专利名称：激光雷达透射式共焦距收发光学系统的制作方法
技术领域：
本发明属于激光雷达的收发光学系统。
背景技术：
激光雷达是迅速发展的高新技术之一，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达向空中发射激光脉冲，通过接收大气中气溶胶颗粒物对激光脉冲的后向散射进行大气光学特性研究，依此分析大气能见度、气溶胶颗粒物时空分布和时空变化、云底云高、边界层高度、气溶胶颗粒物特性等。由于返回的激光后向散射信号非常微弱，除了使用高灵敏的探测器进行信号探测外，接收激光后向散射信号的光学望远镜是影响激光雷达性能的关键组件。
无论是发射光束与接收光束同轴的激光雷达还是发射光束与接收光束的离轴的激光雷达，均采用反射式卡塞格林望远镀作为光学接收望远镜或牛顿望远镜作为光学接收望远镜。
对于反射式激光雷达，采用卡塞格林望远镜或牛顿望远镜对特定要求的雷达系统有其特殊的优点，如成像扫描激光雷达，采用反射式望远镜可以消除色差，当物镜采用抛物面时可消去球差。对于以接收回波信号能量为目的的激光雷达系统，采用反射式望远镜对激光雷达系统的调整、加工、维护及性能优化有诸多不便。简述如下1、反射式望远镜系统均由主镜和副镜组成，每个工作镜面上均镀有一定反射率的金属膜(如铝膜、金膜)或其它介质膜，如果每个镜面的反射率为85％，则经过望远镜系统后接收到的能量也仅有总能量的72.3％，大大损耗了所接收微弱光信号的强度。
2、在反射式望远镜系统中，主镜与副镜表面所镀铝膜或其它介质膜的反射率在长期的工作中(特别是野外工作)会大大降低。如长期工作在户外的激光雷达系统，镜面所镀铝膜因其耐腐蚀性较差，在恶劣的大气环境中易于发生氧化。
3、在激光雷达系统中，采用反射式望远镜系统对于主镜与副镜的装调相当困难，特别是对于激光雷达的维护，如果主、副镜拉置发生变化，必须重新对整个系统的光路进行调整。
4、对于同轴收发式激光雷达系统，激光束经扩束准直系统后经一反射镜发出，对于发射光束与接收望远镜系统的同轴调整相当困难，如果在野外试验运输中有一个部件位置发生变化，将会使发射光束与接收望远镜系统的光轴发生偏离，严重影响整个雷达系统的性能，甚至无法正常工作。
5、对于离轴收发式激光雷达系统，在整个雷达系统中必须保证发射光束与接收望远镜系统的光轴平行，此种工作方式不仅在调整上比较麻烦，而且在探测空间距离上存在较大的盲区(至少大于400m)，因此在工作中必须对整个激光雷达系统进行重叠修正。
发明内容
本发明的目的是为了提高激光雷达回波信号接收强度，发展易于调整、加工、维护及高性价比的激光雷达，克服已有的以接收回波信号强度为目的的反射式激光雷达系统(离轴或同轴)，结构复杂、价格昂贵、调整加工维护不便，对于所接收到的回波信号强度损耗较大的缺点，发明一种激光雷达透射式共焦距收发光学系统，克服了激光雷达反射式收发光学系统的不足。
本发明的技术方案如下激光雷达透射式共焦距收发光学系统，其特征在于收发望远镜的镜筒内安装有由凹面镜、收发透镜组成发射光学单元；由收发透镜、中心开孔反射镜组成的接收光学单元，镜筒尾部的镜筒壁上安装有激光器，凹面镜位于激光器的前端，收发透镜安装在镜筒端口，中心开孔反射镜斜置45度安装在收发透镜和凹面镜之间的光路上，镜筒侧壁上开通光孔，中心开孔反射镜将接收光束90度反射到镜筒外的探测系统，凹面镜位于收发透镜的焦点处。
激光器发出的光束经凹面镜、中心开孔反射镜的中心孔、收发透镜以平行光束发出，后向散射的回波信号则经收发透镜、中心开孔反射镜将接收光束90度反射到探测系统进行探测。
利用透射式激光雷达系统进行回波信号的探测，改变凹面镜的焦距可以适用不同发散角的激光器，由于发射透镜与接收透镜为同一透镜，经发射透镜发出的激光束虽有部分反射也不能进入到探测器，因此大大降低了初始发射激光束对探测器的影响，提高了探测的灵敏度。
本发明适用于大气环境监测(大气能见度、气溶胶颗粒物时空分布和时空变化、云底云高、边界层高度、气溶胶颗粒物特性等)、水体污染激光诱导荧光遥感监测，适于以探测回波信号强度为谜底的各种激光雷达系统。
