一种信号接收系统及臭氧探测激光雷达的制作方法

本申请涉及激光雷达系统技术领域，更具体地说，涉及一种信号接收系统及臭氧探测激光雷达。

背景技术：

近几十年来，激光雷达在大气探测领域发展迅速，特别是在中国，科研经费的投入的增大，大气探测激光雷达的发展犹如雨后春笋。2012年，国家自然科学基金委员会资助了国家重大科研仪器设备研制专项“多波段多大气成分主被动综合探测系统”，其中包含了多个激光雷达子项目，如气溶胶云激光雷达、瑞利钠风温激光雷达、臭氧探测激光雷达、污染物探测激光雷达、二氧化碳激光雷达等。其中，瑞利钠风温激光雷达和臭氧探测激光雷达除了需要进行对流层探测以外，还需要进行中高层大气的探测，为了提高这两台激光雷达探测高度和信噪比，提高接收望远镜的有效接收面积是非常有效的手段。

但接收望远镜的加工成本随着接收面积的增加成几何指数增长，因此，现今通常通过采用多台小口径望远镜作为组合望远镜，同时接收同一束激光和大气相互作用的后向散射回波信号，来实现增加接收望远镜的接收面积的目的。

现有技术中对于组合望远镜的后续接收光路的设计尚无经验可以借鉴，传统的对于臭氧探测激光雷达系统中的接收望远镜的后续接收光路的设计思路通常为对于单一波长的回波信号，配套设置一根单独接收光纤、一套耦合光路、一套光电探测器和一套采集装置。但是对于具有组合望远镜的臭氧探测激光雷达而言，如果仍然按照传统的设计思路设计组合望远镜的后续接收光路，对于单一波长的回波信号，就需要设计与组合望远镜中单体望远镜的数量相同的接收光纤、耦合光路、光电探测器和采集装置，那么对于多个接收波长，至少耦合光路、光电探测器和采集装置的数量还要在上述基础上乘以探测波长的数量，如此设计的组合望远镜的接收光路不仅成本巨大、集成度低，而且后续的实施调试也很困难。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供了一种信号接收系统及臭氧探测激光雷达，以实现降低组合望远镜的接收光路的成本、提高接收光路的集成度，并且降低调试难度的目的。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种信号接收系统，应用于臭氧探测激光雷达，所述信号接收系统包括：组合望远镜、合束光纤、消色差模块、第一信号处理模块、第二信号处理模块、第一信号转换模块、第二信号转换模块和斩光盘；其中，

所述组合望远镜包括多个分体望远镜，用于接收所述臭氧探测激光雷达的臭氧回波信号并向所述合束光纤传输；

所述合束光纤包括多根光纤，每根所述光纤的一端设置于一个所述分体望远镜的焦平面处，所述合束光纤用于接收所述组合望远镜传输的臭氧回波信号，并向所述消色差模块传输；

所述消色差模块用于对所述合束光纤传输的臭氧回波信号进行消色差、准直和分色处理，以获得分别向第一信号处理模块和第二信号处理模块传输的瑞利回波信号和拉曼回波信号；

所述第一信号处理模块和第二信号处理模块关于所述斩光盘的中轴线对称设置，所述第一信号处理模块用于对所述瑞利回波信号进行过滤和汇聚处理后，获得瑞利光斑点向所述斩光盘出射；

所述第二信号处理模块用于对所述拉曼回波信号进行过滤和汇聚处理后，获得拉曼光斑点向所述斩光盘出射；

所述斩光盘用于分别对所述瑞利光斑点和拉曼光斑点进行斩切处理后，获得瑞利待转换信号和拉曼待转换信号；

所述第一信号转换模块用于接收所述瑞利待转换信号，并对所述瑞利待转换信号进行光电转换后，获得瑞利电信号；

所述第二信号转换模块用于接收所述拉曼待转换信号，并对所述拉曼待转换信号进行光电转换后，获得拉曼电信号。

可选的，每根所述光纤包括：第一光纤接头、第二光纤接头和连接所述第一光纤接头和第二光纤接头的传输光纤；其中，

所述第一光纤接头设置于一个所述分体望远镜的焦平面处，所述第二光纤接头与所述合束光纤的其他光纤的第二光纤接头封装在一起，作为所述合束光纤的合束接头。

可选的，所述第一光纤接头包括光纤芯和包围所述光纤芯的第一封装结构；

所述合束接头包括多个第二光纤接头和包围多个所述第二光纤接头的第二封装结构；

所述第一封装结构为金属封装结构或塑料封装结构；

所述第二封装结构为金属封装结构或塑料封装结构。

可选的，所述消色差模块包括：空气隙消色差透镜组、分色片和第一反射镜，其中，

所述空气隙消色差透镜组包括弯月透镜和设置于弯月透镜背离所述合束光纤一侧的双凸透镜，所述空气隙消色差透镜组用于对所述合束光纤传输的臭氧回波信号进行消色差和准直处理；

