CN208013418U - 一种激光云雷达的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种激光云雷达的光学系统，其包括主镜、发射光路和接收光路，所述发射光路和接收光路单独设置并通过所述主镜耦合，所述发射光路包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、光学扩束器以及第三反射镜，所述接收光路包括第四反射镜、光阑、第一透镜、滤光器、第二透镜以及探测器，所述第四反射镜、光阑、第一透镜、滤光器、第二透镜以及探测器从右至左依次设置。本实用新型在设计上采用收发同轴的光学设计模式，只需要一个光学镜头，同时利用反射镜改变光路，大大减小了结构占用的空间，使得整个设备结构简单、轻便易携带。

Description

一种激光云雷达的光学系统

技术领域

本实用新型涉及气象设备领域，具体地涉及一种激光云雷达的光学系统。

背景技术

高集成、高精度、高效率、低能耗、微小型特点的激光测云雷达，是为气象行业的发展提供重要信息的重要设备。激光云雷达的原理是利用激光发射后经大气气溶胶和分子的后向散射信号获取云底高等气象参数。主要系统包括激光发射与接收子系统、信号采集子系统、数据反演与控制子系统，远程测站通信子系统和供电子系统。设备的一个关键部分就是激光发射与接收单元组成的光学系统，它决定了回波信号采集的结果与反演结果的准确性，从而决定了设备测量效果的准确程度。

但是，现有的发射与接收信号系统采用互不干涉的模式，造成系统结构空间的不合理利用，导致设备体积过大为单人携带操作使用带来不便，同时这种光学系统将造成设备系统复杂，成本较高的问题。

实用新型内容

为了克服现有技术的缺陷，本实用新型提供一种激光云雷达的光学系统，在设计上采用收发同轴的光学设计模式，只需要一个光学镜头，同时利用反射镜改变光路，大大减小了结构占用的空间，使得整个设备结构简单、轻便易携带。

具体地，本实用新型提供一种激光云雷达的光学系统，其包括主镜、发射光路和接收光路，所述发射光路和接收光路单独设置并通过所述主镜耦合，

所述发射光路包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、光学扩束器以及第三反射镜，

所述第一反射镜和第二反射镜同轴对称倾斜设置在所述激光器和所述光学扩束器之间，所述第三反射镜设置在所述光学扩束器和所述主镜之间，

所述接收光路包括第四反射镜、光阑、第一透镜、滤光器、第二透镜以及探测器，所述第四反射镜、光阑、第一透镜、滤光器、第二透镜以及探测器从右至左依次设置，

所述激光器发出的光经第一反射镜和第二反射镜反射后进入光学扩束器扩束，扩束后的光路经主镜发射至第三反射镜后反射至第四反射镜，第四反射镜反射后的光依次经过光阑、第一透镜、滤光器以及第二透镜进入探测器。

优选地，所述第三反射镜在中间开设有小孔。

优选地，所述第一反射镜、第二反射镜、光学扩束器、第三反射镜、第四反射镜、光阑、第一透镜、滤光器以及第二透镜按照连接顺序依次固定并密封。

优选地，所述滤光器为窄带滤光片。

优选地，所述激光器为半导体激光器。

优选地，一种包括上述光学系统的激光云雷达，所述激光云雷达包括壳体、设置在所述壳体内部的总控板以及所述光学系统。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型采用收发同轴光学系统、反射镜改变光路减小设计空间、光电隔离双层结构设计，模块化设计等使结构紧凑，达到小型化的目的。光学系统和数据采集系统隔离，一侧方便光路的安装与调试，另一侧方便电路控制的布局走线。光路进行系统的调试后进行固定封装，使得光学系统的稳定性得到保障。

附图说明

图1为本实用新型的光学系统的结构示意图；

图2为本实用新型的激光云雷达的正面结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本实用新型的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型的结构做进一步解释：

本实用新型提供一种激光云雷达的光学系统，其包括主镜1、发射光路和接收光路，发射光路和接收光路上下单独设置并通过主镜1耦合，主镜1为望远镜，主镜1收到发射光路的激光器发射的光后，发射给接收光路的探测器进行探测。

发射光路包括激光器2、第一反射镜3、第二反射镜4、光学扩束器5以及第三反射镜6，

第一反射镜3和第二反射镜4同轴对称倾斜设置在激光器2和光学扩束器5之间，第三反射镜6设置在光学扩束器5和主镜1之间。

接收光路包括第四反射镜7、光阑8、第一透镜9、滤光器10、第二透镜11以及探测器12，第四反射镜7、光阑8、第一透镜9、滤光器10、第二透镜11以及探测器12从右至左依次设置。

