专利名称：激光雷达紧凑稳定型结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学应用领域，尤其是激光雷达紧凑稳定型结构。
背景技术：
激光雷达是集激光技术、光学遥感技术、环境光学、精密机械设计、电子学和计算
机自动化控制技术等高科技知识于一体的复杂技术，是激光技术与雷达技术相结合的产
物，它可以实现对大气气溶胶后向散射系数、大气消光系数、大气颗粒物质量浓度、大气边
界层高度等参数在线立体监测，激光雷达是开展大气科学、大气气候学以及大气环境科学
研究必不可少工具。但由于现有雷达系统比较笨重庞大，且需要大量专业人员花大量时间
调试、操作和维护，极大地影响了激光雷达的应用和优越性的发挥。因此，如何有效降低激
光雷达的体积和重量，提高系统稳定性和可靠性，减少系统维护时间和成本十分重要，是激
光雷达应用中必须解决的关键的技术。 现有的激光雷达系统结构主要有以下几部分 (1)雷达发射光学单元激光发射光学单元由激光发射器、激光反射器电源、探测 光路调整装置以及发射望远镜。激光器产生探测所需光源，经分束和调整光路后，进入发射 望远镜，被扩束准直后发射到大气中。激光发射单元一般根据实际需要采用不同的光学元 件。通常通过调整一组光学元件来调节激光发射光轴和接收望远镜光轴的平行或使用扩束 镜縮小发射激光的发散角。
其存在的问题为激光器是系统中比较重要的组件，常由于激光器性能不稳定，导
致使用人员浪费大量时间对雷达光路进行调节和修正；同时，激光器庞大体积导致整个系
统过于庞大笨重，使得激光雷达一旦安装调试完成后，不能再对其进行移动，这给利用激光
雷达所开展的研究工作极为不利，尤其在利用激光雷达开展外场实验时。另外，探测光路调
整装置也常因各种原因发生型变，造成探测光路偏移，极大影响了雷达的稳定性。
(2)雷达接收光学单元和后继光学单元该部分主要接收望远镜、小孔光阑、后继
光学部分组成。接收望远镜一般为卡赛格林型或牛顿型，用于接收大气后向散射信号；小孔
光阑安装于接收望远镜的焦点处，其作用是限制望远镜的接收视场；后继光学部分主要由
波片、窄带滤光片、检偏棱镜、分光镜、全反射镜以及调整架构成，其作用是把对探测信号整
形、分光、滤波。接收望远镜的光轴、小孔光阑中心和下面叙述的后继光学单元的光轴彼此重合。 其存在的问题为如申请人以往在实验中使用的激光雷达，一般后继光学部分比 较复杂，光学元件及调整机构比较多。在结构设计上比较雍容体积庞大，导致整个雷达系统 笨重，降低了系统的灵活性，同时也为增加很多不稳定因素。 (3)激光雷达整体结构如图1，传统的激光雷达整体分为光学发射单元、光学接 收单元以及后继光学单元，三部分光学单元的光学元器件安装光学调整架，固定光学平台 (或类似光学平台的钢板)上，进行调整，以保证各元器件光轴一致性。
其存在的问题为激光雷达系统虽然在逻辑关系上被分为三个部分，但三部分之
3间关联十分紧密，在实际雷达系统中实际就是一体。这种系统结构为维护带来极大的不利， 一旦某光学元件出现故障，就要专业人员对光光路进行全新调整，同时也增加了操作难度； 另外，系统使用了较多光学调整架，虽然方便光路调整，但给系统增加很多不稳定因素；最 后，所有光学元件罗列在光学平台上，无形中增大了系统体积。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种激光雷达紧凑稳定型结构，以解决传统技术中激光
雷达体积较大，系统稳定性和可靠性不高的问题。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为 激光雷达紧凑稳定型结构，包括有柜体，其特征在于所述柜体内部被竖向的隔板
分成激光光路空间和激光控制空间，所述激光光路空间的顶面开有激光出射通孔和激光接