所述分色片用于反射经过消色差和准直处理的臭氧回波信号中的拉曼回波信号，并透射经过消色差和准直处理的臭氧回波信号中的瑞利回波信号，以将经过消色差和准直处理的臭氧回波信号分离为瑞利回波信号和拉曼回波信号；

所述第一反射镜用于将所述瑞利回波信号向所述第一信号处理模块反射。

可选的，所述弯月透镜和双凸透镜的表面均设置有紫外光增透膜。

可选的，所述第一信号处理模块包括：第二反射镜、第一滤光片和第一汇聚透镜；

所述第二反射镜用于将所述瑞利回波信号向所述第一滤光片反射；

所述第一滤光片用于过滤所述瑞利回波信号中的杂散信号，并向所述第一汇聚透镜传输；

所述第一汇聚透镜用于将接收到的瑞利回波信号进行汇聚，以获得瑞利光斑点并向所述斩光盘出射；

所述第二信号处理模块包括：第三反射镜、第二滤光片和第二汇聚透镜；

所述第三反射镜用于将所述拉曼回波信号向所述第二滤光片反射；

所述第二滤光片用于过滤所述拉曼回波信号中的杂散信号，并向所述第二汇聚透镜传输；

所述第二汇聚透镜用于将接收到的拉曼回波信号进行汇聚，以获得拉曼光斑点并向所述斩光盘出射。

可选的，所述第三反射镜、第二滤光片和第二汇聚透镜设置于第一圆筒中；

所述分色片通过所述第一圆筒以圆筒方式与所述第二信号处理模块连接；

所述第二反射镜、第一滤光片和第一汇聚透镜设置于第二圆筒中；

所述第一反射镜通过所述第二圆筒以圆筒方式与所述第一信号处理模块连接。

可选的，所述第一信号转换模块包括：第一透镜组和第一探测器；

所述第一透镜组用于对所述瑞利待转换信号进行汇聚；

所述第一探测器用于对汇聚后的瑞利待转换信号进行光电转换，以获得瑞利电信号；

所述第二信号转换模块包括：第二透镜组和第二探测器；

所述第二透镜组用于对所述拉曼待转换信号进行汇聚；

所述第二探测器用于对汇聚后的拉曼待转换信号进行光电转换，以获得拉曼电信号。

一种臭氧探测激光雷达，包括：如上述任一项所述的信号接收系统。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种信号接收系统及臭氧探测激光雷达，其中，所述信号接收系统采用包括多根光纤的合束光纤接收组合望远镜中多个分体望远镜接收的臭氧回波信号，合束光纤接收的臭氧回波信号经过消色差模块的处理后形成瑞利回波信号和拉曼回波信号分别经过第一信号处理模块、第二信号处理模块、斩光盘、第一信号转换模块和第二信号转换模块的处理后，获得瑞利电信号和拉曼电信号，实现对组合望远镜接收的臭氧回波信号的接收和处理。所述信号接收系统利用合束光纤实现对多个分体望远镜接收的臭氧回波信号的接收，并利用后续光路对合束光纤传输的臭氧回波信号进行处理以实现光信号向电信号的转换，无需根据组合望远镜中的单体望远镜的数量设计众多的耦合光路、光电探测器和采集装置，实现了降低组合望远镜的接收光路的成本、提高接收光路的集成度，并且降低调试难度的目的。

另外，所述信号接收系统的所述第一信号处理模块和第二信号处理模块关于所述斩光盘的中轴线对称设置，从而可以通过对第一信号处理模块和第二信号处理模块所在光路进行单独调节来实现瑞利回波信号或拉曼回波信号的光电转换。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种信号接收系统的结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的一种合束光纤的结构示意图；

