雷射雷達透射式雙焦距收發光學系統的製作方法
2023-09-20 05:20:00 4
專利名稱：雷射雷達透射式雙焦距收發光學系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射雷達的收發光學系統。
背景技術：
雷射雷達是迅速發展的高新技術之一，是傳統雷達技術與現代雷射技術相結合的產物。雷射雷達向空中發射雷射脈衝，通過接收大氣中氣溶膠顆粒物對雷射脈衝的後向散射進行大氣光學特性研究，依此分析大氣能見度、氣溶膠顆粒物時空分布和時空變化、雲底雲高、邊界層高度、氣溶膠顆粒物特性等。由於返回的雷射後向散射信號非常微弱，除了使用高靈敏的探測器進行信號探測外，接收雷射後向散射信號的光學望遠鏡是影響雷射雷達性能的關鍵組件。
無論是發射光束與接收光束同軸的雷射雷達還是發射光束與接收光束的離軸的雷射雷達，均採用反射式卡塞格林望遠鏡作為光學接收望遠鏡或牛頓望遠鏡作為光學接收望遠鏡。
對於反射式雷射雷達，採用卡塞格林望遠鏡或牛頓望遠鏡對特定要求的雷達系統有其特殊的優點，如成像掃描雷射雷達，採用反射式望遠鏡可以消除色差，當物鏡採用拋物面時可消去球差。對於以接收回波信號能量為目的的雷射雷達系統，採用反射式望遠鏡對雷射雷達系統的調整、加工、維護及性能優化有諸多不便。簡述如下1、反射式望遠鏡系統均由主鏡和副鏡組成，每個工作鏡面上均鍍有一定反射率的金屬膜(如鋁膜、金膜)或其它介質膜，如果每個鏡面的反射率為85％，則經過望遠鏡系統後接收到的能量也僅有總能量的72.3％，大大損耗了所接收微弱光信號的強度。
2、在反射式望遠鏡系統中，主鏡與副鏡表面所鍍鋁膜或其它介質膜的反射率在長期的工作中(特別是野外工作)會大大降低。如長期工作在戶外的雷射雷達系統，鏡面所鍍鋁膜因其耐腐蝕性較差，在惡劣的大氣環境中易於發生氧化。
3、在雷射雷達系統中，採用反射式望遠鏡系統對於主鏡與副鏡的裝調相當困難，特別是對於雷射雷達的維護，如果主、副鏡位置發生變化，必須重新對整個系統的光路進行調整。
4、對於同軸收髮式雷射雷達系統，雷射束經擴束準直系統後經一反射鏡發出，對於發射光束與接收望遠鏡系統的同軸調整相當困難，如果在野外試驗運輸中有一個部件位置發生變化，將會使發射光束與接收望遠鏡系統的光軸發生偏離，嚴重影響整個雷達系統的性能，甚至無法正常工作。
5、對於離軸收髮式雷射雷達系統，在整個雷達系統中必須保證發射光束與接收望遠鏡系統的光軸平行，此種工作方式不僅在調整上比較麻煩，而且在探測空間距離上存在較大的盲區(至少大於400m)，因此在工作中必須對整個雷射雷達系統進行重疊修正。
發明內容
本發明的目的是為了提高雷射雷達回波信號接收強度，發展易於調整、加工、維護及高性價比的雷射雷達，克服已有的以接收回波信號強度為目的的反射式雷射雷達系統(離軸或同軸)，結構複雜、價格昂貴、調整加工維護不便，對於所接收到的回波信號強度損耗較大的缺點，發明了一種雷射雷達透射式雙焦距收發光學系統，克服了雷射雷達反射式收發光學系統的不足。
本發明的技術方案如下雷射雷達透射式雙焦距收發光學系統，其特徵在於透射望遠鏡的鏡筒內安裝有由反射鏡、擴束鏡和焦距為f1的發射透鏡組成發射光學單元，和由焦距為f2的接收透鏡組成接收光學單元；鏡筒中央安裝有反射鏡，透射望遠鏡的鏡筒側壁上安裝有雷射器，通過導光系統把雷射束導入反射鏡，擴束鏡安裝在反射鏡前方，接收透鏡安裝在鏡筒埠，發射透鏡安裝在接收透鏡中央的孔中，反射鏡位於發射透鏡的焦點處。
所述的導光系統是指反射鏡組或者光纖。
所述的發射透鏡鑲嵌在接收透鏡中央的孔中。
雷射器發射的雷射束經反射鏡、擴束鏡及發射透鏡以平行光束髮出，後向散射的回波信號則經接收透鏡、光闌、準直透鏡及濾光片後直接進行探測。
利用透射式雷射雷達系統進行回波信號的探測，由於發射透鏡與接收透鏡為一體且具有不同的焦距，經發射透鏡發出的雷射束雖有部分反射也不能進入到探測器，因此大大降低了初始發射雷射束對探測器的影響，提高了探測的靈敏度。
