一種單通道探測偏振的雷射雷達系統的製作方法
2023-11-06 05:32:27 1
一種單通道探測偏振的雷射雷達系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統，包括光源、裝有第一凸透鏡的光學支架、裝有第三線偏振片的光學支架、偏振態轉換裝置、濾光鏡轉盤、圓環、「L」型工具、可旋轉光學支架、光電探測器。本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統佔用更少的設計空間，使得整個雷射雷達系統結構更加緊湊，在滿足探測實驗需求的前提下，有效減少了雷射雷達系統的研製和維護成本，為研製一定數量的雷射雷達系統，組建雷射雷達觀測網提供了經濟上的可能性。
【專利說明】一種單通道探測偏振的雷射雷達系統【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種雷射雷達系統，特別是涉及一種單通道探測偏振的雷射雷達系統。
【背景技術】
[0002]隨著國內外雷射雷達技術的快速發展，不同用途和功能的雷射雷達系統已被廣泛應用。從發展初期的單波段探測型逐漸演變為單波段帶不同偏振態探測型，再到發展至目前的多波段帶不同偏振態探測型，雷射雷達硬體系統的設計經歷著充滿創意的變革。現有的雷射雷達系統的回波信號接收部分的分光裝置應用多個透射鏡、偏振片或偏振晶體、濾光片，這些光學鏡片都由光學支架獨立固定在光學平臺上，回波信號接收部分的探測裝置採用光電探測器，根據雷射雷達系統的實際探測功能，每一個波長通道對應一個光電探測器，或同一波長的水平和垂直偏振通道各需一個光電探測器，其中，光學鏡片和光電探測器數量由雷射雷達系統具體探測功能和內容決定。隨之而來造成了兩個方面的問題，一方面，雷射雷達系統結構的緊湊型受到限制，當雷射雷達系統設計成為多功能多通道時，就會面臨許多光學元件和電子元件的排版問題，進而產生雷射雷達系統成品後是否便攜的問題，尤其在外場觀測實驗中，更需要雷射雷達系統小巧的結構；另一方面，目前國外的雷射雷達研發和應用水平已經發展到一個比較高的水平，同時在全球不同的地區設定多個觀測雷射雷達站點，構成雷射雷達觀測網，國內的雷射雷達研發和應用水平還存在比較大的發展空間，並且在系統的組織雷射雷達觀測網方面差距較大，組建雷射雷達網需要數量較多的單個雷射雷達系統構成，如果選擇從國外購置成品的雷射雷達系統，將面臨比自主研發成本更高的價格，自主研發的雷射雷達也會由於信號接收部分的眾多元件以及後期雷射雷達系統的維護費用讓成本相對較高。
實用新型內容
[0003]本實用新型要解決的技術問題是提供一種單通道探測偏振的雷射雷達系統，不但實現了系統結構的緊湊和成本的降低，而且還能夠探測更多通道的大氣回波信號。
[0004]本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統，包括光源、裝有第一凸透鏡的光學支架、裝有第三線偏振片的光學支架、偏振態轉換裝置、濾光鏡轉盤、圓環、「L」型工具、可旋轉光學支架、光電探測器；
[0005]所述光源的光路上依序設置裝有第一凸透鏡的光學支架、裝有第三線偏振片的光學支架、可旋轉光學支架、濾光鏡轉盤、光電探測器；
[0006]其中:
[0007]所述濾光鏡轉盤上設有第 N立、第二卡位，第一濾光片疊加在垂直向線偏振片上方，位於所述第一卡位內；
[0008]所述圓環位於所述第二卡位內，高度小於所述第二卡位的深度，圓環的外徑與水平向線偏振片的直徑相同 ，水平向線偏振片蓋合固定在圓環上，第二濾光片疊加在所述水平向線偏振片上方，圓環任一直徑的兩端各設一個通孔；
[0009]所述「L」型工具數量為兩個，每個「L」型工具的長邊分別和可旋轉光學支架固定連接，短邊分別插入所述圓環上的通孔內。
[0010]本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統，其中所述第一濾光片和/或第二濾光片為532nm濾光片。
[0011]本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統和現有技術相比，具有如下優點；
[0012]1、本實用新型的雷射雷達系統省去了透射鏡、偏振晶體及相應的各光學鏡片的支架等元件，將不同波段的濾光片及其對應的偏振片集中放置在濾光鏡裝盤中，利用一個光電探測器即可實現不同通道的信號探測，既可以實現利用同一款光電探測器對多個波段的探測，也可以同時探測到同一波段垂直和水平偏振通道的回波散射信號，明顯減少了雷射雷達系統中光電探測器以及濾光光學元件的需求數量。