收通孔，所述激光光路空间被横向隔板分为多个独立空间，所述激光出射通孔下方的第一
独立空间中设有激光雷达的多光束独立发射模块，所述激光接收通孔下方的第二独立空间
中设有激光雷达的接收望远镜模块，所述第二独立空间下方有第三独立空间，所述第三独
立空间中设有激光雷达的多光束分束器模块，所述第二独立空间与第三独立空间之间的横
向隔板上还开有供光纤通过的通孔，所述接收望远镜模块将接收到的光通过光纤传输至所
述多光束分束器模块；所述激光控制空间被横向隔板分为多个独立空间，所述多个独立空
间中分别设有激光雷达的电源模块、工业控制计算机模块、人机交互模块、数据采集器模块
和激光器ICE模块，所述激光器ICE模块与所述多光束分束器模块之间的竖向隔板上有开
孔，所述激光器ICE模块与所述多光束分束器模块之间通过穿过所述竖向隔板上开孔的电
缆连接，所述激光控制空间中各独立空间之间的横向隔板上有开孔，所述激光控制空间中
各模块彼此之间通过穿过所述横向隔板上开孔的电缆或数据线彼此连接。
所述的激光雷达紧凑稳定型结构，其特征在于所述激光控制空间顶部为第四独
立空间，所述第四独立空间中设有激光雷达的电源模块，所述电源模块与各模块之间通过
电缆连接，所述第四独立空间的侧壁上设有电源插座，所述电源模块通过电源插座与外接
电源连接，所述第四独立空间下方依次有第五独立空间和第六独立空间，所述第五独立空
间和第六独立空间中分别设有激光雷达的人机交互模块和工业控制计算机模块，所述人机
交互模块与工业控制计算机模块之间通过数据线连接，所述第六独立空间下方依次有第七
独立空间和第八独立空间，所述第七独立空间和第八独立空间中分别设有激光雷达的数据
采集模块和激光器ICE模块，所述数据采集模块分别与所述激光器ICE模块、工业控制计算
机模块之间通过数据线连接。 所述的激光雷达紧凑稳定型结构，其特征在于所述激光控制空间中的第四独立 空间与第五独立空间之间、第六独立空间与第七独立空间之间、第八独立空间下方还分别 有空置的预留空间。 所述的激光雷达紧凑稳定型结构，其特征在于所述柜体正面设有可拉开的箱门。 本实用新型总体结构上使用模块的设计，把传统上激光雷达三大部分(发射光学 单元、接收光学单元以及后继光学单元)细化为八个模块，分别为电源模块、工业控制计算 机模块、人机交互模块、数据采集器模块、激光器ICE模块、多光束分束器模块、多光束独立 发射模块和接收望远镜模块，把八个模块单独调整于封装，各模块设计有可"直接插拔型接口"，模块与模块之间只需要用对应电缆线或光纤进行连接即可。八个模块安装在可移动机 柜中，便于系统运输与使用。机柜前后面板均为"门型"设计，方便系统操作与调试。右侧 面板上设有电源接口 、 LAN接口 ，同时预留了三个模块单元的空间以备系统扩展开发。 本实用新型针对传统的发射光学单元、后继光学单元以及系统结构，给出了新型 的模块化设计结构，有效减小了系统体积，提高了系统的稳定性。系统中优化了发射光学单 元、使用了小型化稳定性长寿命的激光器、设计了多光束分束器，从而有效减小了系统体积 和重量。与同类型雷达相比较，该系统具有小型化设计、结构紧凑稳定、使用灵活方便等特 点。
图1为传统激光雷达结构框图。 图2为本实用新型外观示意图。 图3为本实用新型内部结构示意图。
