雷射雷達光接收器的製作方法

2023-05-23 12:14:11

專利名稱：雷射雷達光接收器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射雷達光接收器，尤其適用於對大氣，海洋和陸地進行各種高時空分辨能力的遙感探測。
目前，國際上絕大多數雷射雷達都用反射式望遠鏡作為其光接收器，反射式望遠鏡由物鏡系統和目鏡組成，而物鏡系統又包括主反射鏡和輔反射鏡。輔反射鏡置於主反射鏡上方，光線進入主反射鏡後射向輔反射鏡，再由輔反射鏡反射並聚焦於焦平面上。焦平面處的小孔光欄用於控制望遠鏡的接收視場，通過焦點後的光線經目鏡準直成平行光，經適當光學濾光後由光電倍增管接收。
在雷射雷達技術發展的早期，也有極少數雷射雷達採用過透射式結構的望遠鏡來做雷射雷達的光接收器，由於其目的主要在於簡化結構、減輕重量和降低成本方面，故選用了輕質和廉價的塑料製成的菲涅爾式透鏡來做物鏡，光線經此菲涅爾物鏡聚焦後，由處於焦平面處的小孔光欄控制視場，再經目鏡準直，濾光後由光電倍增管接收。
反射式望遠鏡的優點是具有很高的光學質量，而且適合於做成較大的口徑，因而在雷射雷達技術中獲得了廣泛的應用。但其缺點是結構複雜、調整困難、造價昂貴，而且收光效率也不高。這是因為反射式望遠鏡的目鏡系統由兩塊反射鏡構成，兩者的相對位置和取回必須精確調定才能保證系統的光學性能，這不僅增加了反射式望遠鏡的結構複雜性和調整難度，還導致了該系統光學性能穩定性的降低，即一旦這種複雜結構的調整發生微小變化，就會造成系統光學性能的下降，另外，反射式系統的所有反射鏡均需鍍反射膜(通常為鋁膜)。性能最好的鋁膜的反射率約90％，兩塊物鏡的反射損失加上主反射鏡上方的輔反射鏡的擋光使反射式物鏡系統的總收光率僅為約70％。此外，鍍膜層的反射率還會隨著使用時間的加長而下降，嚴重時需將所有反射鏡拆下重新鍍膜，所有這些，均導致反射式望遠鏡系統存在較低收光效率的缺點。
菲涅爾透射式望遠鏡雖然具有結構簡單、重量輕、造價低等優點，但由於它採用塑料製成的菲涅爾透鏡做物鏡，使系統的光學質量無法保證。菲涅爾透鏡除具有聚焦功能外，沒有任何象差補償能力，致使物鏡焦平面上的彌散斑很大(通常為數毫米量級)，這樣，不僅無法通過控制視場進一步降低各種象差，而且也不能通過小視場運用來抑制本底雜散光的幹擾，同時，塑料的低光學性能和菲涅爾作用原理也降低了菲涅爾透射系統的光收集效率，由於這些缺點，使菲涅爾透射式望遠鏡不能滿足大多數雷射雷達的使用要求，特別是隨著雷射雷達技術的發展，在雷射雷達的其它部件技術都有了很大提高的條件下，對其光接收器的光學質量也提出了相應較高的要求。所有這些，都是菲涅爾透射式望遠鏡已不再在雷射雷達中被採用的原因。經檢索，未發現一種雷射雷達光接收裝置被公開使用。
本發明的目的是針對上述現有技術存在的缺陷提供一種光學性能好、收光效率高、結構簡單、造價低廉，使用方便的雷射雷達光接收器。
為此本發明提供了一種雷射雷達光接收器，它由雷射發射器、光接收器和信號處理器三部分組成，雷射發射器發出雷射束射向探測目標，從目標散射回來的微弱光由光接收器收集，最後經信號處理器顯示和記錄。由於雷射雷達的探測目標(如大氣)的光散射率很低，而且通常被探測目標的距離很遠(如高空探測雷射雷達的探測距離在100公裡量級，衛星雷射雷達的探測距離在1000公裡量級)。這樣，經目標散射回來的光是非常微弱的，通常是以單個光子的形式散射回來。因此，要求雷射雷達的光接收器要有很高的收光效率。