图3为图2中第一光纤接头沿AA’线的剖面结构示意图；

图4为图2中合束接头沿BB’线的剖面结构示意图；

图5为本申请的一个实施例提供的一种合束光纤与组合望远镜的设置位置关系示意图；

图6为本申请的一个实施例提供的一种信号接收系统的具体连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种信号接收系统，如图1所示，应用于臭氧探测激光雷达，所述信号接收系统包括：组合望远镜10、合束光纤80、消色差模块20、第一信号处理模块30、第二信号处理模块50、第一信号转换模块40、第二信号转换模块60和斩光盘70；其中，

所述组合望远镜10包括多个分体望远镜，用于接收所述臭氧探测激光雷达的臭氧回波信号并向所述合束光纤80传输；

所述合束光纤80包括多根光纤，每根所述光纤的一端设置于一个所述分体望远镜的焦平面处，所述合束光纤80用于接收所述组合望远镜10传输的臭氧回波信号，并向所述消色差模块20传输；

所述消色差模块20用于对所述合束光纤80传输的臭氧回波信号进行消色差、准直和分色处理，以获得分别向第一信号处理模块30和第二信号处理模块50传输的瑞利回波信号和拉曼回波信号；

所述第一信号处理模块30和第二信号处理模块50关于所述斩光盘70的中轴线对称设置，所述第一信号处理模块30用于对所述瑞利回波信号进行过滤和汇聚处理后，获得瑞利光斑点向所述斩光盘70出射；

所述第二信号处理模块50用于对所述拉曼回波信号进行过滤和汇聚处理后，获得拉曼光斑点向所述斩光盘70出射；

所述斩光盘70用于分别对所述瑞利光斑点和拉曼光斑点进行斩切处理后，获得瑞利待转换信号和拉曼待转换信号；

所述第一信号转换模块40用于接收所述瑞利待转换信号，并对所述瑞利待转换信号进行光电转换后，获得瑞利电信号；

所述第二信号转换模块60用于接收所述拉曼待转换信号，并对所述拉曼待转换信号进行光电转换后，获得拉曼电信号。

在实际使用过程中，当使用光纤在单体望远镜焦平面处接收臭氧回波信号时，臭氧探测激光雷达的接收视场角近似为光线的光纤芯直径d除以单体望远镜的焦距f，臭氧探测激光雷达的接收视场角要大于发射光束的发散角，考虑到臭氧探测激光雷达的接收视场角要求，确定光纤的光纤芯直径，同时光纤的数值孔径需要根据光纤的数值孔径大于单体望远镜本身的数值孔径的原则确定。

在本实施例中，所述信号接收系统采用包括多根光纤的合束光纤80接收组合望远镜10中多个分体望远镜接收的臭氧回波信号，合束光纤80接收的臭氧回波信号经过消色差模块20的处理后形成瑞利回波信号和拉曼回波信号分别经过第一信号处理模块30、第二信号处理模块50、斩光盘70、第一信号转换模块40和第二信号转换模块60的处理后，获得瑞利电信号和拉曼电信号，实现对组合望远镜10接收的臭氧回波信号的接收和处理。所述信号接收系统利用合束光纤80实现对多个分体望远镜接收的臭氧回波信号的接收，并利用后续光路对合束光纤80传输的臭氧回波信号进行处理以实现光信号向电信号的转换，无需根据组合望远镜10中的单体望远镜的数量设计众多的耦合光路、光电探测器和采集装置，实现了降低组合望远镜10的接收光路的成本、提高接收光路的集成度，并且降低调试难度的目的。

另外，所述信号接收系统的所述第一信号处理模块30和第二信号处理模块50关于所述斩光盘70的中轴线对称设置，从而可以通过对第一信号处理模块30和第二信号处理模块50所在光路进行单独调节来实现瑞利回波信号或拉曼回波信号的光电转换。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，参考图2，每根所述光纤包括：第一光纤接头81、第二光纤接头和连接所述第一光纤接头81和第二光纤接头的传输光纤82；其中，

所述第一光纤接头81设置于一个所述分体望远镜的焦平面处，所述第二光纤接头与所述合束光纤80的其他光纤的第二光纤接头封装在一起，作为所述合束光纤80的合束接头83。

