一种基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线的制作方法

1.本公开涉及激光雷达大气遥感技术领域，尤其涉及一种基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线。


背景技术：

2.由于测风激光雷达具有高分辨率、实时性、便携性、环境适应性，使其在风电、军事、环境，航空、气象以及海洋等诸多领域获得广泛的应用。
3.测风激光雷达是通过激光探测不同出射方向上的视线风速，从而通过风速反演算法获得三维风场信息的。测风激光雷达通常采用多普勒相干平衡探测的原理，其利用单频激光本振光信号与大气气溶胶对激光后向散射信号做外差探测，由于大气运动会造成回波信号产生多普勒频移，通过检测回波信号的多普勒频移来获得激光的视线风速，进而反演为三维风场。
4.为了获得不同方向出射的激光束，测风激光雷达的光学天线需要采用特定的形式。目前，测风激光雷达主流的光学天线结构形式主要有三种，其一为由光开关控制多镜头的天线收发形式，其二为单镜头-楔形棱镜机械扫描式，其三为单镜头-双反射镜机械扫描式。以上形式的光学天线都能够很好的实现雷达激光束出射方向的变化，然而这些形式的光学天线存在的共同问题是结构复杂、体积大、成本高，导致现有测风激光雷达的体积和成本难以得到优化。


技术实现要素：

5.为克服相关技术中存在的问题，本公开实施例提供一种基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线，通过采用单镜头光束离轴的方式，来使得测风雷达激光获得不同的出射角度，具有体积小、结构简单、制造成本低的优势。
6.所述技术方案如下：
7.根据本公开实施例的第一方面，提供一种基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线，其特征在于，包括：光学镜头模块和光束扫描模块；
8.所述光束扫描模块，用于将单束探测光信号在至少三条光路上进行规律性的切换输入，通过所述至少三条光路的输出端向所述光学镜头模块交替输出不同出射方向的激光束；
9.所述光学镜头模块，用于将来自于所述光束扫描模块的不同光路的激光束进行准直和扩束后出射至大气中，还用于收集由大气散射的回波光信号，并将所述回波光信号其耦合到所述光束扫描模块对应光路的输出端中。
10.在一个实施例中，所述光束扫描模块包括：
11.光开关，所述光开关具有一个光输入端和第一光输出端、第二光输出端、第三光输出端、第四光输出端；
12.控制板，与所述光开关电连接，控制板用于生成ttl电平输出给所述光开关，以控
制所述光开关中的光输入端依次与所述第一光输出端、第二光输出端、第三光输出端、第四光输出端连通。
13.在一个实施例中，所述光输入端和第一光输出端、第二光输出端、第三光输出端、第四光输出端均由保偏光纤构成。
14.在一个实施例中，所述光学镜头模块包括：固定镜筒以及安装于所述固定镜筒上的准直扩束镜组和四个光纤法兰；
15.所述四个光纤法兰相对于所述准直扩束镜组的光轴成非共面的中心对称设置，所述四个光纤法兰分别用于固定所述第一光输出端、第二光输出端、第三光输出端、第四光输出端与所述准直扩束镜组对接的光纤尾部。
16.在一个实施例中，所述准直扩束镜组包括：第一光学球面透镜、第二光学球面透镜、第三光学球面透镜、第四光学球面透镜；
17.所述第一光学球面透镜、第二光学球面透镜、第三光学球面透镜、第四光学球面透镜的光轴共轴且沿所述大气散射的回波光信号输入方向依次放置。
18.在一个实施例中，所述第一光学球面透镜为前表面是凸球面、后表面是凹球面的凹凸透镜；
19.所述第二光学球面透镜为前表面是凹球面、后表面是凹球面的凹透镜；
20.所述第三光学球面透镜为前表面是凸球面、后表面是凸球面的凸透镜；
21.所述第四光学球面透镜为前表面是凹球面、后表面是平面的平凹透镜。
22.在一个实施例中，所述光纤法兰使得被固定的每根所述光纤尾部出射的第一激光束的光轴与所述准直扩束镜组的中心轴呈第一预定夹角，所述第一激光束经所述准直扩束镜组后出射的第二激光束的光轴与所述准直扩束镜组的中心轴呈第二预定夹角，并且射入所述准直扩束镜组的多个第一激光束关于所述准直扩束镜组的中心轴呈中心对称设置，射出所述准直扩束镜组的多个第二激光束关于所述准直扩束镜组的中心轴也呈中心对称设置。
23.在一个实施例中，所述第二预定夹角的取值范围为5
°
～15
°
。
24.本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
25.本发明中的基于离轴光束的单镜头测风激光雷达天线，采用光束扫描模块通过不同光路交替输入探测激光，并采用简单的单光束镜头实现离轴光束的准直和扩束，从而实现探测光束角度的变化，实现测风激光雷达的扫描，可以解决传统测风激光雷达光学天线体积大、结构重的问题。可应用于风力发电的前馈控制系统，风力资源的勘探，军事活动的气象保障，航空飞机的起降安全保障，气象预报等领域。
26.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
27.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
