CN209911560U - 一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统，包括扩束镜，所述扩束镜由物镜和目镜组成，设置分束器、截止器、准直镜和光阑；扩束镜、分束器、准直镜和光阑几何中心轴都和系统光轴重合，准直镜将来射的回波信号汇聚在焦面上，光阑定位在准直镜焦面上；当激光束入射到分束器，透射光由截止器收集，反射光则经扩束镜出射；出射激光进入大气后，产生后向散射信号并依次逆向通过扩束镜、分束镜，随后经过准直镜汇聚到光阑孔内；扩束镜中物镜为正透镜，目镜为负透镜，目镜正对激光束来射面为凸面。本实用新型能够有效压缩雷达探测盲区范围，对边界层大气探测非常有利。
Description
技术领域
本实用新型属于激光雷达领域，具体涉及一种收发共光路的光学布局方案，可有效降低雷达探测盲区范围。
背景技术
边界层大气位于对流层最底端，直接与地表接触，是控制地表与自由大气之间物质、能量和动量交换的重要通道。绝大多数大气物质(例如气溶胶、水汽等)都局限在边界层大气内，边界层顶(或高度)决定了大气物质可能的最大扩散空间。边界层高度随时间和季节变化，在夏季午后可达2-3km，在冬季夜晚可低至数十到数百米。
激光雷达具有极高的时空分辨率，探测灵敏度高且可连续长时间工作，是遥感边界层大气的有效手段。然而，当前已报道的激光雷达系统，多采用离轴或共轴收发光学布局，完全进视场高度通常在200-300m以上，在雷达探测盲区内不能有效获取边界层大气信息。激光雷达探测盲区产生的根源，在于离轴收发光学布局时，收发光轴总存在大于望远镜口径一半的间距；或者在共轴收发光学布局时，总存在由发射台或望远镜副镜导致的物理遮拦。采用减小望远镜口径、扩大望远镜视场的办法可辅助压缩雷达探测盲区范围，但该法对弱信号(例如拉曼回波信号)及全天时工作应用情形不利。采用双信号接收光纤，分别定位在望远镜焦点和临近位置，可帮助获取低空回波信号，但光纤固定了望远镜系统工作视场值，且对发射激光指向调节精度要求极高。
现有技术中，针对建筑物等硬目标的探测，有出现一些收发共光路的研究：
CN201810975333提供一种激光雷达收发共轴光学引擎结构，包括激光光源、第一准直器、三端口光环行器，扩束透镜组和光探测器机构。
《三维激光雷达发射/接收共光路光学系统设计》提供一种用于针对大尺寸三维地形测量的光学结构，使用包括三次扩束准直的透镜链。
但是，这些现有技术方案都没有考虑接收视场，不适合边界层大气等软目标的探测应用。并且，在边界层大气的探测中，可能需要更大功率的激光入射，目前尚未有满足需求的合适方案出现。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出了一种收发共光路光学布局，不再存在离轴光学布局时收光光轴分离，以及共轴光学布局时发射台/望远镜副镜物理遮拦的问题，能够有效降低激光雷达探测盲区范围。
本实用新型为解决技术问题所采用的技术方案是：
一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统，包括扩束镜，所述扩束镜由物镜和目镜组成，设置分束器、截止器、准直镜和光阑；
扩束镜、分束器、准直镜和光阑几何中心轴都和系统光轴重合，准直镜将来射的回波信号汇聚在焦面上，光阑定位在准直镜焦面上；
当激光束入射到分束器，透射光由截止器收集，反射光则经扩束镜出射；出射激光进入大气后，产生后向散射信号并依次逆向通过扩束镜、分束镜，随后经过准直镜汇聚到光阑孔内；
扩束镜中物镜为正透镜，目镜为负透镜，目镜正对激光束来射面为凸面。
而且，所述扩束镜的目镜和物镜端面镀增透膜，目镜和物镜共光轴且焦点重合。
而且，所述分束器采用立方体分光棱镜，反射与透射比设定为1:1。
或者，所述分束器采用薄平面分束镜，端面的中心位置为激光束照射区，镀高反膜，在其余位置镀增透膜。
而且，所述截止器采用Beam Dump截止器。
而且，准直镜和光阑孔径组合确定系统工作视场。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：
收发光轴重合，共用同一扩束镜系统出射激光及收集大气后向散射回波，不再存在物理遮拦，能够有效压缩激光雷达探测盲区范围，对边界层大气探测有利。并且，本实用新型针对大气目标探测，采用准直镜和光阑控制接收视场，设置正对激光束的入射端面为凸面，有效满足大气探测的视场要求和功率要求，实施简便，适于推广使用。
附图说明