如图3所示，图3为第一光纤接头81沿AA’的剖面结构示意图，所述第一光纤接头81包括光纤芯811和包围所述光纤芯811的第一封装结构812；

如图4所示，图4为中合束接头83沿BB’的剖面结构示意图，所述合束接头83包括多个第二光纤接头831和包围多个所述第二光纤接头831的第二封装结构832；

所述第一封装结构812为金属封装结构或塑料封装结构；

所述第二封装结构832为金属封装结构或塑料封装结构。

所述第一光纤接头81和第二光纤接头的样式需要根据组合望远镜10的光纤接口确定，例如可以是常见的光纤接头SMA或者FC，也可以根据实际使用需要定制特定接头。

在臭氧探测激光雷达中，为了使得接收光纤尽量靠近焦点中心，尽量减小慧差对接收效率的影响，我们优选采取在光纤芯周围包围一层第一封装结构的结构作为所述第一光纤接头81。在使用过程中，我们通常在光纤芯周围设置保护遮光材料，用于保护光纤芯，同时防止杂散光对激光雷达背景噪声的影响。

合束接头83的剖面结构参考图4，在图4中，示出了包括四根光纤的合束光纤80，因此，合束接头由4个第二光纤接头831以及包围这些第二光纤接头831的第二封装结构832构成，所述第二封装结构832优选采用包括包围这些第二光纤接头831的硬塑料和包围硬塑料的金属外壳构成，用于保护光纤和安装光纤到后续光路中。当然地，所述第二封装结构832也可以是单独的金属封装结构或塑料封装结构，本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。

图5中示出了第一光纤接头81与组合望远镜10的设置关系，在图5中，所述组合望远镜10由4个单体望远镜11构成，标号Light的虚线表示由单体望远镜接收的光线，相应的，所述合束光纤80中就包含了4个第一光纤接头81和4个第二光纤接头831，每个第一光纤接头81安装于一个单体望远镜11的焦平面处，合束光纤80的合束接头83连接到所述消色差模块20的输入端。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，仍然参考图1，所述消色差模块20包括：空气隙消色差透镜组21、分色片22和第一反射镜23，其中，

所述空气隙消色差透镜组21包括弯月透镜和设置于弯月透镜背离所述合束光纤80一侧的双凸透镜，所述空气隙消色差透镜组21用于对所述合束光纤80传输的臭氧回波信号进行消色差和准直处理；

所述分色片22用于反射经过消色差和准直处理的臭氧回波信号中的拉曼回波信号，并透射经过消色差和准直处理的臭氧回波信号中的瑞利回波信号，以将经过消色差和准直处理的臭氧回波信号分离为瑞利回波信号和拉曼回波信号；

所述第一反射镜23用于将所述瑞利回波信号向所述第一信号处理模块30反射。

考虑到合束光纤802传输的回波信号中同时含有瑞利信号和拉曼信号，两种信号波长不一样，相差20多nm，使用一块透镜进行准直时，存在明显的色差，需采取消色差措施，且两种信号都是紫外光，市售胶合消色差透镜都是用于可见光和红外波段，无法满足紫外波段工作要求，由于胶合材料对紫外光的吸收作用，需设计空气隙的消色差透镜组对光纤出射的回波信号进行准直，由于合束光纤80是多模光纤，且整体芯径较大，光纤出射后的光模式较多，优选地，所述弯月透镜和双凸透镜的材质不同(例如可以分别是氟化钙材质和融石英材质)来减小透镜厚度对不同波长折射率不同引起的色差影响，每片透镜表面曲率根据合束后光纤芯径和数值孔径进行优化，优化过程主要考虑准直后光束获得最佳的准直度和最小波前差，保证准直后的光束角度在滤光片的接收角度内，以获得最好的滤光片透过率。

优选地，所述弯月透镜和双凸透镜的表面均设置有紫外光增透膜，以增加透射率。

并且考虑到在臭氧回波信号中，拉曼回波信号比瑞利回波信号弱近三个数量级，且镀分色膜时高反射率镀膜难度较小，在本实施例中，所述分色片设计为反射经过消色差和准直处理的臭氧回波信号中的拉曼回波信号，并透射经过消色差和准直处理的臭氧回波信号中的瑞利回波信号。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，仍然参考图1，所述第一信号处理模块30包括：第二反射镜31、第一滤光片32和第一汇聚透镜33；

