CN217060495U - 一种用于测风激光雷达的光学天线及测风激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于测风激光雷达的光学天线及测风激光雷达，包括楔形棱镜组件、旋转单元和调焦镜筒；所述楔形棱镜组件包括一片楔形棱镜和承载台，所述承载台的中心形成上下贯通的通光孔，所述楔形棱镜安装在承载台的顶面且正对所述通光孔，在所述通光孔中安装有准直透镜；所述旋转单元与承载台相配合，用于驱动所述楔形棱镜转动；所述调焦镜筒安装在所述承载台的底部且正对所述通光孔，所述调焦镜筒的总长根据所述准直透镜的焦距调节确定。本实用新型的光学天线采用一套旋转单元配合一片楔形棱镜即可实现不同方向上激光信号的发射和回波信号的接收功能，解决了现有技术中激光信号在收发阶段的能量损失以及激光雷达系统信噪比降低的问题。

Description

一种用于测风激光雷达的光学天线及测风激光雷达

技术领域

本实用新型属于大气环境监测设备技术领域，涉及一种激光雷达，具体地说，是涉及一种应用于测风激光雷达上的光学天线。

背景技术

测风激光雷达是一种主动光学遥感监测设备，具有高时空分辨率、高测量精度等优势，近年来已在大气三维风场的实时监测领域得到了广泛应用。为了满足测风激光雷达探测大气三维风场的要求，需要激光雷达的光学天线能够高效率发射激光信号并接收激光回波信号；同时，应具有至少三个正交方向的旋转扫描功能，以用来测量不同方向上的大气径向风速，从而合成大气三维风场。

现有的测风激光雷达，其光学天线多采用收发望远镜与扫描转镜相分离的结构设计。其中，扫描转镜需要通过两组旋转单元以及多片光学镜片来实现不同方向上激光信号的发射与回波信号的接收。这种设计方式，结构较为复杂，对于制作大口径光学天线而言，成本较高、难以小型化，而且由于激光信号需要通过多片光学镜片射入目标大气，因此会造成激光信号在收发阶段的能量损失，降低了激光雷达系统整体的信噪比。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于测风激光雷达的光学天线，采用一套旋转单元配合一片楔形棱镜即可实现不同方向上激光信号的发射和回波信号的接收功能，解决了现有技术中激光信号在收发阶段的能量损失以及激光雷达系统信噪比降低的问题。

为实现上述设计目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

在一个方面，本实用新型提出了一种用于测风激光雷达的光学天线，包括楔形棱镜组件、旋转单元和调焦镜筒；其中，所述楔形棱镜组件包括一片楔形棱镜和承载台，所述承载台的中心形成上下贯通的通光孔，所述楔形棱镜安装在承载台的顶面且正对所述通光孔，在所述通光孔中安装有准直透镜；所述旋转单元与所述承载台相配合，用于驱动所述楔形棱镜转动；所述调焦镜筒安装在所述承载台的底部且正对所述通光孔，所述调焦镜筒的总长根据所述准直透镜的焦距调节确定。

在本申请的一些实施例中，所述承载台包括棱镜安装盘、通光方位转台、方位转台安装盘和透镜安装座；其中，所述棱镜安装盘优选设计成环状，顶面安装所述楔形棱镜；所述通光方位转台包括筒状的转轴，优选设计所述转轴的顶面向外延伸形成台面，通过所述台面与所述棱镜安装盘安装固定；所述方位转台安装盘位于所述通光方位转台的下方，优选在其中心安装轴承，通过所述轴承与所述通光方位转台的转轴装配，由此可以使所述方位转台安装盘在转轴旋转期间保持静止状态；所述透镜安装座优选安装在所述方位转台安装盘的底部，其中心位置可以安装所述准直透镜，底部安装所述调焦镜筒。