[0013]2、本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統佔用更少的設計空間，使得整個雷射雷達系統結構更加緊湊，避免了當雷射雷達系統設計成為多功能多通道時面臨的許多光學元件和電子元件的排版問題，使雷射雷達系統成品後結構小巧、便於攜帶，更方便在外場觀測實驗中應用；
[0014]3、在滿足探測實驗需求的前提下，有效減少了雷射雷達系統的研製和維護成本，為研製一定數量的雷射雷達系統，組建雷射雷達觀測網提供了經濟上的可能性。
[0015]下面結合附圖對本實用新型的一種單通道探測偏振的雷射雷達系統作進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統的濾光鏡轉盤左視圖；
[0017]圖2為本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統的濾光鏡轉盤主視圖；
[0018]圖3為本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統的可旋轉光學支架主視圖；
[0019]圖4為本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統的可旋轉光學支架左視圖；
[0020]圖5為本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統的偏振態轉換裝置主視圖；
[0021]圖6為本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統的偏振態轉換裝置後視圖；
[0022]圖7為本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統的使用狀態圖。
[0023]其中:
[0024]ULED綠光光源；2、裝有第一凸透鏡的光學支架；
[0025]3、裝有第三線偏振片的光學支架；4、偏振態轉換裝置；41、光學鏡片支架；
[0026]42、半波片；5、濾光鏡轉盤；6、圓環；
[0027]7、「L」型工具；8、可旋轉光學支架；81、旋轉把手；
[0028]9、光電探測器；10、第一^N立；11、第二卡位；[0029]12、第一濾光片；13、垂直向線偏振片；14、水平向線偏振片；
[0030]15、第二濾光片；16、步進馬達；18、數據線；
[0031]19、齒輪；20、萬用表。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本實用新型的一種單通道探測偏振的雷射雷達系統作進一步說明。
[0033]如圖5至圖7所示，本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統包括光源1、裝有第一凸透鏡的光學支架2、裝有第三線偏振片的光學支架3、偏振態轉換裝置4、濾光鏡轉盤5、圓環6、「L」型工具7、可旋轉光學支架8、光電探測器9 ；
[0034]光源I的光路上依序設置裝有第一凸透鏡的光學支架2、裝有第三線偏振片的光學支架3、可旋轉光學支架8、濾光鏡轉盤5、光電探測器9、萬用表20 ；
[0035]濾光鏡轉盤為光學領域常用裝置，實用新型專利CN202710575U中即公開了一種濾光輪轉盤，濾光輪轉盤中的孔槽相當於本實用新型濾光鏡轉盤5上的卡位，孔槽或卡位的數量可以根據實際情況設置，從而進行多通道探測，另外，濾光輪轉盤通過電機驅動電機軸旋轉，從而帶動轉盤旋轉，本實用新型中濾光鏡轉盤5也是通過電機帶動齒輪，從而帶動濾光鏡轉盤5旋轉。
[0036]如圖2所不,上述濾光鏡轉盤5上設有第 H立10、第二卡位11,第一濾光片12疊加在垂直向線偏振片13上方，位於上述第一卡位10內；根據實際探測需要，也可以在轉盤上設置多個卡位，進行多通道探測。
[0037]如圖2所示，圓環6位於第二卡位11內，高度小於上述第二卡位11的深度，圓環6的外徑與水平向線偏振片14的直徑相同，水平向線偏振片14蓋合固定在圓環6上，與圓環6的外緣重合,第二濾光片15疊加在上述水平向線偏振片14上方，圓環6任一直徑的兩端各設一個通孔。根據實際探測情況，第一濾光片12、第二濾光片15可以擇一選擇或兩者都選擇其他波長的濾光片，例如，可以為532nm濾光片。
[0038]如圖3、圖4、圖7所示，上述「L」型工具7數量為兩個，每個「L」型工具7的長邊分別和可旋轉光學支架8固定連接，短邊分別插入上述圓環6上的通孔內。
