CN218584995U - 一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置，包括测量仪本体和目标物，所述目标物上设置有标靶，所述标靶和目标物之间固定连接，所述测量仪本体包括激光器，所述激光器的输出端设置有光路转换装置，所述光路转换装置用于调整激光器的发射光线角度，所述测量仪本体还包括光学接收装置，所述光学接收装置用于接收标靶的反射光线，所述光学接收装置的输出端设置有光电转换装置。本实用新型具有结构合理、操作较简单、激光雷达产品使用者易操作的发散角和指向性的测量方法，另外本发明装置可在激光雷达实际使用环境中测量，涵盖了激光雷达其他部分对激光器发射角和指向性的影响，更具有真实性，可参考性。

Description

一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置

技术领域

本实用新型涉大气监测技术领域，具体为一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置。

背景技术

大气污染探测激光雷达作为监测空气质量的有力工具被环保气象等领域广泛使用。在激光雷达生产过程中，需要对其每个核心部件(激光器、采集卡、光电探测器、望远镜等等)进行相关指标的检验，建立核心器件入库质控体系。激光器作为激光雷达光学发射部分的核心器件，其能量大小、能量稳定性、发散角、指向性、体积、质量等各项指标对激光雷达整体性能起到关键性作用，其中激光器的发射角和指向性直接影响激光雷达探测距离和反演数据的准确性，因此，在激光器入库前对于此两项指标需要重点检验和核查。

目前激光雷达用激光器的发散角和指向性多采用光束分析仪进行测量，光束质量分析仪可测量激光光束的激光能量分布，光斑大小，发散角大小以及指向性等指标，其主要包括能量计探头和数据分析仪，能量计将接收到的光斑分成众多像素点，并获取各像素点的光能量，转换成数据量传送给数据分析仪，数据分析仪根据此数据精确计算光斑的大小、形状以及光斑能量分布，通过测量的光斑大小结合能量计与待测激光器的距离可推断出激光光束的发散角，多次测量激光光斑位置并进行统计，即可得到激光光束的指向性指标。其他领域如测距激光雷达领域，专利CN113759350A公开了一种激光雷达调试装置及调试方法，其主要过程是先利用透镜组对待测激光器进行准直，将准直后的激光束投射到测试板上，并用拍摄器对光斑进行拍摄，然后输出结果。通信领域用激光器专利CN202010609595.6公开了一种激光器发散角测量系统及测量方法，系统包括待测激光器单元、列探测器、测试探针等，该系统可对多个激光器进行发散角进行测量。

专利CN113759350A和专利CN202010609595.6对测距激光雷达和通信领域用激光器的发散角的测试装置和方法进行了详细阐述，但两件专利侧重描述的是对半导体激光器的测量，半导体激光器体积小，重量轻，可批量灵活测试，激光雷达用激光器多为固体激光器，输出能量从百uJ到数十mJ不等，且体积较大，输出光斑在10mm左右，上述2种装置均不能完成该类激光器发散角和指向性的测试，另外，上述2种装置在测试激光器发散角过程中，均需要多个能量计作为支撑，测试成本较高。

激光雷达用激光器发散角和指向性测量的主流方式采用光束质量分析仪，虽然测试精度较高，但其也具有以下诸多确定：价格昂贵，操作专业复杂，且配套的能量探头输入需要精确调节，否则会损伤仪器，这些无疑给使用者增加了成本和难度。

实用新型内容

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置，包括测量仪本体和目标物，所述目标物上设置有标靶，所述标靶和目标物之间固定连接，所述测量仪本体包括激光器，所述激光器的输出端设置有光路转换装置，所述光路转换装置用于调整激光器的发射光线角度，所述测量仪本体还包括光学接收装置，所述光学接收装置用于接收标靶的反射光线，所述光学接收装置的输出端设置有光电转换装置，所述光电转换装置的输出端设置有采集显示装置，所述测量仪本体还包括摄像装置，所述摄像装置用于观测标靶上的光点，且摄像装置的输出端与采集显示装置相连接。

进一步的，所述测量仪本体的底部设置有连接座，所述连接座和测量仪本体之间固定连接，所述连接座的底部设置有高度调节杆，所述高度调节杆和连接座之间通过插接方式进行连接。

进一步的，所述高度调节杆的底部设置有收纳管，所述收纳管和高度调节杆之间通过插接方式活动连接，所述收纳管的侧面设置有锁紧旋钮，所述锁紧旋钮和收纳管之间通过螺纹配合的方式进行连接。