具体实施方式紧凑稳定型激光雷达结构，包括有柜体l，柜体1正面设有可拉开的箱门，柜体内 部被竖向的隔板分成激光光路空间和激光控制空间，激光光路空间的顶面开有激光出射通 孔2和激光接收通孔3，激光光路空间被横向隔板分为多个独立空间，激光出射通孔2下方 的第一独立空间中设有激光雷达的多光束独立发射模块16，激光接收通孔3下方的第二独 立空间中设有激光雷达的接收望远镜模块15，第二独立空间下方有第三独立空间，第三独 立空间中设有激光雷达的多光束分束器模块14，第二独立空间与第三独立空间之间的横向 隔板上还开有供光纤通过的通孔，接收望远镜模块15将接收到的光通过光纤传输至所述 多光束分束器模块14 ;激光控制空间被横向隔板分为多个独立空间，多个独立空间中分别 设有激光雷达的电源模块6、工业控制计算机模块9、人机交互模块8、数据采集器模块11 和激光器ICE模块12，激光器ICE模块12与多光束分束器模块14之间的竖向隔板上有开 孔，激光器ICE模块12与多光束分束器模块14之间通过穿过所述竖向隔板上开孔的电缆 连接，激光控制空间中各独立空间之间的横向隔板上有开孔，激光控制空间中各模块彼此 之间通过穿过横向隔板上开孔的电缆或数据线彼此连接。 激光控制空间顶部为第四独立空间，第四独立空间中设有激光雷达的电源模 块6，电源模块6与各模块之间通过电缆连接，第四独立空间的侧壁上设有电源插座4和 Ethernet网接口 5，电源模块6通过电源插座4与外接电源连接，第四独立空间下方依次有 第五独立空间和第六独立空间，第五独立空间和第六独立空间中分别设有激光雷达的人机 交互模块8和工业控制计算机模块9，人机交互模块8与工业控制计算机模块9之间通过数 据线连接，第六独立空间下方依次有第七独立空间和第八独立空间，第七独立空间和第八 独立空间中分别设有激光雷达的数据采集模块11和激光器ICE模块12，数据采集模块11 分别与所述激光器ICE模块12、工业控制计算机模块9之间通过数据线连接。激光控制空 间中的第四独立空间与第五独立空间之间、第六独立空间与第七独立空间之间、第八独立 空间下方还分别有空置的预留空间7、 10、 13。 本实用新型左侧为发射模块、接收模块以及多光束分束器模块。右侧主要有电源控制模块、人机交互模块、数据采集模块、激光器ICE模块，同时预留了系统扩展开发空间。 所有的模块都采用了冗余和插拔的设计，让扩展更加灵活和方便。除了能够方便的扩展外， 模块化的设计也让某些模块发生故障时，不会牵连其他部件停止服务，而且不要太多的专 业知识，使用者只需几分钟就可将故障模块替换完成，大大降低了故障恢复的时间。免调试 的模块化结构设计大大的简化系统的维护升级，清晰明确的颜色标识让使用者犹如在打开 抽屉，维护起来轻而易举。系统采用模块化设计的理念，进行了高度整合，有效的节省有限 的空间，实现了小型化紧凑设计、提升了系统稳定性、降低了维护时间。 本实用新型中，电源模块中集成了系统冷却电源控制部分、系统加热电源控制部 分、系统总电源以及备用电源接口。人机交互模块设计使用研华KVM 1688型部件，包括显 示器、键盘、鼠标，显示器采用折叠抽拉方式。工控机模块使用研华1U上架型小型化工控 机。数据采集模块装了光电倍高压增管控制器、APD高压控制器、同步触发控制器以及信号 延迟控制器；其中光电倍高压增管控制器用于对光电倍增管控制，最多支持对8个光电泵 综管的控制，控制电压在0 IV之间；APD高压控制器控制APD的工作状态，最多支持4个 APS模块，控制电压0 1. 8V(对应于高压0 450V);同步触发模块用于同步采集器与外 部的激光器出光和工控机之间的数据存储进行同步，能够与激光器、瞬态记录仪、门控开光 以及计算机之间进行同步通信；信号延迟控制器控制器用于对采集进行延迟控制。激光器 ICE模块封装了小型化激光机电源，尺寸大小为35.6cmX13. 3cmX45. 7cm。多光束分束器 模块封装了多光束分束器，该模块的使用为本系统的创新设计，其从根本极大压縮了系统 空间，同时增加的稳定型，减小了系统的光学不稳定因素。多光束独立发射模块封装了激光 雷达的探测系统，该部分采用了采用半封闭式，方便了用户或维护人员进行调试。 考虑到外场实验时，可能会遇到各种恶劣天气，系统特做了简单的防雨设计。雷达 顶部的探测光出射窗口与望远镜接收窗口均安装有石英光学玻璃，即可以避免雨水浸透到 系统中，同时又保证探测光和信号光以低损耗通过天窗。本实用新型激光雷达系统设计完 成后，经过了 2000Km公路运输测试，进行了 1000多小时连续运行测试。目前，该激光雷达 系统已被应用于"北京及周边地区奥运大气环境监测和预警联合行动计划"和2008年在广 州开展的"重点城市群大气复合污染综合防治技术与集成示范"项目中。在两次大型外场 实验中，系统小型化、结构紧凑稳定、使用灵活、操作方便等特点极大地方便了外场实验的 开展，为实验圆满完成提供了有力保障。
