基于微脉冲激光雷达测量云高的同轴光学系统的制作方法

本发明涉及天气探测技术领域，更具体的说是涉及一种基于微脉冲激光雷达测量云高的同轴光学系统。

背景技术：

云高是云底到地面的垂直距离，是云物理特性研究的主要内容，在现代军事行动中，如：侦查预警、空中作战、空降垂直登录等方面起到了重要的作用。因此，获取云底高信息已成为云物理研究和军事气象保障的重要方面。

在当前气象要素观测自动化的发展要求下，利用自动化程度高、可连续测量的云高仪来代替人工目测已成为一种趋势。目前常用的自动云底高度测量方法有激光测云仪和红外辐射测云仪，但云底辐射亮温受到气溶胶、水汽和云体密实程度等因素影响，造成算法复杂，并且测量误差较大。如何提高云底高度测量能力是气象探测领域面临的重要课题。

此外，在实际应用中，按不同结构可分为同轴激光雷达，以及非同轴激光雷达。以非同轴激光雷达为例，通过发射系统向目标物体发射激光信号，并通过接收系统接收目标物体返回的激光回波信号，通过计算调制激光发射信号和返回的激光回波信号的时间差，得到光程，进而得到目标物体的距离，实现激光测距。但是，目前非同轴激光雷达在进行激光测距时，由于发射系统与接收系统非同轴设置，因此，近距离的目标物体反射回来的激光回波信号的偏折角度就越大，此时经主接收透镜聚焦后，激光回波信号会聚焦在偏离光电探测器的一个位置，因此，无法测量其距离，造成较大的雷达测量盲区。

因此，如何实现对云高的精确测量是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于微脉冲激光雷达测量云高的同轴光学系统，解决了现有云高测量结果不精确，受环境影响较大等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于微脉冲激光雷达测量云高的同轴光学系统，包括：出射光源、准直镜、接收反射镜、主发射接收透镜、小孔光阑、滤波片和光探测器；其中，所述接收反射镜倾斜45°放置，且所述接收反射镜上设有透射区域和反射区域；

所述出射光源发出的出射光依次经过所述准直镜和所述小孔光阑照射至所述透射区域，所述透射区域将出射光透射至所述主发射接收透镜上，所述主发射接收透镜将出射光照射至天空云体；

出射光照射到云体发生米散射，所述主发射接收透镜接收由云体反射回来的回波信号，所述回波信号通过所述反射区域反射至所述滤波片进行滤波处理，并入射至所述光探测器。

优选的，还包括：主控单元，所述主控单元与所述光探测器以及所述出射光源相连。

优选的，所述出射光源、所述准直镜、所述小孔光阑、所述接收反射镜和所述主发射接收透镜同轴设置。

优选的，所述出射光源包括：波长为905nm的脉冲激光器。

优选的，所述光探测器包括：雪崩光电二极管。

优选的，所述滤光片包括：905nm窄带滤光片。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了基于微脉冲激光雷达测量云高的同轴光学系统，向目标物体发射激光，并通过设置一主发射接收透镜，用于将目标物体反射的后向散射激光回波信号聚焦到45°角度倾斜设置的接收反射镜，将回波信号以90°方向反射到光探测器，并通过光探测器输出对应的电信号，将转换后的电信号送入主控单元进行数据处理和分析，通过分析激光束方向上的后向散射信号廓线来判断云底的高度，从而得到云体的距离信息。

激光雷达测云光学系统在保持出射光源、接收反射镜和主发射接收透镜同轴设置，保证收发光路的一致性，不仅更加小型化，而且还能够大幅度提高激光雷达测云光学系统的接收光强、探测距离和范围，同时，各光学器件也更易于加工和装调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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附图为本发明提供的一种基于微脉冲激光雷达测量云高的同轴光学系统的结构示意图；

图2附图为本发明提供的激光雷达光学系统采用的同轴透射模式的示意图；

图3附图为本发明提供的回波信号接收光路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种基于微脉冲激光雷达测量云高的同轴光学系统，包括：出射光源1、准直镜2、接收反射镜3、主发射接收透镜4、小孔光阑7、滤波片5和光探测器6；其中，接收反射镜3倾斜45°放置，且接收反射镜3上设有透射区域31和反射区域32；且所述透射区域31和所述反射区域32一体设置；所述透射区域31位于接收反射镜3的中心位置，所述反射区域32为接收反射镜上除去透射区域的其他区域。

出射光源1发出的出射光依次经过准直镜2和小孔光阑7照射至透射区域31，透射区域31将出射光透射至主发射接收透镜4上，主发射接收透镜4将出射光照射至天空云体；

出射光照射到云体发生米散射，主发射接收透镜4接收由云体反射回来的回波信号，回波信号通过反射区域32反射至滤波片5进行滤波处理，并入射至光探测器6。

通过采用具有反射区域和透射区域的接收反射镜代替现有激光雷达光学系统中的半反半透镜片，从而有效降低了出射光和反射光经过接收反射镜时的光强衰减，提高了探测到反射光的光强，进而提高了激光雷达光学系统的测量精度。

准直镜设置在出射光源发出的出射光的光路上，用于将出射光进行准直。

接收反射镜以出射光源发射轴线为中心45°角度倾斜设置，反射回来的回波信号以90°方向反射到滤波片上。

为了进一步优化上述技术方案，还包括：主控单元8，主控单元8与光探测器6以及出射光源1相连。

主控单元控制出射光源发出出射光。光探测器用于接收经过接收反射镜反射区域后的反射光，因此，光探测器设置在反射光的传播路径上，光探测器接收到的信号经过转换后送入主控单元进行数据处理和分析。

这里需要说明的是，主控单元进行数据处理和分析的过程是现有技术，未作出具体改进，这里不做详细说明。

为了进一步优化上述技术方案，出射光源1、准直镜2、小孔光阑7、接收反射镜3和主发射接收透镜4同轴设置。

为了满足云探测激光雷达对环境适应性，稳定、便携、小型化、易于安装维护等基本要求，光路采用同轴透射模式，请参见附图2。采用同轴透射模式，在发射与接收光信号的效率上最高，有效避免了因旁轴设计带来的光信号能量损失，并且其探测范围可以从地面到最大探测距离，几乎不存在垂直高度上的盲区。

为了进一步优化上述技术方案，出射光源1包括：波长为905nm的脉冲激光器。

由于脉冲激光器发出的激光发射角过大，发散过快，因此，在前端设置了一个小孔光阑，在实际使用时，根据实际情况在结构上考虑对小孔光阑的大小与光源位置进行调整，用于限制发射光束发射至镜筒壁，避免被镜筒壁散射而产生的杂散光，影响回波信号的探测。

为了进一步优化上述技术方案，光探测器6包括：雪崩光电二极管，选用有效直径为0.5mm的雪崩光电二极管。

为了进一步优化上述技术方案，滤光片5包括：905nm窄带滤光片。

回波信号的光路传播请参见附图3，反射镜的位置既不能遮挡激光反射，还需要在接收回波信号时尽可能减少能量损失，故而需要在最大程度上减小反射镜开孔的大小。利用接收反射镜能够有效收集云体的反射光，提高光探测器收集到的光强，增强了激光雷达测云系统的探测强度。

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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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。