[0039]由於水平向線偏振片14表面光滑，當放入第二卡位11中後，擰上螺圈(圖中未標示)，就無法直接調節其旋轉，並且不能用手直接去轉動，通過使用圓環6，一方面可以藉助」 L」型工具7去調節，另一方面避免直接用手去轉動，導致汙染水平向線偏振片14。
[0040]如圖1至圖7所示，下面以LED綠光光源I為例，結合【專利附圖】
【附圖說明】實驗室條件下利用本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統進行偏振態探測的步驟:
[0041](I)根據實驗需要選取光源，例如，可以選取輸出能量穩定的LED綠光光源I,在雷射雷達實際作業過程中，光源I應為望遠鏡接收的回波信號；
[0042](2)在LED綠光光源I的光路上，首先放置裝有第一凸透鏡(圖中未標示)的光學支架2，通過第一凸透鏡將發散的光線轉為平行光束；
[0043](3)在光學支架2的後方放置裝有第三線偏振片的光學支架3，使得(2)中的平行光束轉換為線偏振光；
[0044](4)第三線偏振片的光學支架3後依序放置可旋轉光學支架8、濾光鏡轉盤5，通過步進馬達16將濾光鏡轉盤5轉至第一卡位10的位置後，保持濾光鏡轉盤5不動；
[0045](5)緩慢調節第三線偏振片，此時，位於濾光鏡轉盤5後方的光電探測器9接收到的光信號強度會隨著垂直向線偏振片13和第三線偏振片之間偏振方向夾角的變化而變化，當光電探測器9接收到信號最小(幾乎為零)的位置後，保持第三線偏振片不動，此時垂直向線偏振片13和第三線偏振片的線偏振方向相互垂直；
[0046]光學支架3帶有角度數且可旋轉，帶有角度數是為了方便多次調整第三線偏振片，光電探測器9出現最大值時可以記錄位置，這樣多次重複調整中，都會有前面調整的讀數作為參考，以便調節的精度更高；
[0047](6)轉動濾光鏡轉盤5至水平向線偏振片14的位置，將兩根「L」型工具7的長邊固定在可旋轉光學支架8上，然後從濾光鏡轉盤5的前端緩緩進入，並將兩個短邊插入已經在圓環6上加工好的兩個通孔內，其中」L」型工具7的粗細以能插入通孔內為宜，短邊長度以不遮擋光路為宜，長邊長度可根據圓環6與可旋轉光學支架8之間的距離而定；
[0048](7)通過旋轉把手81轉動可旋轉光學支架8，帶動「L」型工具7旋轉，進而通過「L」型工具7帶動圓環6和水平向線偏振片14 一起緩緩轉動，多次重複調整，找到光電探測器9接收光信號最強的位置後，完全固定水平向線偏振片14的螺圈(圖中未標示)，使得水平向線偏振片14不動，此時水平向線偏振片14和第三線偏振片的線偏振方向相互平行；
[0049](8)輕輕取出「L」型工具7 ；
[0050](9)將兩塊透過率已知的532nm濾光片12、15分別疊加固定在上述垂直向線偏振片13和水平向線偏振片14上；
[0051](10)相互垂直通道的校正:
[0052]進一步檢驗和校正放在卡位中的線偏振片的放置效果，由於放在濾光鏡轉盤5兩個卡位上的線偏振片和532nm濾光片等光學鏡片自身屬性的差異，導致相同的光源通過不同卡位的鏡片時得到的最大值不同。因此，需要重複多次輪流測量經過其中一個卡位鏡片時最大信號值以及另一個卡位鏡片的對應值。有兩個指標可以作為後續試驗的參考依據:其一:一個通道的最大值與另一個通道的對應數值的比值可以判定兩塊線偏振片的偏振化方向垂直程度；其二，兩個通道最大探測值的比值可以判斷由鏡片透過率等因素引起的測量差異，獲得信號的校正係數。
[0053]如果兩個偏振通道各對應一個光電探測器，在獲得兩個偏振通道校正係數時，或許要利用實際大氣的回波信號進行得到，或者是在實驗光源的條件下，需要考慮兩個光電探測器光電效率的差異，而這都將增加校正係數獲得時的複雜程度。本實用新型的雷射雷達系統，避免了上述問題，減少了光學元件的數量，用更緊湊的結構，直接在實驗室內利用實驗光源得到兩個偏振通道信號的校正係數；
[0054](11)回波信號偏振方向的調試:
[0055]由於雷射雷達系統發射出的雷射是以線偏振的狀態被傳輸至大氣，雷射束與大氣粒子相互作用，其中後向散射信號就會被雷射雷達的望遠鏡接收。回波信號中垂直和水平的偏振狀態可能與濾光鏡轉盤5中的兩塊線偏振片的線偏振方向既不垂直又不平行，因此需要通過調整雷射發射部分的偏振態轉換裝置4中半波片42的角度以滿足與濾光鏡轉盤5中線偏振片的偏振方向相互垂直或平行，調試方法如下:
[0056]首先，將半波片42固定在可自由旋轉且帶有角度刻度的光學鏡片支架41上，光學鏡片支架41位於出射雷射束的光路上；
[0057]然後，調節光學鏡片支架41的高度與出射雷射束的高度相當並固定底盤；
[0058]再次，在水平方向微調光學鏡片支架41，使半波片42的鏡面與雷射束方向垂直後完全固定光學鏡片支架41 ；