在本申请的一些实施例中，所述旋转单元包括从动齿轮、主动齿轮和驱动电机；其中，所述从动齿轮套装在所述通光方位转台的转轴上，通过驱动所述通光方位转台转动，带动所述棱镜安装盘和楔形棱镜转动；所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，向从动齿轮传递动力；所述驱动电机可以轴接所述主动齿轮，用于驱动所述主动齿轮旋转，以带动所述从动齿轮转动，进而驱动所述楔形棱镜旋转，实现激光光束出射方向角0°~360°扫描功能。

在本申请的一些实施例中，还可以在所述旋转单元中进一步设置编码器，与所述驱动电机轴接，以用于测量驱动电机的运转状态和旋转角度。

在本申请的一些实施例中，为了便于实现旋转单元与楔形棱镜组件之间的装配，可以在旋转单元中设置安装架，所述安装架优选设计成框架式结构，包括顶板、底板和位置相对的两个侧板；可以将所述驱动电机安装在安装架的底板的底面，并将驱动电机的输出轴穿过底板伸入到框架内；可以将所述主动齿轮布设于框架内，安装在驱动电机的输出轴上；可以将所述编码器安装在安装架的顶板的顶面，并通过联轴器与所述驱动电机的输出轴的末端轴接；将所述安装架安装在所述方位转台安装盘上，实现旋转单元与楔形棱镜组件的装配。

在本申请的一些实施例中，所述楔形棱镜的楔角优选设计在25°~35°之间，其顶面和底面优选设计成多边形；在所述棱镜安装盘的顶面形成有一个下陷的阶梯台座，所述阶梯台座环绕棱镜安装盘中心的通光孔，呈与所述楔形棱镜的底面形状相适配的多边形；所述楔形棱镜安装在所述阶梯台座中，封挡所述通光孔的顶部，并通过棱镜固定架固定在所述棱镜安装盘上。将所述楔形棱镜的顶面和底面设计成多边形，一方面可以方便棱镜固定架对楔形棱镜的固定；另一方面将多边形的楔形棱镜安装于多边形的阶梯台座中，可以防止楔形棱镜旋转时发生位移。

在本申请的一些实施例中，为了提高楔形棱镜在棱镜安装盘上装配的稳固度，优选在所述棱镜安装盘上安装配重块，所述配重块可以位于所述楔形棱镜的薄边一侧，向楔形棱镜的薄边侧施加下压力，以避免楔形棱镜翘起。

在本申请的一些实施例中，所述调焦镜筒包括组合镜筒、焦距粗调环、锥形镜筒和焦距微调环；其中，所述组合镜筒包括多节等径镜筒，所述多节等径镜筒可以首尾螺纹连接形成直筒，并且可以将位于上方的等径镜筒连接至所述承载台，以封挡所述通光孔的底部；所述焦距粗调环可以安装在位于下方的等径镜筒上，可在大尺寸范围内旋转伸缩，以粗调所述调焦镜筒的总长；所述锥形镜筒安装在所述焦距粗调环的下方，包括多节由上而下直径递减的镜筒；所述焦距微调环安装在所述锥形镜筒的底部，可在小尺寸范围内旋转伸缩，以微调所述调焦镜筒的总长。利用焦距粗调环和焦距微调环的配合，可以将调焦镜筒的总长精确定位在准直透镜的焦距处。

在本申请的一些实施例中，还可以在光学天线中进一步设置环形支撑组件，优选包括环形法兰和多根支撑连接杆，将所述多根支撑连接杆安装于环形法兰的下方，竖直向下延伸并安装于所述方位转台安装盘上，且环绕所述楔形棱镜呈圆周排布，以起到保护楔形棱镜的作用；设计所述环形法兰的顶面高于所述楔形棱镜，以用于与测风激光雷达的整体框架或保护窗安装固定，实现光学天线与测风激光雷达之间的装配。