28.图1为本发明提供的一种基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线的结构示意图；
29.图2为本发明提供的一种基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线的优选实施结构示意图；
30.图3为本发明实施例提供的基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线的点列图；
31.图4为本发明实施例提供的基于离轴光束的单镜头测风激光雷达天线的调制传递函数曲线图；
32.图5为本发明实施例提供的基于离轴光束的单镜头测风激光雷达天线的光能量分布图。
具体实施方式
33.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
34.图1为本发明提供的一种基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线的结构示意图，如图1中所示，该天线包括：光学镜头模块1和光束扫描模块2；其中，光束扫描模块2，用于将单束探测光信号在至少三条光路上进行规律性的切换输入，通过所述至少三条光路的输出端向所述光学镜头模块1交替输出不同出射方向的激光束；光学镜头模块1，用于将来自于光束扫描模块2的不同光路的激光束进行准直和扩束后出射至大气中，还用于收集由大气散射的回波光信号，并将所述回波光信号其耦合到光束扫描模块2对应光路的输出端中。
35.图2为本发明提供的一种基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线的优选实施结构示意图，如图2中所示，光束扫描模块2可以包括：光开关21和控制板22；图2中为方便表示，用实线箭头表示探测激光走向，用虚线箭头表示所述回波光信号的走向。
36.图2中，光开关21具有一个光输入端210和第一光输出端211、第二光输出端212、第三光输出端213、第四光输出端214；控制板22与光开关21电连接，控制板22用于生成ttl电平输出给光开关21，以控制光开关21中的光输入端210依次与第一光输出端211、第二光输出端212、第三光输出端213、第四光输出端214连通。例如：当光开关21中的光输入端210与第一光输出端211被控制连通时，光输入端210与第一光输出端211所连通的光路为第一光路，以此类推，依次切换连通光输入端210与第二光输出端212组成的第二光路，光输入端210与第三光输出端213组成的第三光路，光输入端210与第四光输出端214组成的第四光路，即可实现单束探测光信号在至少三条光路上进行规律性的切换输入。
37.优选地，所述光输入端210和第一光输出端211、第二光输出端212、第三光输出端213、第四光输出端214均由保偏光纤构成，即：光开关21中的每条光路均通过光纤来传输单束探测光信号。
38.在一可选实施例中，如图2中所示，光学镜头模块1包括：固定镜筒(图2中未示出)以及安装于所述固定镜筒上的准直扩束镜组和四个光纤法兰15,16,17,18；其中，所述四个光纤法兰15,16,17,18相对于所述准直扩束镜组的光轴成中心对称设置，且四个光纤法兰15,16,17,18不共面。由于图2是侧视图，相对于图2所示平面里外对称的光纤法兰17和18在此侧视图中是重合的。所述四个光纤法兰15,16,17,18分别用于固定第一光输出端211、第
二光输出端212、第三光输出端213、第四光输出端214与所述准直扩束镜组对接的光纤尾部，以使第一光输出端211、第二光输出端212、第三光输出端213、第四光输出端214分别向准直扩束镜组输出与所述准直扩束镜组的光轴成相等夹角但出射位置不同(不共面)的4束探测激光。
39.优选地，光纤法兰15,16,17,18使得被固定的每根所述光纤尾部出射的第一激光束的光轴与所述准直扩束镜组的中心轴呈第一预定夹角，所述第一激光束经所述准直扩束镜组后出射的第二激光束的光轴与所述准直扩束镜组的中心轴呈第二预定夹角。此处为方便说明，将光纤法兰15,16,17,18固定的每根光纤射入所述准直扩束镜组的激光束称为“第一激光束”，并将第一激光束经所述准直扩束镜组后出射的激光束称为“第二激光束”，本实施例中，光纤法兰15,16,17,18固定的每根所述光纤尾部出射的第一激光束的光轴与所述准直扩束镜组的中心轴都呈相等的第一预定夹角，并且射入所述准直扩束镜组的多个第一激光束关于所述准直扩束镜组的中心轴呈中心对称设置，射出所述准直扩束镜组的多个第二激光束关于所述准直扩束镜组的中心轴也呈中心对称设置。
40.较佳地，所述第二预定夹角的取值范围为5
°
～15
°
。
41.在一可选实施例中，如图2中所示，所述准直扩束镜组包括：第一光学球面透镜11、第二光学球面透镜12、第三光学球面透镜13、第四光学球面透镜14；其中，第一光学球面透镜11、第二光学球面透镜12、第三光学球面透镜13、第四光学球面透镜14的光轴共轴且沿所述大气散射的回波光信号输入方向依次放置。
42.优选地，如图2中所示，第一光学球面透镜11为前表面是凸球面、后表面是凹球面的凹凸透镜；第二光学球面透镜12为前表面是凹球面、后表面是凹球面的凹透镜；第三光学球面透镜13为前表面是凸球面、后表面是凸球面的凸透镜；第四光学球面透镜14为前表面是凹球面、后表面是平面的平凹透镜。