进一步的，所述收纳管的底部固定连接有支撑板，所述支撑板的底部对称固定连接有防滑垫。

进一步的，所述测量仪本体的一端固定连接有冷却箱，所述冷却箱的一侧固定连接有散热扇，所述测量仪本体的一端下方固定连接有循环泵；所述冷却箱的内侧设置有连通管，且冷却箱的侧面设置有管道接头，所述冷却箱的两端均设置有固定件。

工作原理和有益效果：本实用新型具有结构合理、操作较简单、激光雷达产品使用者易操作的发散角和指向性的测量方法，另外本发明装置可在激光雷达实际使用环境中测量，涵盖了激光雷达其他部分对激光器发射角和指向性的影响，更具有真实性，可参考性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的回波信号与光传播距离关系曲线图；

图3为本实用新型的激光器发射角测试示意图；

图4为本实用新型测量仪本体的结构示意图；

图5为本实用新型散热机构的结构示意图一；

图6为本实用新型散热机构的结构示意图二。

图中：1、测量仪本体；2、光路转换装置；3、激光器；4、光学接收装置；5、光电转换装置；6、采集显示装置；7、摄像装置；8、目标物；9、标靶；11、连接座；12、高度调节杆；13、收纳管；131、锁紧旋钮；14、支撑板；141、防滑垫；101、冷却箱；1011、管道接头；1012、连通管；1013、固定件；102、散热扇；103、循环泵。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。

说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

请参阅图1-6，一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置，包括测量仪本体1和目标物8，目标物8上设置有标靶9，标靶9和目标物8之间固定连接，测量仪本体1包括激光器3，激光器3的输出端设置有光路转换装置2，光路转换装置2用于调整激光器3的发射光线角度，测量仪本体1还包括光学接收装置4，光学接收装置4用于接收标靶9的反射光线，光学接收装置4的输出端设置有光电转换装置5，光电转换装置5的输出端设置有采集显示装置6，测量仪本体1还包括摄像装置7，摄像装置7用于观测标靶9上的光点，且摄像装置7的输出端与采集显示装置6相连接。

其中，测量仪本体1的底部设置有连接座11，连接座11和测量仪本体1之间固定连接，连接座11的底部设置有高度调节杆12，高度调节杆12和连接座11之间通过插接方式进行连接，通过这样设置是为了让测量仪本体1的高度调节更加方便。

其中，高度调节杆12的底部设置有收纳管13，收纳管13和高度调节杆12之间通过插接方式活动连接，收纳管13的侧面设置有锁紧旋钮131，锁紧旋钮131和收纳管13之间通过螺纹配合的方式进行连接，通过这样设置是为了便于调节高度调节杆12的位置，从而可以让测量仪本体1的高度调节更加方便。

其中，收纳管13的底部固定连接有支撑板14，支撑板14的底部对称固定连接有防滑垫141，通过这样设置是为了让支撑板14放置的更加稳定。

其中，测量仪本体1的一端固定连接有冷却箱101，冷却箱101的一侧固定连接有散热扇102，测量仪本体1的一端下方固定连接有循环泵103；冷却箱101的内侧设置有连通管1012，且冷却箱101的侧面设置有管道接头1011，冷却箱101的两端均设置有固定件1013，通过这样设置是为了便于将测量仪本体1运行时所产生的热量及时排出。

实施例2

请参阅图2和图3，待测激光器3发射激光光束后，通过光学转换装置2将激光光束指向调整到与光学接收装置4的光轴平行的方向，光束通过大气传播到目标建筑物8(以下称：标记靶面)上，摄像装置7可实时抓拍激光投射到标记面上的光斑，并通过图像处理手段将光斑的大小、中心点，位置等信息解析出来发送给采集显示装置6，光束在大气传播以及投射到标记靶9面的过程中，和大气中的粒子、分子、标记靶面9的粒子等发生物理作用(光散射)，向光传播方向的反方向反射散射光信号(以下称：回波信号)，该信号实时被光学接收装置4搜集并经过光电转换装置5转换为电信号，电信号被采集显示装置6的数据采集卡采集并保存在工控机中，采集显示装置6可将实时获取的信号绘制成光强与距离关系曲线，典型回波信号与距离曲线如图2所示。

从图2曲线中可以看到，回波信号从A点开始迅速增大到B电，然后逐渐衰减到0，在C点有个突增的信号，说明在该位置有明显障碍物，因此，A和C的距离即为激光器到标记靶面的距离。