在另一个方面，本实用新型还提出了一种测风激光雷达，其上安装有光学天线，所述光学天线包括楔形棱镜组件、旋转单元和调焦镜筒；其中，所述楔形棱镜组件包括一片楔形棱镜和承载台，所述承载台的中心形成上下贯通的通光孔，所述楔形棱镜安装在承载台的顶面且正对所述通光孔，在所述通光孔中安装有准直透镜；所述旋转单元与所述承载台相配合，用于驱动所述楔形棱镜转动；所述调焦镜筒安装在所述承载台的底部且正对所述通光孔，所述调焦镜筒的总长根据所述准直透镜的焦距调节确定。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的光学天线采用楔形棱镜单轴转动结构设计，可以实现激光光束出射方位角0°~360°扫描功能，从而满足了测风激光雷达探测大气三维风场的需求。扫描单元与楔形棱镜整体化设计，使得光学天线的主体结构更加紧凑、易于集成，可以降低长焦距大口径光学天线设计的加工成本。同时，单透镜与调焦镜筒分段设计，可以减小激光光束能量的传输损耗，进而提高激光雷达系统整体的信噪比。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型所提出的用于测风激光雷达的光学天线的一种实施例的整体结构示意图；

图2为图1中的环形支撑组件与楔形棱镜组件的一种实施例的结构分解图；

图3为图1中的旋转单元的一种实施例的结构示意图；

图4为图1中的调焦镜筒的一种实施例的部分结构分解图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实施例的光学天线为了满足测风激光雷达探测大气三维风场的需求，采用旋转单元驱动楔形棱镜旋转的方式实现激光光束出射方位角0°~360°扫描功能，具体包括楔形棱镜组件200、旋转单元300、调焦镜筒400等主要组成部分，如图1所示。

其中，楔形棱镜组件200主要包括一片楔形棱镜201和一个承载台202，如图2所示，楔形棱镜201安装在承载台202的顶部，承载台202的中心区域开设有上下贯通的通光孔，通光孔中安装有准直透镜203，通过测风激光雷达发射的激光经由准直透镜203将光线变成一束平行的准直光柱后，通过通光孔射向楔形棱镜201，伴随楔形棱镜201的旋转形成360°范围的扫描场，实现激光光束发射方向的锥形扫描。

在本实施例中，楔形棱镜201的楔角可以在25°~35°的范围内取值。本实施例优选采用楔角为30°的楔形棱镜201设计光学天线。为了提高楔形棱镜201在承载台202上装配的稳固度，优选将楔形棱镜201切割成多边形，即，楔形棱镜201的顶面和底面均为多边形，且顶面为倾角为30°的倾斜面，并镀有激光雷达工作频段的增透膜，底面用于与承载台202安装固定。图2示出的楔形棱镜201为六边形结构。

承载台202优选包括棱镜安装盘210、通光方位转台220、方位转台安装盘230、透镜安装座240等主要组成部分。

其中，棱镜安装盘210优选设计成环形，内环部分即构成通光孔的一部分。在棱镜安装盘210的顶面环绕内环形成有一圈下陷的阶梯台座211，所述阶梯台座211为多边形，且形状应与楔形棱镜201的底面形状相适配。在安装楔形棱镜201时，将楔形棱镜201落座在所述阶梯台座211中，以防止楔形棱镜201在转动过程中发生位移。利用楔形棱镜201对通光孔的顶部实现封挡。

为了进一步提高楔形棱镜201在棱镜安装盘210上安装的稳固性，可以增设棱镜固定件212固定楔形棱镜201。具体而言，如图2所示，可以配置两个框架式的棱镜固定件212，分置于楔形棱镜201的相对两侧。棱镜固定件212的顶面倾斜设置且向楔形棱镜201侧凸出，用于压在楔形棱镜201的顶面上，倾斜角度应与楔形棱镜201顶面与之接触的部位的倾斜角度相适配。在棱镜固定件212与楔形棱镜201接触的表面可以附着植绒材料，以防止划伤楔形棱镜201。棱镜固定件212的底面可以采用螺纹连接的方式安装在棱镜安装盘210上。将楔形棱镜201设计成多边形结构，可以方便棱镜固定件212对楔形棱镜201的固定。