图1给出本实用新型实施例的收发光学布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图1及实施例对本实用新型技术方案进行详细介绍。
实施例1
实施例所提供一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统，由扩束镜，分束器，截止器，准直镜和光阑组成。
所述扩束镜用于将来射激光扩束后导入大气，并收集大气后向散射回波；
所述分束器用于转折来射激光束，以及透射目标回波信号；
所述截止器用于收集经分束器透射的残余激光能量；
所述准直镜用于将来射的回波信号汇聚在焦面上；
所述光阑用以设定系统视场角大小。
采用细平行激光束(例如，直径<5mm，发散角<0.5mrad)正入射到立方体分束棱镜上，透射光采用常规的Beam Dump截止器收集，反射光则经扩束镜出射。分束棱镜可选用美国Thorlabs公司标准立方体分束器产品，边长1英寸，对来射光的反射与透射比为1:1。扩束镜入射目镜设计为负透镜，不同于现有技术，本实用新型提出正对激光束的入射端面为凸面，有效孔径大于12mm；出射物镜设计为正透镜，有效孔径大于60mm；目镜和物镜端面镀增透膜，共轴装配且共焦点，这种结构扩束镜有同时放大光束直径和压缩光束发散角的作用，实施例对来射激光束扩束倍率设置为5。出射激光进入大气后，产生后向散射信号并依次逆向通过扩束镜、分束镜，随后经过准直镜汇聚到光阑孔内。准直镜和光阑孔径组合设计，设定系统工作视场1.0mrad。光机装调时，保证扩束镜、分束器、准直镜和光阑与系统光轴重合。对本收发共光路光学布局，收发光轴重合，激光出射和信号收集共用相同的扩束镜系统，不再存在物理遮拦，因此雷达探测盲区范围得到有效压缩。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处是：立方体分光棱镜改为平面分束镜。分束镜工作角度45°，镜面中心位置激光束照射区镀高反膜，其余部位镀对信号光的增透膜。
本文中所述的具体实施例仅是对本实用新型精神做举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法代替，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统，包括扩束镜，所述扩束镜由物镜和目镜组成，其特征在于：设置分束器、截止器、准直镜和光阑；
扩束镜、分束器、准直镜和光阑几何中心轴都和系统光轴重合，准直镜将来射的回波信号汇聚在焦面上，光阑定位在准直镜焦面上；
当激光束入射到分束器，透射光由截止器收集，反射光则经扩束镜出射；出射激光进入大气后，产生后向散射信号并依次逆向通过扩束镜、分束镜，随后经过准直镜汇聚到光阑孔内；
扩束镜中物镜为正透镜，目镜为负透镜，目镜正对激光束来射面为凸面。
2.根据权利要求1所述的一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统，其特征在于：所述扩束镜的目镜和物镜端面镀增透膜，目镜和物镜共光轴且焦点重合。
3.根据权利要求1所述的一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统，其特征在于：所述分束器采用立方体分光棱镜，反射与透射比设定为1:1。
4.根据权利要求1所述的一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统，其特征在于：所述分束器采用薄平面分束镜，端面的中心位置为激光束照射区，镀高反膜，在其余位置镀增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统，其特征在于：所述截止器采用Beam Dump截止器。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种用于大气探测的激光雷达收发共光路光学布局系统，其特征在于：准直镜和光阑孔径组合确定系统工作视场。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115420697A (zh) * | 2022-11-03 | 2022-12-02 | 北京云端光科技术有限公司 | 一种激光遥测收发装置 |
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