镜组单元10的消色差透镜元件2，聚焦至可控光阑4处，然后经准直透镜3对可控光阑4限制输出的信号进行准直为平行光束，再经由分束镜5对不同波长的光信号进行反射和透射，之后的光信号可分两路或几路(可根据实际探测情况，增加分束镜单元，来实现多路光信号探测)，先后经过窄带滤光片6和聚焦透镜7，通过窄带滤光片6限制观测波长范围并抑制背景光影响，经聚焦透镜7将所探测光信号完全汇聚于光电转换元件8的光敏面上，光电转换元件8输出用于光信号数据分析的电信号。

应用上述结构，在通过可控光阑4调节所用的视场范围后，光路保持同轴，且由准直分光单元11进行准直分光并汇聚在光电转换元件8光敏面上的波长混杂率低，精度较高，光电转换单元8可采用光电倍增管、光电二极管和雪崩二极管等光电转换元件。在该实施例中，为提高光电转换单元8的响应速度和转换灵敏度，优选采用光电倍增管来实现。

本实用新型对水体中激光散射贡献光强形成不同视场的接收，其一方面在观测水面上形成可变的接收覆盖面，另一方面分光准直结构中能够进行观测波长的限制。本实用新型可应用在水体光学特性探测的激光雷达系统中，作为光信号接收系统，接收包含不同程度多次散射贡献的激光回波信号，以供利用涉及多次散射的激光雷达理论，实现对多个水体光学特征参数的反演。

Claims (10)

1.一种用于水体光学特性测量的视场可调节光学系统，其特征在于，包括光路支撑架及安装在光路支撑架上的可控光阑(4)、物镜组单元(10)和准直分光单元(11)，其中物镜组单元(10)用于激光散射回波信号的接收，所述准直分光单元(11)设置于物镜组单元(10)的接收光路之后，所述可控光阑(4)设置于物镜组单元(10)和准直分光单元(11)之间、并位于物镜组单元(10)的成像面处，所述可控光阑(4)用于限制并调节物镜组单元(10)的接收视场范围。

2.按权利要求1所述的视场可调节光学系统，其特征在于，所述准直分光单元(11)包括沿着光路依次设置的：

准直透镜(3)，用于接收透镜组所汇聚的光信号，并准直为平行光束输出；

分束镜(5)，用于接收准直透镜(3)输出的平行光束，并对不同波长范围的光信号进行反射和透射，形式不同波长信号的分光；

窄带滤光片(6)用于限制观测波长范围并抑制背景光影响；

聚焦透镜(7)，用于将透射经过窄带滤光片(6)的光信号聚焦到光电转换单元(8)上。

3.按权利要求1所述的视场可调节光学系统，其特征在于，所述物镜组单元(10)包括物镜(1)和消色差透镜元件(2)，水体中激光散射信号经物镜(1)接收，再经消色差透镜元件(2)聚焦至可控光阑(4)处。

4.按权利要求3所述的视场可调节光学系统，其特征在于，所述物镜组单元(10)的视场角大于200mrad。

5.按权利要求4所述的视场可调节光学系统，其特征在于，所述可控光阑(4)的光阑孔径大小为0至25mm。

6.按权利要求1-5任一项所述的视场可调节光学系统，其特征在于，所述视场可调节光学系统进一步包括密封仓I、密封仓II及黑色套管，其中密封仓I和密封仓II通过套管连通，所述物镜组单元(10)和准直分光单元(11)分别设置于密封仓I和密封仓II内，所述可控光阑(4)设置于套管内。

7.按权利要求6所述的视场可调节光学系统，其特征在于，所述可控光阑(4)与套管同轴安装。

8.按权利要求6所述的视场可调节光学系统，其特征在于，所述视场可调节光学系统进一步包括激光器(9)、光束提升器(13)、光电转换单元(8)及数据采集处理设备，所述光电转换单元(8)安装在所述光路支撑架上、并位于准直分光单元(11)的后侧，所述光电转换单元(8)与数据采集处理设备电连接；所述激光器(9)发生激光束，经光束提升器(13)后沿着物镜组单元(10)的中心光轴射入探测水体，水体中激光散射回波经由物镜组单元(10)接收后，再由准直分光单元(11)汇聚至光电转换元件(8)处，进行光电信号的输出转换。

9.按权利要求7所述的视场可调节光学系统，其特征在于，所述视场可调节光学系统设置于盒体(12)内。

10.按权利要求9所述的视场可调节光学系统，其特征在于，所述密封仓I、密封仓II及盒体(12)均为黑色。