再导入后面的后继分光单元，接收导光筒连接接收望远镜2和后继分光单元，小孔光阑 3和会聚透镜4嵌在接收导光筒内；后向散射光被光束分束镜BS1分成两束，一束沿水平方 向经由光束分束镜BS2再分成两束，分别为1064nm米散射信号和607nm拉曼散射信号，此 两个信号分别直接进入雪崩二极管AH)和光电倍增管PMT1，另一束继续沿垂直方向经由导 光反射镜BR3导向后被检偏棱镜PBS分成两束，分别为532nm米散射信号的平行分量和垂 直分量，此两个分量直接进入光电倍增管PMT2和PMT3 ;所述的信号探测采集显示及主控单 元由光电倍增管PMT1、PMT2和PMT3、雪崩二极管APD、四通道A/D采集卡、主控计算机ICC 以及配套电源组成，光电倍增管PMT1、PMT2和PMT3、雪崩二极管AH)分别将四个通道的光 信号转换成电信号，并送入16比特的四通道A/D采集卡，四通道A/D采集卡插在主控计算 机的PCI插槽内，在激光发射器1的Q-Switch同步触发信号的控制下，将采集到的电信号 转换成数字信号记录到数据测量文件中，随后主控计算机ICC将读取测量数据进行处理和 显示；主控计算机ICC通过研制的运行控制软件设定测量参数、实施信号测量和采集、显示 测量结果以及网络交互等，实现昼夜全自动无人值守的24/7模式探测，得到连续的探测结 果。可以实现昼夜全自动无人值守的24/7模式探测，得到连续的探测结果（如图2所示）。
[0024] 配套电源包括光电倍增管PMT1、PMT2和PMT3、雪崩二极管AH)的高压电源以及提 供给系统供电的不间断稳压电源。
[0025] 采用异轴系统、固化箱式结构，激光发射器电源除外的激光扩束发射单元、接收光 学单元、后继分光单元和信号探测单元这四个子单元集合成统一的整体，固化在一个方形 光学底板上，其上箱体分作两个部分，一部分封装激光扩束发射单元，另一部分封装后继分 光单元和信号探测单元，箱体上方平行安装有激光导光筒和接收导光筒，接收望远镜2通 过两个刚性立柱与方形光学底板固化，此整体结构紧凑、体积小、质量轻，可以整体作俯仰 和方位移动而不改变内部光学结构；采集显示及主控单元、配套电源装配在一个轻便可移 动的机柜内；激光发射器1的出射激光与接收望远镜的光轴保持平行；箱体封装结构作用 在于避免激光发射光干扰接收信号光，天空背景光干扰接收信号光，同时防止灰尘污染光 学部件。
[0026] 激光器发射器1、激光发射器电源米用Quantel公司生产的Nd:YAG激光发射器及 其电源，同时发射l〇64nm基频和532nm二倍频的激光；导光反射镜BR1和对光反射镜BR2 为1064nm和532nm双波长全反镜；激光光束扩束器DWBX对532nm和1064nm双波长同步5 倍扩束；激光导光筒内壁发黑，考虑人眼安全和杂散光干扰。
[0027] 接收望远镜2选用Meada公司生产的Cassergrain型望远镜，直径300厘米；小孔 光阑3选用可变小孔光阑，接收视场角从0. 5mrad到2mrad可调节；会聚透镜4由BK7玻璃 制成，并镀有增透膜；接收导光筒内壁发黑，连接接收望远镜1和后继分光单元，避免杂散 光干扰。
[0028] 光束分束镜BS1选用1064nm和607nm波长全反、532nm波长全透的BK7玻璃，光 束分束镜BS2选用607nm全反、1064nm全透的BK7玻璃，导光反射镜BR3选用532nm全反 的BK7玻璃，偏振棱镜选用CVI公司的PBS-532-100偏振分光棱镜；当进行云精细结构探测 时，后向散射光被分作四个通道进入光电倍增管和雪崩二极管同步探测。