而且，雷射雷達通常工作於信號光很弱而本底雜散光很強的條件下，這就要求其光接收器具有很好的視場控制能力，以達到在全部接收信號光的同時，最大限度抑制本底雜散光。也就是說，光接收器必須具有很高的光學質量，尤其是很小的彌散斑尺寸。按照這些要求我們設計了一種非球面透射式雷射雷達光接收器，該器包括非球面物透鏡，非球面物透鏡呈橢球面形，可調視場光欄和球面目透鏡及窄帶濾光片、光電倍增管均安裝在四根支杆和三塊夾板組成的支杆，夾板組件上，雷射雷達光接收器呈正方柱體形狀，主體部分由四根鋼杆和上、中、下三塊鋁質套板構成，其四周用薄鋁板包圍，主體中所有金屬構件均發黑或塗以無光黑漆以防止雜光散射。上套板用以安裝非球面物透鏡，中套板位於其焦平面附近用以安裝視場光欄組件，下套板用以安裝園形鑄鐵底座以支撐主體結構。視場光欄和球面目透鏡需做成一體，形成組件，並固定兩者相對位置使視場光欄處於球面目透鏡焦平面上，整個組件安裝在中套板下方，並有微調機構以保證視場光欄處於非球面物透鏡焦平面上，系統光軸的調準可用兩種技術實現非球面透鏡的兩維角度調節或視場光欄組件的兩維線度調節。相對而言，前者較為簡單，後者較為穩定。
採用非球面物透鏡可以有效地消除物鏡系統的主要象差——球差，從而使物透鏡焦平面上的彌散斑尺寸大為減少。本非球面物透鏡採用y2＝ax+bx2所示的簡單橢球面形，在口徑＝400mm，焦距＝1490mm，中心厚度＝40mm，邊緣厚度＝15mm時，其邊緣球差僅為0.028，其焦平面彌散斑尺寸僅為0.02mm，均比相應的普通球面面形的光學玻璃物透鏡的象差和彌散斑尺寸小數百倍，比塑料制的菲涅爾物透鏡就要小得更多，由於彌散斑尺寸的減少，使本光接收器可以工作於小視場狀態，從而減小了許多其它的軸外象差。而且，彌散斑的減小也有利於有效地遠用焦平面補償方法，以減少系統的色差。進入非球面物透鏡的光線被聚焦於其焦平面，經視場光欄控制接收視場後，由球面目透鏡準直變成平行光束，再經窄帶濾光片後，由光電倍增管接收。由於通過視場光欄之後的光線將以光強形式被檢測，對象差影響沒有特殊要求，故採用普通球面目透鏡即可。採用口徑＝35mm，焦距＝70mm的球面目透鏡，使準直後的平行光束直徑約為20mm，可直接用光電倍增管接收，省去了濾光後的聚焦透鏡，進一步減化結構和降低成本。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果具有結構簡單，使用方便，光學性能穩定，造價低廉和收光效率高，和目前常用的反射式結構相比，由於目鏡從使用兩塊反射鏡變成僅用一塊透射鏡，使主體結構大為簡化，再加上合理的結構設計，使之經數年使用不需重新調整，不僅降低了成本、方便了使用，而且還保證了該系統性能的穩定性。由於不存在反射式系統中兩塊反射鏡反射率的限制和輔鏡擋光等問題，使本透射式系統的收光效率大大優於反射式系統。通過採用非球面物鏡有效地消除了球差，減小了彌散斑尺寸，使本非球面透射式系統與菲涅爾透射式系統相比，在光學質量上有了較大的提高。由於球差的消除和彌散斑尺寸的減少，使本系統的視場控制有效。這樣，不僅降低了系統的各種軸外象差、還使色散得到有效補償。同時，小視場的運用還大大提高了雷射雷達的本底雜散光抑制能力，提高了雷射雷達的探測性能。這些都是菲涅爾透射式系統難以達到的。此外，光學玻璃透鏡的透光能力也比塑料菲涅爾鏡透的透光能力高得多，且光學玻璃透鏡還可以通過鍍增透膜的方法進一步增加其透射，這就更加提高了本透射式系統的收光能力。該雷射雷達瑞散射部的最大探測高度已達80公裡，其鈉層螢光部分的探測範圍達80-110公裡，本雷射雷達光接收器適合應用於各種中、小型雷射雷達中。