本發明適用於大氣環境監測(大氣能見度、氣溶膠顆粒物時空分布和時空變化、雲底雲高、邊界層高度、氣溶膠顆粒物特性等)、水體汙染雷射誘導螢光遙感監測，適於以探測回波信號強度為謎底的各種雷射雷達系統。
本發明的優點1、雷射雷達系統中採用了透射式望遠鏡系統，其結構簡單、加工容易，易於密封，適合於野外工作；2、雷射束髮射接收同軸，大大縮小了探測盲區。與反射式雷射雷達相比(盲區至少大於400米)，此種結構的探測盲區僅有50米，因而特別適合於底層大氣環境探測；3、採用不同焦距的發射透鏡和接收透鏡，使得雷射束和探測器處於同一軸線，裝調方便，且光信號損失小，大大提高可探測的信噪比，同時無需對雷射束進行整形，使得系統工作穩定可靠；4、無需在鏡子表明鍍鋁反射膜，避免了長期使用鍍鋁反射膜的發射率下降。
圖1為雷射雷達透射式雙焦距收發光學系統的結構圖。
圖2是採用透射式雙焦距收發光學系統雷射雷達系統測量的北京地區氣溶膠顆粒物時空分布和了氣邊界層內氣溶膠顆粒物的時空結構。
具體實施例方式
雷射雷達透射式雙焦距收發光學系統，在透射望遠鏡鏡筒內安裝有由反射鏡、擴束鏡和焦距為f1的發射透鏡組成的發射光學單元；由焦距為f2的接收透鏡組成的接收光學單元。望遠鏡的鏡筒側壁上安裝有雷射器，通過導光系統(反射鏡或者光纖)把雷射束導入反射鏡，反射鏡安裝在鏡筒中央，反射鏡前方安裝有焦距為f1的發射光學單元，鏡筒埠安裝有接收透鏡，接收透鏡中央有一塊小的發射透鏡，反射鏡位於發射透鏡的焦點處。
雷射器發射的雷射束經反射鏡、擴束鏡及發射透鏡以平行光束髮出，後向散射的回波信號則經接收透鏡會聚在鏡筒尾部。然後由光闌、準直透鏡、濾光片和探測器組成的探測系統進行光電信號轉換，最後送入計算機分析處理。
由透射式雙焦距收發光學系統組成的雷射雷達性能指標見下表
圖2給出利用透射式雷射雷達系統實際測量北京地區氣溶膠顆粒物時空分布和了大氣邊界層內氣溶膠顆粒物的時空結構的測量結果，北京城區大氣邊界層內的氣溶膠顆粒物分布具有明顯的多層結構，且富有變化。邊界層內氣溶膠顆粒物汙染大多聚集在0.8km高度以下，在2005年8月21日、22日凌晨除近地面存在較厚的氣溶膠顆粒物汙染層外，在測站上空約1.0km～1.2km高度處還存在著濃度較高的氣溶膠顆粒物汙染團。
權利要求
1.雷射雷達透射式雙焦距收發光學系統，其特徵在於透射望遠鏡的鏡筒內安裝有由反射鏡、擴束鏡和焦距為f1的發射透鏡組成發射光學單元，和由焦距為f2的接收透鏡組成接收光學單元；鏡筒中央安裝有反射鏡，透射望遠鏡的鏡筒側壁上安裝有雷射器，通過導光系統把雷射束導入反射鏡，擴束鏡安裝在反射鏡前方，接收透鏡安裝在鏡筒埠，發射透鏡安裝在接收透鏡中央的孔中，反射鏡位於發射透鏡的焦點處。
2.根據權利要求1所述的光學系統，其特徵在於所述的導光系統是指反射鏡組或者光纖。
3.根據權利要求1所述的光學系統，其特徵在於所述的發射透鏡鑲嵌在接收透鏡中央的孔中。
全文摘要
本發明公開了一種雷射雷達透射式雙焦距收發光學系統，克服了已有技術反射式雷射雷達結構複雜，回波信號接收損耗大缺點。其特徵在於包括由反射鏡、擴束鏡和焦距為f1的發射透鏡組成的發射光學單元；由焦距為f2的接收透鏡組成的接收光學單元。發射透鏡安裝在接收透鏡中央的孔中。雷射器發射的雷射束經反射鏡、擴束鏡及發射透鏡以平行光束髮出，後向散射的回波信號則經接收透鏡會聚在鏡筒尾部。然後由光闌、準直透鏡、濾光片和探測器組成的探測系統進行光電信號轉換，最後送入計算機分析處理。用於氣溶膠顆粒物的定性及定量探測，大氣邊界層高度的確定、氣溶膠顆粒物垂直分布、氣溶膠顆粒物時間變化以及對流層氣溶膠顆粒物分層特徵。
文檔編號G02B27/00GK1967284SQ20061009606
公開日2007年5月23日 申請日期2006年9月14日 優先權日2006年9月14日
發明者劉文清, 趙南京, 張玉鈞, 劉建國, 劉誠, 張天舒, 司福祺, 陸亦懷, 謝品華, 魏慶農 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所