多方位扫描激光雷达光学系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型设计了一种多方位扫描激光雷达光学系统，该系统使用偏振分束镜和电光晶体相结合的方式控制发射激光的方向，依次向不同的方向发射激光。在接收望远镜的焦点处和以焦点为圆心的圆上均布四个光纤，接收来自相对应的五个不同方向的大气后向散射信号。多方位扫描激光雷达光学系统，包括激光发射单元和激光接收单元，所述激光发射单元包括激光器、激光电源、扩束镜、四组电光晶体管、四组偏振分束镜和六组全反镜，所述激光接收单元包括望远镜、光纤、探测单元和计算机单元。
【专利说明】多方位扫描激光雷达光学系统
【技术领域】
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[0001]本实用新型涉及一种非机械性旋转的扫描激光雷达光学系统，属激光雷达、激光探测【技术领域】。
【背景技术】
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[0002]激光雷达在大气探测方面的应用已越来越重要了，目前，我国一些单位、科研院所以及高校研制出了用于观测云高、云量、大气气溶胶的激光雷达，比如激光云高仪，对于取代地面台站的人工观测业务具有良好的应用前景，也符合气象观测自动化的发展步伐，但这些仪器都局限于观测其中的一个或两个要素，而旋转式激光云自动观测仪，解决了常规的云高的单点连续观测，增加了对天空云的取样，且能在原有云高测量的基础上增加对云量的测量。在测风激光雷达系统中，需要向不同方向发射激光，测量不同方向上的视线风速进而得到三维风场。
[0003]目前激光扫描的方式主要是基于机械式的扫描，如望远镜前面安装扫描板、光楔扫描、多望远镜接收等。但是机械传动存在着工作不太稳定，仪器旋转时要不断的进行旋转角度和仰角的校正，制造精度不高时振动和噪声大、长期工作易磨损造成旋转精度不准确等缺点，不能很好的满足对长期连续观测的要求。而非机械扫描激光雷达系统具有扫描探测能力，又避免了机械扫描过程中其存在的问题，易于实现长期连续探测。
【发明内容】
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[0004]本实用新型设计了一种多方位扫描激光雷达光学系统，该系统使用偏振分束镜和电光晶体相结合的方式控制发射激光的方向，依次向不同的方向发射激光。在接收望远镜的焦点处和以焦点为圆心的圆上均布四个光纤，接收来自相对应的五个不同方向的大气后向散射信号。
[0005]本实用新型的技术解决方案如下:
[0006]多方位扫描激光雷达光学系统，包括激光发射单元和激光接收单元，所述激光发射单元包括激光器、激光电源、扩束镜、四组电光晶体管、四组偏振分束镜和六组全反镜，所述激光接收单元包括望远镜、光纤、探测单元和计算机单元；
[0007]其中，扩束镜、第一电光晶体Al、第一偏振分束镜BI和第一全反镜Cl依次设于同一水平面光路上；第二偏振分束镜B2与第二全反镜C2，第三偏振分束镜B3与第三全反镜C3、第四全反镜C4,第四偏振分束镜B4与第五全反镜C5,第六全反镜C6均位于同一水平面上；第一偏振分束镜B1、第二电光晶体A2、第二偏振分束镜B2、第三电光晶体A3、第三偏振分束镜B3、第四电光晶体A4、第四偏振分束镜B4、第五全反镜C5依次由上至下垂直设置；第一全反镜Cl、第二全反镜C2、第三全反镜C3、第四全反镜C4、第六全反镜C6依次由上至下垂直设置；第一偏振分束镜B1、第二偏振分束镜B2、第三偏振分束镜B3、第三全反镜C3、第四偏振分束镜B4均垂直于平板放置且与激光光轴夹角为45° ;第一全反镜Cl与平板夹角为45°向北倾斜放置且与光轴夹角为45° ;第二全反镜C2与平板夹角为42.5°向北倾斜放置且与光轴夹角为42.5° ;第四全反镜C4与平板夹角为42.5°向西倾斜放置且与光轴夹角为42.5° ;第五全反镜C5与平板夹角为42.5°向南倾斜放置且与光轴夹角为42.5° ;第六全反镜C6与平板夹角为42.5°向东倾斜放置且与光轴夹角为42.5° ;
[0008]所述光纤设有五根，一根连接在望远镜焦点处，另四根均布安装在以焦点为圆心的圆周上，五根光纤的另一端分别连接各自的探测单元，各探测单元分别与计算机单元连接。
[0009]所述探测单元包括凸透镜、窄带滤光片、光电倍增管和光电探测器。
[0010]一种多方位扫描激光雷达光学系统探测方法，该方法包括以下步骤:
[0011]I)激光器2发射一束波长为532nm的光束，光束经扩束镜3扩大准直，送入第一电光晶体Al ；
[0012]2)第一电光晶体Al、第二电光晶体A2、第三电光晶体A3、第四电光晶体A4不施加电压，扩束后的激光经第一电光晶体Al输出，输出的激光经第一偏振分束镜BI透射后,再经45度倾斜的第一全反镜Cl反射，通过第一输出窗口垂直向上出射；