43.图3所示为本发明实施例提供的基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线的点列图，由点列图可以看出，当离轴光束(第二激光束)出射的第二预定夹角为5
°
的情况下，回波信号经过光学镜头模块1收集后，光束的集中程度较高，点列斑rms半径为2.56微米，接近衍射极限，小于光开关21的输出端保偏光纤纤芯端面半径。
44.图4为本发明实施例提供的基于离轴光束的单镜头测风激光雷达天线的调制传递函数曲线图，调制传递函数mtf在72lp/mm处达到0.45。
45.图5为本发明实施例提供的基于离轴光束的单镜头测风激光雷达天线的光能量分布图，由图5可以得出:回波光信号的聚焦光斑在直径10微米的范围内的能量集中度达到75％，接近衍射极限80％，说明光学天线系统对光线的收集效率是0.75，衍射极限收集效率是0.8。
46.对应于本发明提供的基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线，本发明实施例还提供一种采用上述基于光束离轴的单镜头测风激光雷达天线进行光束扫描的方法，该方法包括以下步骤：
47.s1：控制板22生成第一ttl电平(例如二进制的00电平)输出给光开光21；光开关21的光输入端210和第一光输出端211在所述第一ttl电平的控制下连成第一光路，与此同时光输入端210和其他3个光输出端之间为断开连接状态，以使探测激光由所述光开关21的光输入端210进入后，经由所述第一光路输出至光学镜头模块1；随后探测激光依次经第四光
学球面透镜14、第三光学球面透镜13、第二光学球面透镜12、第一光学球面透镜11，得到所述光学镜头模块1准直和扩束后沿图2所示的第一方向20出射到大气中；最后，由光路的可逆原理，大气对第一方向20出射的探测激光散射的回波光信号沿原路返回到第一光输出端211，最终到达光输入端210。
48.s2：控制板22生成第二ttl电平(例如二进制的01电平)输出给光开光21；光开关21的光输入端210和第二光输出端212在所述第二ttl电平的控制下连成第二光路，与此同时光输入端210和其他3个光输出端之间为断开连接状态，以使探测激光由所述光开关21的光输入端210进入后，经由所述第二光路输出至光学镜头模块1；随后探测激光依次经第四光学球面透镜14、第三光学球面透镜13、第二光学球面透镜12、第一光学球面透镜11，得到准直和扩束后沿图2所示的第二方向21出射到大气中；最后，由光路的可逆原理，大气对第二方向21出射的探测激光散射的回波光信号沿原路返回到第二光输出端212，最终到达光输入端210。
49.s3：控制板22生成第三ttl电平(例如二进制的10电平)输出给光开光21；光开关21的光输入端210和第三光输出端213在所述第三ttl电平的控制下连成第三光路，与此同时光输入端210和其他3个光输出端之间为断开连接状态，以使探测激光由所述光开关21的光输入端210进入后，经由所述第三光路输出至光学镜头模块1；随后探测激光依次经第四光学球面透镜14、第三光学球面透镜13、第二光学球面透镜12、第一光学球面透镜11准直和扩束后沿图2所示的第三方向22出射到大气中；最后，由光路的可逆原理，大气对第三方向23出射的探测激光散射的回波光信号沿原路返回到第三光输出端213，最终到达光输入端210。
50.s4：控制板22生成第四ttl电平(例如二进制的11电平)输出给光开光21；光开关21的光输入端210和第四光输出端214在所述第四ttl电平的控制下连成第四光路，与此同时光输入端210和其他3个光输出端之间为断开连接状态，以使探测激光由所述光开关21的光输入端210进入后，经由所述第四光路输出至光学镜头模块1；随后探测激光依次经第四光学球面透镜14、第三光学球面透镜13、第二光学球面透镜12、第一光学球面透镜11准直和扩束后沿图2所示的第四方向19出射到大气中；最后，由光路的可逆原理，大气对第四方向19出射的探测激光散射的回波光信号沿原路返回到第四光输出端214，最终到达光输入端210。
51.根据以上步骤s1-s4，即可完成将单束探测激光在四条光路上的切换输入，随后重复以上步骤s1-s4，即可实现对探测激光光束的规律扫描，需要保证的是在以上每个步骤中相同操作的操作时长相同且为固定值，优选地，每次的操作时长1～3秒。
52.本发明中的基于离轴光束的单镜头测风激光雷达天线，采用光束扫描模块通过不同光路交替输入探测激光，并采用简单的单光束镜头实现离轴光束的准直和扩束，从而实现探测光束角度的变化，实现测风激光雷达的扫描，可以解决传统测风激光雷达光学天线体积大、结构重的问题。可应用于风力发电的前馈控制系统，风力资源的勘探，军事活动的气象保障，航空飞机的起降安全保障，气象预报等领域。
53.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识
或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
54.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。