由于楔形棱镜201的厚边重、薄边轻，为了防止楔形棱镜201的薄边翘起，优选在楔形棱镜201的薄边侧增设配重块214，压住楔形棱镜201的薄边侧。所述配重块214可以固定在棱镜安装盘210上。

通光方位转台220位于棱镜安装盘210的下方，如图2所示。所述通光方位转台220包括一筒状的转轴221，转轴221的顶面向外水平延伸形成台面222。可以在所述台面222与棱镜安装盘210的对应位置分别开设螺纹孔223、213，采用螺纹连接的方式实现棱镜安装盘210与通光方位转台220之间的装配固定。转轴221的轴向中空区域即构成通光孔的一部分。转轴221的外侧与旋转单元300中的从动齿轮310套装，在从动齿轮310的旋转驱动下转动，进而带动棱镜安装盘210和楔形棱镜201同步转动。可以在通光方位转台220的台面222与从动齿轮310的对应位置分别开设螺纹孔224、311，采用螺纹连接的方式实现通光方位转台220与从动齿轮310之间的装配固定。

在转轴221的下端可以套装轴承225，所述轴承225可以安装在方位转台安装盘230上。

在本实施例中，所述方位转台安装盘230优选设计成纵向截面形状为T型的圆筒状，如图2所示，中间的轴向空腔即构成通光孔的一部分。所述轴承225可以安装在方位转台安装盘230的轴向空腔中，在通光方位转台220转动时，方位转台安装盘230可以保持静止。

透镜安装座240位于方位转台安装盘230的下方，用于安装准直透镜203。在本实施例中，所述透镜安装座240可以包括透镜固定法兰241、透镜安装法兰242等主要组成部分。如图2所示，透镜固定法兰241优选设计成圆环状，内环即构成通光孔的一部分。透镜安装法兰242优选设计成纵向截面形状为T型的圆筒状，中间的轴向空腔即构成通光孔的一部分。优选在透镜安装法兰242的顶面环绕轴向空腔的位置形成一个下陷的阶梯台面243，将准直透镜203落座在所述阶梯台面243上，然后将透镜固定法兰241压在准直透镜203上，在透镜安装法兰242、透镜固定法兰241与方位转台安装盘230的底面的对应位置分别开设螺纹孔，从下至上通过螺栓固定连接。这样，在旋转单元300驱动楔形棱镜201旋转时，棱镜安装盘210和通光方位转台220转动，方位转台安装盘230、透镜固定法兰241、透镜安装法兰242和准直透镜203保持静止。

在本实施例中，旋转单元300优选采集电机驱动、齿轮啮合传动的结构设计方式，如图3所示，除了安装于通光方位转台220上的从动齿轮310外，还包括主动齿轮320、驱动电机330、编码器340和安装架350等主要组成部分。

其中，主动齿轮320安装在驱动电机330的输出轴331上，并与从动齿轮310相啮合。编码器340可以通过联轴器341安装于驱动电机330的输出轴331的末端，用于检测驱动电机330的运转状态（转向、转速等）和旋转角度，实现对激光光束扫描方位角的精确控制。

为了方便主动齿轮320与从动齿轮310啮合，优选在旋转单元300中设置安装架350，并在方位转台安装盘230的顶面开设凹槽231，结合图2、图3所示。其中，安装架350优选设计成框架式结构，如图3所示，包括顶板351、底板352和两个侧板353。两个侧板353优选设计成工字型，安装在顶板351与底板352之间，且呈相对位置关系。驱动电机330可以安装在安装架350的底板352的底面，驱动电机330的输出轴331可以穿过底板352伸入到安装架350中，即，位于顶板351与底板352之间。主动齿轮320可以位于安装架350中，编码器340可以安装在安装架350的顶板351的顶面，编码器340的转轴可以穿过顶板351伸入到安装架350中，通过联轴器341轴接于驱动电机330的输出轴331的末端。将驱动电机330插入到方位转台安装盘230所形成的凹槽231中，如图1所示，安装架350的底板352支撑在方位转台安装盘230的顶面，并可与方位转台安装盘230的顶面螺纹连接，实现旋转单元300在楔形棱镜组件200上的装配固定。

