基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光雷达，特别是基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达光学接收装 置。
【背景技术】
[0002] 大气遥感激光雷达技术是一种主动式的实时探测技术，其基本原理是向目标大气 发射一束高质量的激光，利用望远镜等装置接收多种粒子后向散射的回波信号，通过光学 元件和电子器件对回波信号进行分析对比，最终反演出大气中粒子的种类，浓度，运动状态 和温度等有用信息。激光雷达技术的主要难点在于回波信号的强度太弱，使得其对激光器 脉冲能量，望远镜接收面积，光学元件和电子器件等都有很高的要求，进而导致激光雷达系 统成本很高。如果要在现有的激光雷达基础上进一步增加回波信号的强度或者扩大有效探 测范围，常采用的方法有：加大激光器脉冲能量；使用口径更大的望远镜；应用性能更加优 良的光电探测器等。鉴于一般激光雷达采用的都是高脉冲能量的激光器，如果想在已有激 光器条件下继续增加脉冲能量，并且保证发射激光的脉宽、Jitter时间等参数都符合激光 雷达的要求，其成本会急剧上升，而且高能量激光带来的危险系数也随之加大。激光雷达系 统采用的光电探测器性能都非常优越，暂时很难有较大的突破。因此，增加接收面积成为继 续提高激光雷达性能最直接，也是最简便的方法。但是大口径望远镜的加工难度远远高于 小口径望远镜，故其价格是小口径望远镜的数倍甚至数十倍，而且大口径望远镜的尺寸也 存在上限。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服激光雷达中单个望远镜接收面积小的困难，提出一种基于望 远镜阵列的激光雷达光学接收装置，通过多个相同望远镜阵列的方式加大激光雷达系统的 接收面积。
[0004] 为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
[0005] 本发明基于望远镜阵列的大气遥感激光雷达，包括激光器、望远镜阵列、视场光 阑、准直透镜、反射棱镜、后续光路处理模块、光电探测器；望远镜阵列中各望远镜相对于激 光器发射出的激光旋转对称分布，各望远镜的光轴与出射激光光轴互相平行且等距，使得 重叠因子相同。
[0006] 激光器发射的激光入射到某一目标区域大气，由该区域中粒子后向散射生成的回 波信号被望远镜阵列中各望远镜同时接收，形成多个相对于发射激光旋转对称分布的接收 光路；每个光路被各自光路上的视场光阑滤除视场外的背景光，经准直透镜后变为平行光， 再由同一个反射棱镜将上述所有光路中方向不同的平行光转折汇聚为方向相同的反射光， 通过后续光路处理模块进行滤波、再汇聚，最后被光电探测器同时接收。
[0007] 所述的望远镜阵列可以由两个望远镜组成，称为双望远镜阵，同理还可以根据探 测需要设置三望远镜阵列、四望远镜阵列甚至多望远镜阵列。
[0008] 所述的望远镜阵列包括n个望远镜，n多2 ;若n = 2时，对应的反射棱镜是等腰直 角棱镜；若n多3时，对应的反射棱镜要求是底面为正n边形的等腰棱锥，底边D和腰H之 间需要满足
[0010] 进一步地，所述的反射棱镜的反射面均镀增反膜。
[0011] 本发明的有益效果：
[0012] 本发明用望远镜阵列代替传统激光雷达中的单个望远镜，利用旋转对称分布的接 收光路，结合与望远镜对应的反射棱镜，保持各个望远镜出射的回波信号到光电探测器的 光程相同，同一大气区域回波信号被同步探测，使得望远镜阵列等价于单个更大口径的望 远镜，从而以一种较低成本的方式加大激光雷达系统的接收面积，增加激光雷达系统的回 波信号强度和有效探测范围。
【附图说明】
[0013] 图1是基于双望远镜阵列的激光雷达系统示意图；
[0014] 图2是基于双望远镜阵列激光雷达系统俯视图；
[0015] 图3是适用于双望远镜阵列激光雷达系统中的反射棱镜示意图；
[0016] 图4是基于三望远镜阵列的激光雷达系统俯视图；
[0017] 图5是适用于三望远镜阵列激光雷达系统中的反射棱镜示意图；
[0018] 图6是基于四望远镜阵列的激光雷达系统俯视图；
[0019]图7是基于多望远镜阵列的激光雷达系统俯视图；
[0020]图8是适用于四望远镜阵列激光雷达系统中的反射棱镜示意图。
[0021] 其中1为激光器，2为望远镜，3为望远镜副镜，4为视场光阑，5为准直透镜，6为反 射棱镜，7为后续光路处理模块，8为光电探测器，9为发射激光光束。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
[0023] 基本的激光雷达方程是
[0025] 式中P(r)表示回波信号强度，C表示系统常数，包括发射激光的能量，系统的透过 率等，Y(r)是发射激光与望远镜视场的重叠因子，(r)表示后向散射系数，T 2(r)指大气 消光系数，A是望远镜的有效接收面积。从上式可以看出，回波信号强度与接收面积成正比， 通过增加接收面积来加大有效探测距离是很多激光雷达系统的优先选择。
[0026] 图1表示了双望远镜阵列作为接收器件的大气遥感激光雷达系统示意图。图中激 光器1向目标大气中发射一束高质量的激光，经过大气中多种粒子的消光、散射、吸收等作 用之后，后向散射回波信号分别由两个望远镜2同时接收，并经望远镜副镜3反射的回波信 号被视场光阑4滤除视场之外的背景光，经准直透镜5后变为平行光，再由反射棱镜6将来 自两个望远镜2的方向相反的回波信号变为方向相同的反射光，通过后续处理光路模块7 进行滤波，汇聚，最后被光电探测器8记录。由式（2)得到双望远镜阵列的激光雷达方程为
[0028] 为了达到增加接收面积的目的，需要将两个望远镜等价于一个更大口径的望远 镜，要求满足的条件有
[0029] Y: (r) = Y2 (r), (4)
[0030] 同时还要求来自不同望远镜的、经过同一区域大气后向散射的两束回波信号同时 到达光电探测器，则式（3)变为
[0032] 在双望远镜阵列的基础上，还可以衍生出三望远镜阵列、四望远镜阵列等多望远 镜阵列激光雷达系统，如图4、图6和