本发明的优点1、激光雷达系统中采用了透射式望远镜系统，其结构简单、加工容易，易于密封，适合于野外工作；2、激光束发射接收同轴，大大缩小了探测盲区。与反射式激光雷达相比(盲区至少大于400米)，此种结构的探测盲区仅有50米，因而特别适合于底层大气环境探测；3、采用不同焦距的发射透镜和接收透镜，使得激光束和探测器处于同一轴线，装调方便，且光信号损失小，大大提高可探测的信噪比，同时无需对激光束进行整形，使得系统工作稳定可靠；4、无需在镜子表明镀铝反射膜，避免了长期使用镀铝反射膜的发射率下降。
5、改变凹面镜的焦距可以适用不同发散角的激光器，解决了各种激光器的光束匹配问题。
图1为激光雷达透射式共焦距收发光学系统的结构图。
图2是采用透射式共焦距收发光学系统的激光雷达测量的西藏那曲地区气溶胶颗粒物时空分布和了气边界层内气溶胶颗粒物的时空结构。
具体实施例方式
激光雷达透射式共焦距收发光学系统，其特征在于包括由凹面镜、收发透镜组成发射光学单元；由收发透镜、中心开孔反射镜组成的接收光学单元。发射光学单元和接收光学单元共用收发透镜。镜筒尾部的镜筒壁上安装有激光器，激光器发出的光束经凹面镜、中心开孔反射镜的中心孔、收发透镜以平行光发出，中心开孔反射镜安装在镜筒中央，中心开孔反射镜前方安装收发透镜，中心开孔反射镜将接收光束90度反射到探测系统，凹面镜位于透射式共焦距收发光学系统的焦点处。
激光器发出的光束经凹面镜、中心开孔反射镜、收发透镜以平行光束发出，后向散射的回波信号则经收发透镜、中心开孔反射镜将接收光束90度反射到探测系统进行探测。然后由光阑、准直透镜、滤光片和探测器组成的探测系统进行光电信号转换，最后送入计算机分析处理。
由透射式共焦距收发光学系统组成的激光雷达性能指标见下列
图2给出利用透射式双焦距收发光学系统的激光雷达测量的西藏那曲地区气溶胶颗粒物时空分布和了气边界层内气溶胶颗粒物的时空结构。那曲地区2004年4月份的大气边界层高度变化很大，约为1.3km～2.3km。这是青藏高原特殊的地形所致，由于其海拔高，日照强烈，白天地表接收太阳辐射后被加热急剧升温，夜间地表因长波辐射冷却后迅速降温，昼夜温差较大，尤其是春季，强烈的热力作用造成2004年4月份的湍流交换远远高于秋季。
权利要求
1.激光雷达透射式共焦距收发光学系统，其特征在于收发望远镜的镜筒内安装有由凹面镜、收发透镜组成发射光学单元；由收发透镜、中心开孔反射镜组成的接收光学单元，镜筒尾部的镜筒壁上安装有激光器，凹面镜位于激光器的前端，收发透镜安装在镜筒端口，中心开孔反射镜斜置45度安装在收发透镜和凹面镜之间的光路上，镜筒侧壁上开通光孔，中心开孔反射镜将接收光束90度反射到镜筒外的探测系统，凹面镜位于收发透镜的焦点处。
全文摘要
本发明公开了一种激光雷达透射式共焦距收发光学系统，其特征在于包括由凹面镜、收发透镜组成发射光学单元；由收发透镜、中心开孔反射镜组成的接收光学单元。镜筒尾部的镜筒壁上安装有激光器，激光器发出的光束经凹面镜、中心开孔反射镜、收发透镜以平行光发出，中心开孔反射镜45度安装在镜筒中央，中心开孔反射镜前方安装收发透镜，中心开孔反射镜将接收光束90度反射到探测系统，然后由光阑、准直透镜、滤光片和探测器组成的探测系统进行光电信号转换，最后送入计算机分析处理。用于气溶胶颗粒物的定性及定量探测，大气边界层高度的确定、气溶胶颗粒物垂直分布、气溶胶颗粒物时间变化以及对流层气溶胶颗粒物分层特征。
文档编号G02B27/00GK1967285SQ20061009606
公开日2007年5月23日 申请日期2006年9月14日 优先权日2006年9月14日
发明者刘文清, 赵南京, 张玉钧, 刘建国, 刘诚, 张天舒, 司福祺, 陆亦怀, 谢品华, 魏庆农 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所