CN212229160U - 一种相干激光雷达设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种相干激光雷达设备，包括激光输出单元，环形器，光开关，凸透镜，位于凸透镜下方的多个抛物面镜，光纤耦合器，光学处理组件，控制器，光开关用于输出垂直光的输出光纤位于凸透镜的焦点，光开关用于输出倾斜光的输出光纤分别位于多个抛物面镜的焦点，抛物面镜在垂直方向上具有预设俯仰角度。本申请中利用凸透镜提供垂直发射光，利用抛物面镜对倾斜光进行反射式准直使得倾斜光具有一定偏转角度，以满足光束偏斜发射或偏转角度的要求，且抛物面镜在垂直方向具有预设俯仰角度，与反射式准直的光路空间共用，可以有效压缩光路所需空间，增加相干激光雷达设备在结构上的紧凑性，减小体积。

Description

一种相干激光雷达设备

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种相干激光雷达设备。

背景技术

风速、温度、湿度、气溶胶、云等大气信息在天气预报、机场安全高效运行、大气污染物的监测以及军事侦察等方面具有十分重要的作用。由于激光雷达具有时空分辨率高、能够连续测量的优点，在大气探测方面具有优良的应用前景，尤其是对风场的测量。

目前，测风时的相干激光雷达设备中需要至少设置三个单独的镜筒，配合各自的非球面透镜实现光束的准直发射。由于使用非球透镜的光轴同向性，多个镜筒很难实现整体光路结构的压缩，多个非球面镜筒出射截面需要占据比较大的出射面积。而如果将出射光束汇集在一个较小的面积进行出射的话，对应光斑出射点需要彼此岔开，仍然要占用较大的空间进行光学准直。因此，现有的相干激光雷达设备体积较大，不够紧凑。

因此，如何提供一种结构紧凑、小型化的相干激光雷达设备是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种相干激光雷达设备，以使其具有结构紧凑、体积小的优点。

为解决上述技术问题，本申请提供一种相干激光雷达设备，包括激光输出单元，环形器，光开关，凸透镜，位于所述凸透镜下方的多个抛物面镜，光纤耦合器，光学处理组件，控制器，所述光开关用于输出垂直光的输出光纤位于所述凸透镜的焦点，所述光开关用于输出倾斜光的输出光纤分别位于多个所述抛物面镜的焦点，所述抛物面镜在垂直方向上具有预设俯仰角度。

可选的，所述抛物面镜的的数量为四个。

可选的，相邻任意两个所述抛物面镜之间的距离相等。

可选的，所述光学处理组件包括平衡探测器和数据采集器。

可选的，所述激光输出单元包括种子激光器和光纤放大器。

可选的，所述光纤放大器为掺铒光纤放大器或者掺镱光纤放大器。

本申请所提供的一种相干激光雷达设备，包括激光输出单元，环形器，光开关，凸透镜，位于所述凸透镜下方的多个抛物面镜，光纤耦合器，光学处理组件，控制器，所述光开关用于输出垂直光的输出光纤位于所述凸透镜的焦点，所述光开关用于输出倾斜光的输出光纤分别位于多个所述抛物面镜的焦点，所述抛物面镜在垂直方向上具有预设俯仰角度。

可见，本申请中的相干激光雷达设备中利用凸透镜提供垂直发射光，利用抛物面镜对倾斜光进行反射式准直使得倾斜光具有一定的偏转角度，以满足光束偏斜发射或者偏转角度的要求，并且抛物面镜在垂直方向上具有预设俯仰角度，与反射式准直的光路空间共用，同时光开光的垂直光输出光纤、倾斜光输出光纤分别位于凸透镜的焦点、抛物面镜的焦点，可以有效压缩光路所需空间，增加相干激光雷达设备在结构上的紧凑性，减小体积。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种相干激光雷达设备的结构示意图；