[0013]3)接着，给第一电光晶体Al施加脉冲电压，同时第二电光晶体A2、第三电光晶体A3、第四电光晶体A4不施加电压,激光经第一电光晶体Al输出，输出的激光经第一偏振分束镜BI反射，激光再由第二电光晶体A2输出，输出的激光经第二偏振分束镜B2反射后，进入42.5度倾斜的第二全反镜反射C2反射后，通过第二输出窗口与垂直方向夹角为5度偏北向出射；
[0014]4)接着，同时给第一电光晶体Al、第二电光晶体A2、第三电光晶体A3施加脉冲电压，第四电光晶体A4不施加电压,激光经第二电光晶体A2输出，输出的激光经第二偏振分束镜B2透射，激光再经过第三电光晶体A3输出，输出的激光经第三偏振分束镜B3反射后，经45度倾斜的第三全反镜C3反射后，再经42.5度倾斜的第四全反镜C4反射后通过第三输出窗口与垂直方向夹角为5度偏西向出射；
[0015]5)接着，同时给第一电光晶体Al、第二电光晶体A2、第四电光晶体A4施加脉冲电压，第三电光晶体A3不施加电压，,激光经过第三电光晶体A3输出，输出的激光经第三偏振分束镜B3透射后，激光经过第四电光晶体A4输出，输出的激光经第四偏振分束镜B4反射后，再经42.5度倾斜的第五全反镜C5反射后通过第四输出窗口与垂直方向夹角为5度偏南向出射；
[0016]6)接着，同时给第一电光晶体Al、第二电光晶体A2施加电压,第三电光晶体A3、第四电光晶体A4不施加电压,激光经过第四电光晶体A4输出，输出的激光经第四偏振分束镜B4透射后，经42.5度倾斜的第六全反镜C6反射后通过第五输出窗口与垂直方向夹角为5度偏东向出射；
[0017]7)五个输出窗口输出的激光进入大气中，与大气分子、气溶胶粒子相互作用,产生散射，激光接收单元的望远镜5接收来自不同方向的后向散射光，接收的散射光被汇聚在焦平面上的五个点，并分别由五根光纤6接收(其中,光纤6-1接收西向返回的后向散射光(第三输出窗口)；光纤6-2接收北向返回的后向散射光(第二输出窗口)；光纤6-3接收垂直方向返回的后向散射光(第一输出窗口)；光纤6-4接收南向返回的后向散射光(第四输出窗口)；光纤6-5接收东向返回的后向散射光(第五输出窗口))；
[0018]8)光纤传输的光信号再通过凸透镜7准直、窄带滤光片8滤波降噪后,被光电倍增管9放大并转换成电信号输出，再由光子计数卡10进行采集计数，得到的数据传给计算机11单元。
[0019]本实用新型与现有技术相比具有的优点如下:
[0020]本实用新型基于无机械部件转动的情况下实现激光雷达扫描，简化激光雷达系统，使激光雷达稳定可靠。具体优点如下:
[0021 ] 1、系统使用偏振分束镜和电光晶体相结合的方式控制发射激光的方向，依次向不同的方向发射激光，达到旋转扫描的效果，避免了机械扫描的弊端；
[0022]2、系统的稳定结构，保证出射光方向的准确性；
[0023]3、系统依次向不同方向发射激光，实现激光束的小天顶角扫描；
[0024]4、本实用新型易于实现长期连续探测。
【专利附图】
【附图说明】
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[0025]图1为本实用新型中第一输出窗口出射激光时对电光晶体施加电压的信号图；
[0026]图2为本实用新型中第二输出窗口出射激光时对电光晶体施加电压的信号图；
[0027]图3为本实用新型中第三输出窗口出射激光时对电光晶体施加电压的信号图；
[0028]图4为本实用新型中第四输出窗口出射激光时对电光晶体施加电压的信号图；
[0029]图5为本实用新型中第五输出窗口出射激光时对电光晶体施加电压的信号图；
[0030]图6为本实用新型的激光发射系统光路示意图；
[0031]图中:设定的三维坐标系，垂直向上表示天空方向，水平的四个方向分别为东、西、南、北。
[0032]图7为本实用新型的原理示意图。
[0033]图中:1、激光电源；2、激光器；3、扩束镜；4、激光发射系统光路；5、望远镜；6、光纤；7、凸透镜；8、窄带滤光片；9、光电倍增管；10、光子计数卡；11、计算机单元;A1-A4为电光晶体；B1-B4为偏振分束镜；C1-C6为全反镜。
【具体实施方式】
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[0034]I).本实用新型设计的多方位扫描激光雷达光学系统，通过增加不同方向的出射激光，在不改变固定天顶角的接收系统的前提下，在接收望远镜焦平面不同位置设置多个探测器，接收来自不同方向的大气后向散射信号。
[0035]2).以下做具体的说明:图1-图5为施加电压的信号图。图6为本实用新型的激光发射系统光路示意图；