调焦镜筒400安装在楔形棱镜组件200的下方，具体可以安装在透镜安装法兰242的底部，并与通光孔正对，对通光孔的底部实现封挡。

在本实施例中，所述调焦镜筒400优选采用分段式设计，如图4所示，包括组合透镜410、焦距粗调环420、锥形镜筒430和焦距微调环440等主要组成部分。

其中，组合镜筒410可以是由多节等径镜筒采用首尾螺纹连接的方式形成的直筒，图4中示出了四节等径镜筒411-414。将位于上方的等径镜筒411连接至透镜安装法兰242的底部，优选采用螺纹连接方式，以方便拆装。将位于下方的等径镜筒414与焦距粗调环420螺纹连接，焦距粗调环420的底部与锥形镜筒430螺纹连接，锥形镜筒430的底部螺纹连接焦距微调环440。

在本实施例中，焦距粗调环420和焦距微调环440均采用旋转伸缩的结构设计。其中，旋转焦距粗调环420可以实现厘米量级的长度调节；旋转焦距微调环420可以实现毫米量级的长度调节。利用焦距粗调环420和焦距微调环440的配合，可以将调焦镜筒400的总长精确定位在准直透镜203的焦距处。

锥形镜筒430可以由多节尺寸不一的镜筒套装而成，图4示出的锥形镜筒430由三节镜筒套装而成，且各镜筒由上而下的直径依次递减，形成类锥形。

为了方便光学天线在测风激光雷达上安装固定，优选在光学天线中设置环形支撑组件100，如图1所示，用于与测风激光雷达的整体框架或者保护窗连接装配。

作为一种优选实施例，如图2所示，所述环形支撑组件100包括环形法兰110和支撑连接杆120。其中，支撑连接杆120优选包括多根，安装在环形法兰110的底部，且圆周等间距排布。在方位转台安装盘230的顶面优选开设多个安装孔232，用于与所述的多根支撑连接杆120一一插装固定，使多根支撑连接杆120可以将楔形棱镜201环绕在其中，实现对楔形棱镜201的保护。在将环形支撑组件100安装到方位转台安装盘230上后，环形法兰110的顶面应高出楔形棱镜201，以避免楔形棱镜201与测风激光雷达发生碰触。在环形法兰110上可以开设螺纹孔111，采用螺纹连接的方式将光学天线安装在测风激光雷达上。

将本实施例的光学天线安装于测风激光雷达上后，在激光雷达工作时，通过激光雷达发射的激光光束通过调焦镜筒400进入楔形棱镜组件200的通光孔，经由准直透镜203准直后，射向楔形棱镜201调整出射天顶角后，射入到大气中。驱动电机330驱动主从齿轮310、320旋转，进而带动楔形棱镜201绕光轴转动，实现激光光束发射方向的锥形扫描。编码器340实时测量驱动电机330的运转状态和角度信息， 实现激光光束扫描方位角的精确控制。

本实施例的测风激光雷达光学天线，可以实现方位角0°~360°扫描功能，能够很好地满足测风激光雷达探测中高层大气全方向风场的要求。

当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前能够提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于测风激光雷达的光学天线，其特征在于，包括：