图2为凸透镜与抛物面镜布局侧视效果示意图；

图3为凸透镜与抛物面镜布局顶视效果示意图；

图4为抛物面镜光路示意图；

图5为抛物面镜出射光与垂直方向的角度关系示意图；

图6为凸透镜和抛物面镜的整体光路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有的相干激光雷达设备中设置有多个镜筒，配合各自的非球面透镜实现光束的准直发射。由于使用非球透镜的光轴同向性，多个镜筒很难实现整体光路结构的压缩，多个非球面镜筒出射截面需要占据比较大的出射面积，导致相干激光雷达设备体积较大，不够紧凑。

有鉴于此，本申请提供了一种相干激光雷达设备，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种相干激光雷达设备的结构示意图，该设备包括激光输出单元1，环形器2，光开关3，凸透镜4，位于所述凸透镜4下方的多个抛物面镜5，光纤耦合器6，光学处理组件7，控制器8，所述光开关3用于输出垂直光的输出光纤位于所述凸透镜4的焦点，所述光开关3用于输出倾斜光的输出光纤分别位于多个所述抛物面镜5的焦点，所述抛物面镜5在垂直方向上具有预设俯仰角度。

其中，用于输出垂直光的输出光纤提供垂直光束的准直发射与聚焦接收；用于输出倾斜光的输出光纤提供倾斜光束发射与聚焦接收。

抛物面镜5的数量在两个以上，输出倾斜光的输出光纤的数量等于抛物面镜5的数量。需要说明的是，当抛物面镜5的数量为两个时，两个抛物面镜5在水平方向的投影相互垂直。可以利用机械固定部件对抛物面镜5进行固定。

需要说明的是，本实施例中对抛物面镜5的预设俯仰角度并不做具体限定，视从抛物面镜5射出的出射光的角度而定。为了满足出射光角度的需求，当抛物面镜5的类型固定时，可以调整预设俯仰角度；当预设俯仰角度固定式，可以更换抛物面镜5的类型。

优选地，所述抛物面镜5的的数量为四个，请参考图2至图3，图2为凸透镜4与抛物面镜5布局侧视效果示意图，图3为凸透镜4与抛物面镜5布局顶视效果示意图。

进一步地，相邻任意两个所述抛物面镜5之间的距离相等，抛物面镜5两两相对，在计算过程中可以对系统误差进行校正，提升探测器信息的准确性。

四个抛物面镜5在水平方向的投影彼此间隔90度，可以简化控制器8的反演计算过程，加快计算速度。当然，也可以根据需要对间隔角度进行调整，本申请不做具体限定。

激光输出单元1用于输出激光，其中，所述激光输出单元1包括种子激光器11和光纤放大器12，种子激光器11用于发射种子激光，光纤放大器12对种子激光进行功率放大得到高功率的激光。

需要指出的是，本实施中对光纤放大器12的不做具体限定，视情况而定。例如，所述光纤放大器12为掺铒光纤放大器12或者掺镱光纤放大器12。

环形器2用于将激光输出单元1输出的激光输送至光开光，光开光利用自身的选通功能由输出光纤将激光输送至凸透镜4或者抛物面镜5。需要指出的是，在同一时间，光开关3入射光路仅同其中一路输出光纤相通，即在同一时间只能是输出垂直光的输出光纤输出垂直光，或者某个输出倾斜光的输出光纤输出倾斜光。其中，不同输出光纤切换输出对应的光线有控制器8进行控制。

激光输出单元1输出的激光经过环形器2、光开光、凸透镜4、抛物面镜5射入大气中，在大气中的回波光束经过凸透镜4、抛物面镜5、光开光、环形器2进入光纤耦合器6，与种子激光器11射入光纤耦合器6的本振光分别进行拍频，得到拍频后光束。由于光开光在同一时间仅有一路输出光纤导通，所以拍频时是经过凸透镜4、抛物面镜5额回波光束分别依次与本振光拍频。

所述光学处理组件7包括平衡探测器71和数据采集器72，平衡探测器71用于根据拍频后光束生成电信号，并发送电信号至数据采集器72；数据采集器72用于将电信号转换成数字信号，并发送数字信号至控制器8。控制器8根据数字信号进行反演计算，对数据进行累加、频域分析与计算，得到对应方向的径向风速信息，并控制光开关3改变其选通光路，将发射光发射向不同方向，即将激光射向凸透镜4或者多个抛物面镜5中的某一个，从而获取不同方向的探测信息，以得到真实的大气风信息。