激光发散角是用来衡量光束在传播过程中从束腰向外发散的速度，即从激光出射口到一定传播距离下光斑大小的变化快慢，如图3所示，其中A为激光出射口光斑大小，B为激光到达距离Y时的光斑大小，因此，B越大即激光器的发散角越大。

具体地，可用图3中θ表示激光发散角半角，因此激光发散全角为2θ。根据几何光学原理，可以计算θ的具体表达式为：

θ＝arctan(X/Y)

在满足测量精度的前提下，对θ计算做近似处理，1，在测试距离Y较大时，B>>A，因此B≈2X，一般对于激光雷达用激光器(含扩束镜)发射角很小，一般在0.1urad-0.6urad范围内，因此发散角计算公式近似为：

θ＝arctan(B/2Y)

准确快捷地测量出标记靶面出的光斑大小B和激光出口到标记靶面的距离Y即可计算出激光发射角。

激光指向性是用来衡量光束方向变化程度的一个量，理想状态下激光器的方向应该始终不会变化，但由于温度，机械振动等原因，使得激光器的光束偏离初始方向，一般可用偏离角表示，在测试过程中，选取一段时间的偏离角平均值作为激光指向稳定性指标。

在具体操作上，一般统计激光在距离为Y的标记靶面上形成的激光光斑中心位置的变化量，同样也可以用θ＝arctan(T/2Y)公式来计算，其中T表示激光光斑中心位置变化量平均值。

4.3如上所述，测试激光雷达用激光器发散角和指向性本质上是测量激光传播距离Y、激光标记靶面直径X以及光斑中心位置偏移量T，利用摄像装置可测算标记靶面的直径X以及光斑中心位置偏移量T,利用激光雷达的回波信号尖峰可测算激光传播距离Y。

采集高速采集卡获得距离内的回波信号强度值，并利用激光雷达特性获得标记靶面与激光出光口之间的距离Y，考虑到精度，可将Y设置为大于2.5km的某个值，这里假设是2.5km。利用摄像装置结合图像识别算法，可获得标记靶面上光斑的大小和位置信息，这里假设在2.5km标记靶面的光斑大小为40cm，则激光器的发散角为0.16mrad。利用设想装置抓拍一定时间(如一条)内的光斑，并根据图形处理技术获得光斑的位置信息，计算所有光斑中心位置离初始光斑中心位置的平均偏离值如4cm，则激光器的方向稳定性为16urad。

Claims (5)

1.一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置，包括测量仪本体(1)和目标物(8)，其特征在于：所述目标物(8)上设置有标靶(9)，所述标靶(9)和目标物(8)之间固定连接，所述测量仪本体(1)包括激光器(3)，所述激光器(3)的输出端设置有光路转换装置(2)，所述光路转换装置(2)用于调整激光器(3)的发射光线角度，所述测量仪本体(1)还包括光学接收装置(4)，所述光学接收装置(4)用于接收标靶(9)的反射光线，所述光学接收装置(4)的输出端设置有光电转换装置(5)，所述光电转换装置(5)的输出端设置有采集显示装置(6)，所述测量仪本体(1)还包括摄像装置(7)，所述摄像装置(7)用于观测标靶(9)上的光点，且摄像装置(7)的输出端与采集显示装置(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置，其特征在于：所述测量仪本体(1)的底部设置有连接座(11)，所述连接座(11)和测量仪本体(1)之间固定连接，所述连接座(11)的底部设置有高度调节杆(12)，所述高度调节杆(12)和连接座(11)之间通过插接方式进行连接。

3.根据权利要求2所述的一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置，其特征在于：所述高度调节杆(12)的底部设置有收纳管(13)，所述收纳管(13)和高度调节杆(12)之间通过插接方式活动连接，所述收纳管(13)的侧面设置有锁紧旋钮(131)，所述锁紧旋钮(131)和收纳管(13)之间通过螺纹配合的方式进行连接。

4.根据权利要求3所述的一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置，其特征在于：所述收纳管(13)的底部固定连接有支撑板(14)，所述支撑板(14)的底部对称固定连接有防滑垫(141)。

5.根据权利要求1所述的一种大气污染探测用激光器发散角和指向稳定性测量装置，其特征在于：所述测量仪本体(1)的一端固定连接有冷却箱(101)，所述冷却箱(101)的一侧固定连接有散热扇(102)，所述测量仪本体(1)的一端下方固定连接有循环泵(103)；所述冷却箱(101)的内侧设置有连通管(1012)，且冷却箱(101)的侧面设置有管道接头(1011)，所述冷却箱(101)的两端均设置有固定件(1013)。

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