[0059]最後，在垂直方向緩慢撥動旋轉把手調節半波片42與雷射束偏振方向的角度。
[0060]將濾光鏡轉盤5轉至垂直向線偏振片13的位置，然後緩慢旋轉半波片42，使得雷射雷達數據採集系統探測到的回波信號最強。此時回波信號中的垂直或水平偏振態與垂直向線偏振片13的偏振方向相互平行,而與水平向線偏振片14的偏振方向相互垂直。
[0061]半波片42安裝在帶有角度數且可旋轉的光學鏡片支架41上，帶有角度數是為了方便多次調整半波片42，光電探測器9出現最大值時可以記錄位置，這樣多次重複調整中，都會有前面調整的讀數作為參考，以便調節的精度更高。而且，當入射線偏振光的方位固定而改變半波片42的方向時，隨著半波片42的旋轉,通過的光將成為在相同方向上以二倍於半波片42的旋轉角度旋轉的線偏振光，因此，半波片42可作為線偏振光的旋光器使用。
[0062]另外，通過控制軟體設定濾光鏡轉盤5轉動的速度和每個卡位的信號採集時間，本實用新型的雷射雷達系統可分別探測532nm垂直和水平偏振向的Mie散射回波信號及其他波長的回波信號。
[0063]以上實施例中，裝有第一凸透鏡的光學支架2、裝有第三線偏振片的光學支架3、光學鏡片支架41、可旋轉光學支架8可以根據實際作業需求選擇常用的有刻度或無刻度、可以旋轉並帶動固定在支架上的鏡片旋轉的光學支架。
[0064]綜上所述，本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統和現有技術相比，至少具有如下優點:
[0065]1、本實用新型的雷射雷達系統省去了透射鏡、偏振晶體及相應的各光學鏡片的支架等元件，將不同波段的濾光片及其對應的偏振片集中放置在濾光鏡裝盤中，利用一個光電探測器即可實現不同通道的信號探測，既可以實現利用同一款光電探測器對多個波段的探測，也可以同時探測到同一波段垂直和水平偏振通道的回波散射信號，明顯減少了雷射雷達系統中光電探測器以及濾光光學元件的需求數量；
[0066]2、本實用新型一種單通道探測偏振的雷射雷達系統佔用更少的設計空間，使得整個雷射雷達系統結構更加緊湊，避免了當雷射雷達系統設計成為多功能多通道時面臨的許多光學元件和電子元件的排版問題，使雷射雷達系統成品後結構小巧、便於攜帶，更方便在外場觀測實驗中應用；
[0067]3、在滿足探測實驗需求的前提下，有效減少了雷射雷達系統的研製和維護成本，為研製一定數量的雷射雷達系統，組建雷射雷達觀測網提供了經濟上的可能性。
[0068]以上上述的實施例僅僅是對本實用新型的優選實施方式進行描述，並非對本實用新型的範圍進行限定，在不脫離本實用新型設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本實用新型的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本實用新型權利要求書確定的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種單通道探測偏振的雷射雷達系統，其特徵在於:包括光源(I)、裝有第一凸透鏡的光學支架(2)、裝有第三線偏振片的光學支架(3)、偏振態轉換裝置(4)、濾光鏡轉盤(5)、圓環(6)、「L」型工具(7)、可旋轉光學支架(8)、光電探測器(9)； 所述光源(I)的光路上依序設置裝有第一凸透鏡的光學支架(2)、裝有第三線偏振片的光學支架(3 )、可旋轉光學支架(8 )、濾光鏡轉盤(5 )、光電探測器(9 ); 其中: 所述濾光鏡轉盤(5)上設有第 N立(10)、第二卡位(11)，第一濾光片(12)疊加在垂直向線偏振片(13)上方,位於所述第 N立(10)內； 所述圓環(6)位於所述第二卡位(11)內，高度小於所述第二卡位(11)的深度，圓環(6)的外徑與水平向線偏振片(14)的直徑相同，水平向線偏振片(14)蓋合固定在圓環(6)上，第二濾光片(15)疊加在所述水平向線偏振片(14)上方，圓環(6)任一直徑的兩端各設一個通孔； 所述「L」型工具(7)數量為兩個，每個「L」型工具(7)的長邊分別和可旋轉光學支架(8 )固定連接，短邊分別插入所述圓環(6 )上的通孔內。
2.根據權利要求1所述的雷射雷達系統，其特徵在於:所述第一濾光片(12)和/或第二濾光片(15)為532nm濾光片。
【文檔編號】G01S17/00GK203572962SQ201320709304
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】周天, 黃忠偉, 史晉森, 閉建榮 申請人:蘭州大學