权利要求激光雷达紧凑稳定型结构，包括有柜体，其特征在于所述柜体内部被竖向的隔板分成激光光路空间和激光控制空间，所述激光光路空间的顶面开有激光出射通孔和激光接收通孔，所述激光光路空间被横向隔板分为多个独立空间，所述激光出射通孔下方的第一独立空间中设有激光雷达的多光束独立发射模块，所述激光接收通孔下方的第二独立空间中设有激光雷达的接收望远镜模块，所述第二独立空间下方有第三独立空间，所述第三独立空间中设有激光雷达的多光束分束器模块，所述第二独立空间与第三独立空间之间的横向隔板上还开有供光纤通过的通孔，所述接收望远镜模块将接收到的光通过光纤传输至所述多光束分束器模块；所述激光控制空间被横向隔板分为多个独立空间，所述多个独立空间中分别设有激光雷达的电源模块、工业控制计算机模块、人机交互模块、数据采集器模块和激光器ICE模块，所述激光器ICE模块与所述多光束分束器模块之间的竖向隔板上有开孔，所述激光器ICE模块与所述多光束分束器模块之间通过穿过所述竖向隔板上开孔的电缆连接，所述激光控制空间中各独立空间之间的横向隔板上有开孔，所述激光控制空间中各模块彼此之间通过穿过所述横向隔板上开孔的电缆或数据线彼此连接。
2. 根据权利要求1所述的激光雷达紧凑稳定型结构，其特征在于所述激光控制空间 顶部为第四独立空间，所述第四独立空间中设有激光雷达的电源模块，所述电源模块与各 模块之间通过电缆连接，所述第四独立空间的侧壁上设有电源插座，所述电源模块通过电 源插座与外接电源连接，所述第四独立空间下方依次有第五独立空间和第六独立空间，所 述第五独立空间和第六独立空间中分别设有激光雷达的人机交互模块和工业控制计算机 模块，所述人机交互模块与工业控制计算机模块之间通过数据线连接，所述第六独立空间 下方依次有第七独立空间和第八独立空间，所述第七独立空间和第八独立空间中分别设有 激光雷达的数据采集模块和激光器ICE模块，所述数据采集模块分别与所述激光器ICE模 块、工业控制计算机模块之间通过数据线连接。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的激光雷达紧凑稳定型结构，其特征在于所述 激光控制空间中的第四独立空间与第五独立空间之间、第六独立空间与第七独立空间之 间、第八独立空间下方还分别有空置的预留空间。
4. 根据权利要求1所述的激光雷达紧凑稳定型结构，其特征在于所述柜体正面设有 可拉开的柜门。
专利摘要本实用新型是使用模块化设计的理念，将激光雷达为电源模块、工业控制计算机模块、人机交互模块、数据采集器模块、激光器ICE模块、多光束分束器模块、多光束独立发射模块和接收望远镜模块八个模块，进行独立封装，高度整合，实现了小型化紧凑设计、提升了系统稳定性、降低了维护时间。本实用新型与国内同类型激光雷达相比较，实现了小型化和模块化设计。
文档编号G01S7/481GK201527471SQ20092018606
公开日2010年7月14日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者刘建国, 刘文清, 张天舒, 张玉钧, 董云升, 谢品华, 赵南京, 赵雪松, 陆亦怀 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所