下面以一具体情况对抛物面镜5的固定角度和输出倾斜光的输出光纤的位置进行阐述。

请参考图4，图4为抛物面镜5光路示意图。抛物线具有如下特性，经过抛物线焦点的直线，在抛物线处发生反射时，其反射线与Y轴平行；平行Y轴的平行线经过抛物线反射，其反射线同样将汇聚在焦点处。抛物面镜5的垂直截面为抛物线，对应至垂直方向的抛物线公式如下：

x²＝2py (1)

则(0，p/2)为抛物线焦点，对应所需抛物线对应范围为点L₁到点L₂之间的范围。

设L₁与L₂的中心点为L₃，L₃坐标为(l，l²/2p)，此时焦点处发射光束经过反射后，发射光同反射光之间夹角为θ，则：

因此，输出倾斜光的输出光纤的位置为(0，p/2)，抛物面镜5中心点为(l，l²/2p)，θ的作用是确定抛物面镜5的实际摆放位置。输出倾斜光的输出光纤的端面距离抛物面镜5之间中心距离为：

输出倾斜光的输出光纤的端面距离抛物面镜5之间中心距离实际也是对应抛物面镜5的焦距参数。根据以上公式(1)至(3)，即可将抛物面镜5的选型设计参数同实际的安装对应关系相对应。

请参考图5，图5为抛物面镜5出射光与垂直方向的角度关系示意图。由输出光纤出射的倾斜光在抛物面镜5上反射后的出射光向上倾斜发射，与垂直方向之间的夹角为β，倾斜光与垂直方向之间的夹角为α，则：

因此，根据公式(4)可确定抛物面镜5准直接收系统的具体角度及位置关系，以此确定每个抛物面镜5镜头的镜片设计选型及安装固定。同时，倾斜光的设计相同，每个抛物面镜5均具有相同选型及设计，因此所需的倾斜发射光束以中心垂直发射光束为轴心进行圆周对称性固定排布。

请参考图6，图6为凸透镜4和抛物面镜5的整体光路示意图。垂直光对应的光开关3输出光纤固定在凸透镜4焦点，提供垂直光束的准直发射与聚焦接收；倾斜光对应的光开关3输出光纤固定在抛物面镜5焦点，提供倾斜光束发射与聚焦接收。

本申请中的相干激光雷达设备中利用凸透镜4提供垂直发射光，利用抛物面镜5对倾斜光进行反射式准直使得倾斜光具有一定的偏转角度，以满足光束偏斜发射或者偏转角度的要求，并且抛物面镜5在垂直方向上具有预设俯仰角度，与反射式准直的光路空间共用，同时光开光的垂直光输出光纤、倾斜光输出光纤分别位于凸透镜4的焦点、抛物面镜5的焦点，可以有效压缩光路所需空间，增加相干激光雷达设备在结构上的紧凑性，减小体积。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的相干激光雷达设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种相干激光雷达设备，其特征在于，包括激光输出单元，环形器，光开关，凸透镜，位于所述凸透镜下方的多个抛物面镜，光纤耦合器，光学处理组件，控制器，所述光开关用于输出垂直光的输出光纤位于所述凸透镜的焦点，所述光开关用于输出倾斜光的输出光纤分别位于多个所述抛物面镜的焦点，所述抛物面镜在垂直方向上具有预设俯仰角度。

2.如权利要求1所述的相干激光雷达设备，其特征在于，所述抛物面镜的数量为四个。

3.如权利要求2所述的相干激光雷达设备，其特征在于，相邻任意两个所述抛物面镜之间的距离相等。

4.如权利要求3所述的相干激光雷达设备，其特征在于，所述光学处理组件包括平衡探测器和数据采集器。

5.如权利要求4所述的相干激光雷达设备，其特征在于，所述激光输出单元包括种子激光器和光纤放大器。

6.如权利要求5所述的相干激光雷达设备，其特征在于，所述光纤放大器为掺铒光纤放大器或者掺镱光纤放大器。

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