激光器2发出的光经第一反射镜3和第二反射镜4反射后进入光学扩束器5后进行扩束，扩束后的光路经主镜1发射至第三反射镜6后反射至第四反射镜7，第四反射镜7反射后的光依次经过光阑8、第一透镜9、滤光器10以及第二透镜11后进入探测器12。

优选地，第三反射镜6的中间开设有小孔。

优选地，第四反射镜7与第二反射镜4的倾斜角度随光路的变化进行设定。

优选地，所述第一反射镜、第二反射镜、光学扩束器、第三反射镜、第四反射镜、光阑、第一透镜、滤光器以及第二透镜按照连接顺序依次焊接固定并密封。

优选地，滤光器为窄带滤光片。

优选地，一种包括上述光学系统的激光云雷达，如图2所示，激光云雷达包括壳体100、设置在壳体100内部的总控板101以及光学系统102，激光器连接有激光器电源。

下面对本实用新型的工作原理做进一步解释：

激光器2采用半导体激光器，其也是本实用新型非常重要的部件，它决定大气探测激光束的功率和脉宽等。为满足激光雷达方程，光束发散角必须小于望远镜的视场角，扩束器和主镜对激光器发出的脉冲激光进行扩束，保证光束以较小的发散角发射。光学系统的特点是发射光路单元与接收光路单元共用一个主镜。发射激光束在一级扩束后穿过一个中心带孔的反射镜而后抵达接收望远镜的物镜。而散射回波经过接收望远镜物镜汇集后来到中心带孔的反射镜，将回波光子引导向探测器。发射束穿孔而过，而散射回波被它反射，达到回波光信号与发射光束分离的目的。本实用新型常用的窄带滤光片为干涉滤光片。干涉滤光片的制作是在玻璃基片上交替镀上多层不同固体介质材料，形成光学薄膜。通过光的干涉作用形成良好的窄带带通特性。其中心波长的选择取决于激光云雷达所用的激光波长，且带宽越窄，对其它波长的光抑制效果越好，可以极大地提高信噪比。

激光器发出的光束经反射镜1、2之后进入扩束镜，通过扩束后到达主镜并形成近似准直光。大气后向散射回波通过主镜经反射镜3、4聚焦到微孔光阑；经过光阑穿过透镜1、2和窄带滤光片后，经光子探测器进行光电转换。这种设计不但能提高系统的稳定性，并大幅度减小了系统体积。对于透射式同轴系统来说，发射光路和接收光路是一个相互耦合的整体，主镜为激光发射和回波接收所共用。回波光子经过主镜汇聚到探测器的探测端面。在接收通道前端安装激光波长对应的窄带滤光片，有效滤除大气中的太阳光等杂散光，降低系统的噪声，从而提高设备的信噪比和探测能力。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型采用收发同轴光学系统、反射镜改变光路减小设计空间、光电隔离双层结构设计，模块化设计等使结构紧凑，达到小型化的目的。光学系统和数据采集系统隔离，一侧方便光路的安装与调试，另一侧方便电路控制的布局走线。光路进行系统的调试后进行固定封装，使得光学系统的稳定性得到保障。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种激光云雷达的光学系统，其特征在于：其包括主镜、发射光路和接收光路，所述发射光路和接收光路单独设置并通过所述主镜耦合，

所述发射光路包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、光学扩束器以及第三反射镜，

所述第一反射镜和第二反射镜同轴对称倾斜设置在所述激光器和所述光学扩束器之间，所述第三反射镜设置在所述光学扩束器和所述主镜之间，

所述接收光路包括第四反射镜、光阑、第一透镜、滤光器、第二透镜以及探测器，所述第四反射镜、光阑、第一透镜、滤光器、第二透镜以及探测器从右至左依次设置，

所述激光器发出的光经第一反射镜和第二反射镜反射后进入光学扩束器扩束，扩束后的光路经主镜发射至第三反射镜后反射至第四反射镜，第四反射镜反射后的光依次经过光阑、第一透镜、滤光器以及第二透镜进入探测器。

2.根据权利要求1所述的激光云雷达的光学系统，其特征在于：所述第三反射镜在中间开设有小孔。

3.根据权利要求1所述的激光云雷达的光学系统，其特征在于：所述第一反射镜、第二反射镜、光学扩束器、第三反射镜、第四反射镜、光阑、第一透镜、滤光器以及第二透镜按照连接顺序依次固定。

4.根据权利要求1所述的激光云雷达的光学系统，其特征在于：所述滤光器为窄带滤光片。

5.根据权利要求1所述的激光云雷达的光学系统，其特征在于：激光器2采用半导体激光器。

6.根据权利要求1所述的激光云雷达的光学系统，其特征在于：该光学系统构成一种激光云雷达，所述云雷达包括壳体、设置在所述壳体内部的总控板以及所述光学系统。