[0036]3).图7为本实用新型的原理示意图，如图7所示，非机械性旋转的扫描激光雷达光学系统主要包括激光发射系统和信号接收系统。
[0037]4).激光发射系统中激光器2发射一束波长为532nm的光束，光束经扩束镜3扩大准直；
[0038]5).第一电光晶体Al、第二电光晶体A2、第三电光晶体A3、第四电光晶体A4不施加电压，扩束后的激光经第一电光晶体Al输出，输出的激光经第一偏振分束镜BI透射后，再经42.5度倾斜的第一全反镜Cl反射后通过第一输出窗口垂直向上出射；
[0039]6).激光从第一输出窗口出射时,给第一电光晶体Al施加电压,激光经第一电光晶体Al输出，输出的激光经第一偏振分束镜BI反射,第二电光晶体A2、第三电光晶体A3、第四电光晶体A4不施加电压,激光经第二电光晶体A2输出，输出的激光经第二偏振分束镜B2反射后，再经42.5度倾斜的第二全反镜反射C2后通过第二输出窗口与垂直方向夹角为5度偏北向出射；
[0040]7).激光从第二输出窗口出射时,给第二电光晶体A2施加电压,激光经第二电光晶体A2输出，输出的激光经第二偏振分束镜B2透射,给第三电光晶体A3施加电压,第四电光晶体A4不施加电压,激光经过第三电光晶体A3输出，输出的激光经第三偏振分束镜B3反射，再经45度倾斜的第三全反镜C3反射后，经42.5度倾斜的第四全反镜C4通过第三输出窗口与垂直方向夹角为5度偏西向出射；
[0041]8).激光从第三输出窗口出射时,第三电光晶体A3不施加电压,激光经过第三电光晶体A3输出，输出的激光经第三偏振分束镜B3透射,给第四电光晶体A4施加电压,激光经过第四电光晶体A4输出，输出的激光经第四偏振分束镜B4反射后，再经42.5度倾斜的第五全反镜C5反射后通过第四输出窗口与垂直方向夹角为5度偏南向出射；
[0042]9).激光从第四输出窗口出射时，第四电光晶体A4不施加电压，激光经过第四电光晶体A4输出，输出的激光经第四偏振分束镜B4透射后，再经42.5度倾斜的第六全反镜C6反射后通过第五输出窗口与垂直方向夹角为5度偏东向出射。
[0043]10).当激光光束进入大气中，与大气分子、气溶胶粒子等相互作用，产生各种散射；
[0044]11).信号接收系统中的望远镜5，接收来自不同方向的后向散射光，这些散射光被汇聚在焦平面上，经光纤6传输，再通过凸透镜7准直后由窄带滤光片8滤波降噪后，进入到光电探测系统中；
[0045]12).光信号被光电倍增管9放大并转换成电信号输出，再由光子计数卡10进行采集计数，得到的数据通过计算机11单元进行处理分析，最终反演云高、云量和风场等的信息，并保存原始数据和分析结果。
【权利要求】
1.多方位扫描激光雷达光学系统，包括激光发射单元和激光接收单元，其特征是:所述激光发射单元包括激光器、激光电源、扩束镜、四组电光晶体管、四组偏振分束镜和六组全反镜，所述激光接收单元包括望远镜、光纤、探测单元和计算机单元； 其中，扩束镜、第一电光晶体Al、第一偏振分束镜BI和第一全反镜Cl依次设于同一水平面光路上；第二偏振分束镜B2与第二全反镜C2，第三偏振分束镜B3与第三全反镜C3、第四全反镜C4，第四偏振分束镜B4与第五全反镜C5，第六全反镜C6均位于同一水平面上；第一偏振分束镜B1、第二电光晶体A2、第二偏振分束镜B2、第三电光晶体A3、第三偏振分束镜B3、第四电光晶体A4、第四偏振分束镜B4、第五全反镜C5依次由上至下垂直设置；第一全反镜Cl、第二全反镜C2、第三全反镜C3、第四全反镜C4、第六全反镜C6依次由上至下垂直设置；第一偏振分束镜B1、第二偏振分束镜B2、第三偏振分束镜B3、第三全反镜C3、第四偏振分束镜B4均垂直于平板放置且与激光光轴夹角为45° ;第一全反镜Cl与平板夹角为45°向北倾斜放置且与光轴夹角为45° ;第二全反镜C2与平板夹角为42.5°向北倾斜放置且与光轴夹角为42.5° ;第四全反镜C4与平板夹角为42.5°向西倾斜放置且与光轴夹角为42.5° ;第五全反镜C5与平板夹角为42.5°向南倾斜放置且与光轴夹角为42.5° ;第六全反镜C6与平板夹角为42.5°向东倾斜放置且与光轴夹角为42.5° ; 所述光纤设有五根，一根连接在望远镜焦点处，另四根均布安装在以焦点为圆心的圆周上，五根光纤的另一端分别连接各自的探测单元，各探测单元分别与计算机单元连接。
2.根据权利要求1所述多方位扫描激光雷达光学系统，其特征是:所述探测单元包括凸透镜、窄带滤光片、光电倍增管和光电探测器。
【文档编号】G01S7/483GK203930053SQ201420241399
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】单坤玲, 卜令兵, 丘祖京, 黄兴友, 高爱臻, 袁静 申请人:南京信息工程大学