一种激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪同光轴校准装置及标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光雷达校准的技术领域，具体涉及一种激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪校准装置及标定方法。
【背景技术】
[0002]激光雷达是采用激光器作为发射光源和结合光电探测技术手段的主动遥测设备，是激光技术与现代光电探测技术相结合的先进探测手段。激光雷达主要包括激光光源发射单元、接收望远镜和多波长信号分光单元、数据控制采集单元。激光雷达具有高时空分辨率、实时性、无人值守式等特点，在环境污染监测、气溶胶时空分布测量、气候以及天气现象研究中有着广泛应用。
[0003]激光雷达系统光路校准是激光雷达获取有效信号的关键一环，激光雷达系统光路校准方法和校准精度直接影响到激光雷达回波信号信噪比和信号质量，并最终决定了待测污染物廓线反演精度。实现激光雷达的标准化和产业化也要求必须建立一种可控精度高的激光雷达光路校准方法。激光雷达光路校准主要包括拉曼光源光路校准、接收望远镜光轴校准、光栅光谱仪光路校准以及接收望远镜和光栅光谱仪同光轴校准。其中，接收望远镜和光栅光谱仪同光轴校准是在接收望远镜光轴校准和光栅光谱光路校准基础上进行的，将接收望远镜和光栅光谱仪两个部件之间的光轴进行校准，使两个部件具有同光轴，从而保证激光雷达回波信号有效接收。现阶段，激光雷达接收望远镜和光栅光谱仪同光轴校准主要在机械上保证光路同轴的基础上，通过角反射器将多波长拉曼光源的光束直接导入接收望远镜中，利用多波长拉曼光源的光束进行接收望远镜与光栅光谱仪同光轴的调试。该方法能够有效地利用激光雷达发射光路的平行光源，但是由于该平行光源光斑直径只有20_，光斑直径过小，并且只能保证发射光路的平行光源垂直入射接收望远镜，不能使得入射光斑位于接收望远镜的中心，因此在光栅光谱仪的高反射准直镜上面形成的光斑也不在镜面的中心，需要多次移动角反射器从而确定接收望远镜与光栅光谱仪的相对位置进行校准，该方法操作复杂，可控性和调试精度较差，急需发展一种激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪同光轴校准装置及标定方法。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，具体是涉及将平行光源与激光雷达后继光路相组合，建立激光雷达后继光路光轴校准装置，利用大面元的平行光源调节激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪的相对位置，实现激光雷达后继光路光轴校准。以可同时发射呈现对称分布三束平行光的平行光源为校准光源，通过调试激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪之间的相对位置，实现激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪同光轴校准，该方法操作简单，可控性强，精度高，保证了激光雷达回波信号的有效接收。
[0005]本发明的技术方案为:一种激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪同光轴校准装置，包括:平行光源、接收望远镜、光栅光谱仪；所述平行光源发射的三束平行光垂直入射进入接收望远镜中，三束平行光对称分布在接收望远镜的中心，三束光经接收望远镜会聚后在接收望远镜的光轴上会聚于一点，该点同时位于光栅光谱仪的小孔光阑中心，并在光栅光谱仪的高反射准直镜的中心形成三个对称的光点。所述平行光源可同时发射三束平行光，三束平行光对称分布在一个直径为10mm的圆上；所述接收望远镜包括一块球面主镜和一块凸面镜；所述光栅光谱仪包括小孔光阑、高反射准直镜、高分辨率平面反射光栅、三组高反射平凹镜、四组光电光电倍增管；所述小孔光阑、高反射准直镜、高分辨率平面反射光栅、三组高反射平凹镜、四组光电倍增管具有相同的中心高，依次搭载在一块光学平板上面，并由密闭的黑色箱体密封；所述高反射准直镜为一块高反射平凹镜，采用了 JGSl (即熔融石英)材料，具有优良的透紫外性能，准直镜镀高反射介质膜，对紫外波段的光信号具有98%以上的反射率；所述高反射准直镜将F数为10的光束准直后使多波长光束恰好完全覆盖高分辨率平面反射光栅，充分利用高分辨率平面反射光栅面元，提高光栅光谱仪的接收效率；所述高分辨率平面反射光栅为该装置的核心部件，由于不同波长光的衍射角度不同，可以将266nm、289nm、299nm、316nm四波长回波信号分离到不同的角度位置；所述三组高反射平凹镜和四组光电倍增管分别放置于266nm、289nm、299nm、316nm四波长回波信号的光学路径上，并通过调整三组高反射平凹镜角度，将266nm、289nm、299nm、316nm四波长回波信号精确会聚于四组光电倍增管内；所述三组高反射平凹镜均采用了 JGSl材料，镀介质膜，对紫外波段的光信号具有98%以上的反射率；所述四组光电倍增管均采用了滨松公司生产的R7400-09型光电倍增管，有效接收口径为8mm，响应时间短，在200nm?300nm紫外波段量子效率高；所述光栅光谱仪的F数需要配合激光雷达接收望远镜F数使用，使得光栅光谱仪的F数等于激光雷达接收望远镜的F数。
[0006]本发明还提供一种激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪同光轴标定方法，首先校准完成接收望远镜的光轴。接收望远镜光轴标定装置包括平行光源、接收望远镜和小孔光阑；所述平行光源可同时发射三束平行光，三束平行光对称分布在一个直径为10mm的圆上；所述接收望远镜包括一块球面主镜和一块凸面镜；所述小孔光阑位于接收望远镜光轴上，小孔光阑直径为1mm。所述接收望远镜光轴标定方法，实现步骤如下:
[0007]步骤(I)、将接收望远镜放置于光学平台上，将平行光源放置于距接收望远镜10米距离处；
[0008]步骤(2)、调节平行光源水平方向和垂直方向固定支架旋钮使得平行光源经过接收望远镜窗口玻璃反射回来的三束光回到原来发射位置，从而保证平行光源垂直入射接收望远镜内；
[0009]步骤(3)、调节接收望远镜用于调节凸面镜的两个方向的旋钮，使得平行光源发射的三束平行光会聚于小孔光阑内。
[0010]进一步的，所述激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪同光轴标定方法，在完成接收望远镜光轴调试的基础上，将激光雷达接收望远镜和光栅光谱仪固定在激光雷达结构内部；调节平行光源使得三束平行光经过接收望远镜接收后聚焦于小孔光阑内；调节接收望远镜与光栅光谱仪之间的相对位置，使得三束光的对称中心即为光栅光谱仪高反射准直镜的中心。
[0011]本发明与现有技术相比的有益效果:以可同时发射呈现对称分布的大面元三束平行光的平行光源为校准光源，通过调试激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪之间的相对位置，实现激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪同光轴校准，该方法操作简单，可控性强，精度高，保证了激光雷达回波信号的有效接收。
【附图说明】
[0012]图1为本发明接收望远镜光轴校准装置系统图，其中，I为平行光源，2为接收望远镜，3为小孔光阑。
[0013]图2为本发明激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪同光轴校准装置系统图，其中，I为平行光源、2为接收望远镜、3为小孔光阑，4为高反射准直镜，5为高分辨率平面反射光栅，6为第一圆形平凹镜，7为矩形平凹镜，8为第二圆形平凹镜，9为第一光电倍增管，10为第二光电倍增管，11为第三光电倍增管，12为第四光电倍增管，13为黑色箱体。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0015]如图1所示，一种激光雷达接收望远镜与光栅光谱仪同光轴校准装置及标定方法，包括:平行光源1、接收望远镜2、光栅光谱仪；所述平行光源I发射的三束平行光垂直入射进入接收望远镜中，三束平行光对称分布在接收望远镜的中心，三束光经接收望远镜会聚后在接收望远镜的光轴上会聚于一点，该点同时位于光栅光谱仪的小孔光阑3中心，并在光栅光谱仪的高反射准直镜4的中心形成三个对称的光点。所述平行光源I可同时发射三束平行光，三束平行光对称分布在一个直径为10mm的圆上；所述接收望远镜2包括一块球面主镜和一块凸面镜；所述光栅光谱仪包括小孔光阑3、高反射准直镜4、高分辨率平面反射光栅5、三组高反射平凹镜、四组光电光电倍增管；所述小孔光阑3、高反射准直镜4、高分辨率平面反射光栅5、三组高反射平凹镜、四组光电倍增管具有相同的中心高，依次搭