所述第二反射镜31用于将所述瑞利回波信号向所述第一滤光片反射；

所述第一滤光片32用于过滤所述瑞利回波信号中的杂散信号，并向所述第一汇聚透镜传输；

所述第一汇聚透镜33用于将接收到的瑞利回波信号进行汇聚，以获得瑞利光斑点并向所述斩光盘70出射；

所述第二信号处理模块50包括：第三反射镜51、第二滤光片52和第二汇聚透镜53；

所述第三反射镜51用于将所述拉曼回波信号向所述第二滤光片反射；

所述第二滤光片52用于过滤所述拉曼回波信号中的杂散信号，并向所述第二汇聚透镜传输；

所述第二汇聚透镜53用于将接收到的拉曼回波信号进行汇聚，以获得拉曼光斑点并向所述斩光盘70出射。

参考图1，在实际应用中，第一反射镜22、第二反射镜31和第三反射镜51的设置的目的是满足光程和光路的布局要求，

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，如图6所示，所述第三反射镜51、第二滤光片52和第二汇聚透镜53设置于第一圆筒中；

所述分色片22通过所述第一圆筒以圆筒方式与所述第二信号处理模块50连接；

所述第二反射镜31、第一滤光片32和第一汇聚透镜33设置于第二圆筒中；

所述第一反射镜23通过所述第二圆筒以圆筒方式与所述第一信号处理模块连接30。

所述第一圆筒和第二圆筒均可围绕所述消色差模块的中轴线AW，在垂直于纸面的平面内旋转，由于分色片22通过所述第一圆筒以圆通方式与所述第二信号处理模块50连接，且所述第一反射镜23通过所述第二圆筒以圆筒方式与所述第一信号处理模块30连接，可以保证第一圆筒和第二圆筒在旋转的过程中，整个系统的光路不发生变化。第一圆筒和第二圆筒的独立旋转，可以使得传递拉曼回波信号的光路和传递瑞利回波信号的光路汇聚到斩光盘70上光斑点的位置不同，从而使得斩光盘70斩切光斑的时间不同，也就是说，光斑点通过斩光盘70上槽口的时间不同，并且光斑点何时通过斩光盘70的槽口，决定了激光雷达回波信号的打开高度。当回波信号完全通过斩光盘70槽口时，对应回波信号完全打开。因此，第一圆筒和第二圆筒的独立旋转功能，可以独立调整两路回波信号的打开高度，可获得臭氧激光雷达瑞利回波信号的拉曼回波信号的不同的打开高度。

在上述实施例的基础上，在本申请的又一个实施例中，仍然参考图1，所述第一信号转换模块40包括：第一透镜组41和第一探测器42；

所述第一透镜组41用于对所述瑞利待转换信号进行汇聚；

所述第一探测器42用于对汇聚后的瑞利待转换信号进行光电转换，以获得瑞利电信号；

所述第二信号转换模块60包括：第二透镜组61和第二探测器62；

所述第二透镜组61用于对所述拉曼待转换信号进行汇聚；

所述第二探测器62用于对汇聚后的拉曼待转换信号进行光电转换，以获得拉曼电信号。

相应的，本申请实施例还提供了一种臭氧探测激光雷达，包括如上述任一实施例所述的信号接收系统。

综上所述，本申请实施例提供了一种信号接收系统及臭氧探测激光雷达，其中，所述信号接收系统采用包括多根光纤的合束光纤接收组合望远镜中多个分体望远镜接收的臭氧回波信号，合束光纤接收的臭氧回波信号经过消色差模块的处理后形成瑞利回波信号和拉曼回波信号分别经过第一信号处理模块、第二信号处理模块、斩光盘、第一信号转换模块和第二信号转换模块的处理后，获得瑞利电信号和拉曼电信号，实现对组合望远镜接收的臭氧回波信号的接收和处理。所述信号接收系统利用合束光纤实现对多个分体望远镜接收的臭氧回波信号的接收，并利用后续光路对合束光纤传输的臭氧回波信号进行处理以实现光信号向电信号的转换，无需根据组合望远镜中的单体望远镜的数量设计众多的耦合光路、光电探测器和采集装置，实现了降低组合望远镜的接收光路的成本、提高接收光路的集成度，并且降低调试难度的目的。

另外，所述信号接收系统的所述第一信号处理模块和第二信号处理模块关于所述斩光盘的中轴线对称设置，从而可以通过对第一信号处理模块和第二信号处理模块所在光路进行单独调节来实现瑞利回波信号或拉曼回波信号的光电转换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。