圖1為雷射雷達光接收器結構示意圖。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明根據圖1可知，整個裝置的主體是一個長方體框架結構，呈正方柱體形狀，主體部分由四根鋼杆和上、中、下三塊鋁質套板構成，長方體框架由外壁14密封，外壁14與上夾板2、中夾板6、下夾板10連接固定，四根鋼杆4的上端與上夾板2上的孔螺紋連接，中夾板6上有四個通孔穿過鋼杆4用卡子固定，鋼杆4的底端穿過下夾板10用鎖緊螺母23緊固。底座24與框架相連，整個框架放在底座24上並由八個螺栓緊固。框架上部是非球面物透鏡(橢球面)3，非球面物透鏡3裝在物鏡固定板1內，由物鏡壓圈12固定在物鏡固定板1與上夾板2之間並與8根彈簧13相連，另外在物鏡固定板1上裝有三個調節絲杆11，由於重力作用使絲杆11的另一端與上夾板2緊密接觸，這三個絲杆11可調整非球面物透鏡3的水平。視場光欄5擰在光欄套筒15的上端，球面目鏡7裝在目鏡套筒17內，並由目鏡壓圈18固定，目鏡套筒17與光欄套筒15螺紋相連，使球面目鏡7可相對於視場光欄5上下移動，便於對焦，並用緊固螺釘鎖定在其下端，光欄套筒15與套筒支架16螺紋相連，使視場光欄系統可上下移動，便於與非球面物透鏡3的焦點重合，套筒支架16用螺栓固定在中夾板6下方。四根支架22的下部與下夾板10螺釘相連，四根支架22的上部與支架板21螺釘相連，支架板21的上部套有一個濾光片套筒20，內裝濾光片8，並用濾光片壓圈19螺紋壓緊，整個濾光片套筒20部分可隨時拿出更換濾光片，支架板21的下部與光電倍增等9螺栓相連。
權利要求
1.一種雷射雷達光接收器，它由鋼杆(4)、球面目鏡(7)、濾光片(8)、外壁(14)構成，其特徵是非球面物透鏡(3)裝在物鏡固定板(1)內，物鏡壓圈(12)固定在物鏡固定板(1)與上夾板(2)之間並與彈簧(13)相連，球面目鏡(7)裝在目鏡套筒(17)內，目鏡壓圈(18)固定目鏡套筒(17)並與光欄套筒(15)相連，光欄套筒(15)與套筒支架(16)相連。
2.根據權利要求1所述的一種雷射雷達光接收器，其特徵是外壁(14)與上夾板(2)、中夾板(6)、下夾板(10)連接固定，鋼杆(4)的上端與上夾板(2)上的孔螺紋連接，中夾板(6)上通孔穿過鋼杆(4)並用卡子固定，鋼杆(4)的底端穿過下夾板(10)用鎖緊螺母(23)緊固。
3.根據權利要求1所述的一種雷射雷達光接收器，其特徵是物鏡固定板(1)上裝有調節絲杆(11)，調節絲杆(11)的另一端與上夾板(2)緊密接觸。
4.根據權利要求1所述的一種雷射雷達光接收器，其特徵是球面目鏡(7)裝在目鏡套筒(17)內，並由目鏡壓圈(18)固定，目鏡套筒(17)與光欄套筒(15)螺紋相連。
5.根據權利要求1所述的一種雷射雷達光接收器，其特徵是非球面物透鏡(3)呈橢球面形。
全文摘要
本發明公開了一種雷射雷達光接收器,它由鋼杆、球面目鏡、濾光片、外壁構成,非球面物透鏡裝在物鏡固定板內,物鏡壓圈固定在物鏡固定板與上夾板之間並與彈簧相連,球面目鏡裝在目鏡套筒內,目鏡壓圈固定目鏡套筒並與光欄套筒相連,光欄套筒與套筒支架相連。本發明結構簡單,造價低廉,使用方便,光學性能好,收光效率高,本裝置適用於各種中、小型雷射雷達中。
文檔編號G01S17/88GK1257210SQ9812171
公開日2000年6月21日 申請日期1998年12月17日 優先權日1998年12月17日
發明者龔順生, 劉誼平, 李津蕊 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所