楔形棱镜组件，其包括一片楔形棱镜和承载台，所述承载台的中心形成上下贯通的通光孔，所述楔形棱镜安装在承载台的顶面且正对所述通光孔，在所述通光孔中安装有准直透镜；

旋转单元，其与所述承载台相配合，用于驱动所述楔形棱镜转动；

调焦镜筒，其安装在所述承载台的底部且正对所述通光孔，所述调焦镜筒的总长根据所述准直透镜的焦距调节确定。

2.根据权利要求1所述的用于测风激光雷达的光学天线，其特征在于，所述承载台包括：

棱镜安装盘，其呈环状，顶面安装所述楔形棱镜；

通光方位转台，其包括筒状的转轴，转轴的顶面向外延伸形成台面，所述台面与所述棱镜安装盘安装固定；

方位转台安装盘，其位于所述通光方位转台的下方，中心安装有轴承，所述轴承与所述通光方位转台的转轴装配；

透镜安装座，其安装在所述方位转台安装盘的底部，中心安装所述准直透镜，底部安装所述调焦镜筒。

3.根据权利要求2所述的用于测风激光雷达的光学天线，其特征在于，所述旋转单元包括：

从动齿轮，其套装在所述通光方位转台的转轴上，通过驱动所述通光方位转台转动，带动所述棱镜安装盘和楔形棱镜转动；

主动齿轮，其与所述从动齿轮啮合，传递动力；

驱动电机，其轴接所述主动齿轮，用于驱动所述主动齿轮旋转，以带动所述从动齿轮转动。

4.根据权利要求3所述的用于测风激光雷达的光学天线，其特征在于，所述旋转单元还包括：

编码器，其与所述驱动电机轴接，用于测量驱动电机的运转状态和旋转角度。

5.根据权利要求4所述的用于测风激光雷达的光学天线，其特征在于，所述旋转单元还包括：

安装架，其呈框架式结构，包括顶板、底板和位置相对的两个侧板；所述驱动电机安装在安装架的底板的底面，驱动电机的输出轴穿过底板伸入到框架内；所述主动齿轮位于框架内，安装在驱动电机的输出轴上；所述编码器安装在安装架的顶板的顶面，并通过联轴器与所述驱动电机的输出轴的末端轴接；所述安装架安装在所述方位转台安装盘上。

6.根据权利要求2所述的用于测风激光雷达的光学天线，其特征在于，

所述楔形棱镜的楔角在25°~35°之间，其顶面和底面均为多边形；

在所述棱镜安装盘的顶面形成有一个下陷的阶梯台座，所述阶梯台座环绕棱镜安装盘中心的通光孔，呈与所述楔形棱镜的底面形状相适配的多边形；所述楔形棱镜安装在所述阶梯台座中，封挡所述通光孔的顶部，并通过棱镜固定架固定在所述棱镜安装盘上。

7.根据权利要求6所述的用于测风激光雷达的光学天线，其特征在于，在所述棱镜安装盘上安装有配重块，所述配重块位于所述楔形棱镜的薄边一侧，向楔形棱镜的薄边侧施加下压力。

8.根据权利要求1所述的用于测风激光雷达的光学天线，其特征在于，所述调焦镜筒包括：

组合镜筒，其包括多节等径镜筒，所述多节等径镜筒首尾螺纹连接形成直筒，位于上方的等径镜筒连接所述承载台，封挡所述通光孔的底部；

焦距粗调环，其安装在位于下方的等径镜筒上，可旋转伸缩；

锥形镜筒，其安装在所述焦距粗调环的下方，包括多节由上而下直径递减的镜筒；

焦距微调环，其安装在所述锥形镜筒的底部，可旋转伸缩。

9.根据权利要求2至7中任一项所述的用于测风激光雷达的光学天线，其特征在于，还包括：

环形支撑组件，其包括环形法兰和多根支撑连接杆，所述多根支撑连接杆位于环形法兰的下方，竖直向下延伸并安装于所述方位转台安装盘上，且环绕所述楔形棱镜呈圆周排布；所述环形法兰的顶面高于所述楔形棱镜，用于与测风激光雷达的整体框架或保护窗安装固定。

10.一种测风激光雷达，其特征在于，其上安装有如权利要求1至9中任一项所述的用于测风激光雷达的光学天线。

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