[0029] 光电倍增管PMT1、PMT2和PMT3选用Hamamatsu公司的R7400型光电倍增管，雪崩 二极管APD选用Licel公司的Si-APD型雪崩二极管，光电倍增管PMT1、PMT2和PMT3、雪崩 二极管APD前面装有Bar公司生产的窄带滤光片。光电倍增管PMT1、PMT2和PMT3、雪崩二 极管AH)将四通道的光信号转换为电信号后，由16比特AD9826型高速采集卡完成A/D转 换，在运行控制软件的指令下完成数据的采集、存储、显示和连续测量，运行控制软件还具 有系统故障诊断、反馈和数据传输等网络化交互功能。
[0030] 本发明探测云精细结构的双波长四通道激光雷达主要技术参数
【主权项】
1. 一种探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在于：包括有激光扩束 发射单元、接收光学及后继分光单元、信号探测采集显示及主控单元；所述的激光扩束发射 单元由激光器发射器、激光发射器电源、激光发射器前端安装的导光反射镜一、激光光束扩 束器、对光反射镜、激光导光筒构成，激光发射器水平放置，同时发射l〇64nm和532nm的激 光，其中532nm激光为线偏振光，两束激光经过导光反射镜进入激光光束扩束器扩束后，再 由对光反射镜穿过激光导光筒垂直发射到大气中，通过调整导光反射镜使得激光完全进入 激光光束扩束器以实现激光扩束和减小发射角的目的，通过调整对光反射镜使得发射光轴 与接收望远镜主轴平行； 所述的接收光学单元由接收望远镜、小孔光阑、会聚透镜、接收导光筒组成，后继分光 单元由光束分束镜组、导光反射镜二和检偏棱镜构成，光束分束镜组包括有光束分束镜一、 二，接收光学单元的光轴沿垂直方向，后继分光单元的光轴分别经由光束分束镜一和导光 反射镜二沿水平方向；接收望远镜后安装有小孔光阑，其后安装会聚透镜，会聚透镜的焦点 与接收望远镜的焦点重合，把接收望远镜接收到的大气后向散射光会聚成平行光，再导入 后面的后继分光单元，接收导光筒连接接收望远镜和后继分光单元，小孔光阑和会聚透镜 嵌在接收导光筒内；后向散射光被光束分束镜一分成两束，一束沿水平方向经由光束分束 镜二再分成两束，分别为l〇64nm米散射信号和607nm拉曼散射信号，此两个信号分别直接 进入雪崩二极管和光电倍增管一，另一束继续沿垂直方向经由导光反射镜二导向后被检偏 棱镜分成两束，分别为532nm米散射信号的平行分量和垂直分量，此两个分量直接进入光 电倍增管二和三； 所述的信号探测采集显示及主控单元由光电倍增管一、光电倍增管二、光电倍增管三、 雪崩二极管、四通道A/D采集卡、主控计算机以及配套电源组成，光电倍增管一、二、三、雪 崩二极管分别将四个通道的光信号转换成电信号，并送入16比特的四通道A/D采集卡，四 通道A/D采集卡插在主控计算机的PCI插槽内，在激光发射器的Q-Switch同步触发信号的 控制下，将采集到的电信号转换成数字信号记录到数据测量文件中，随后主控计算机将读 取测量数据进行处理和显示；主控计算机ICC通过研制的运行控制软件设定测量参数、实 施信号测量和采集、显示测量结果以及网络交互等，实现昼夜全自动无人值守的24/7模式 探测，得到连续的探测结果。
2. 根据权利要求1所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在 于：所述的配套电源包括光电倍增管一、二、三和雪崩二极管的高压电源以及提供给系统供 电的不间断稳压电源。
3. 根据权利要求1所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在 于：采用异轴系统、固化箱式结构，激光发射器电源除外的激光扩束发射单元、接收光学单 元、后继分光单元和信号探测单元这四个子单元集合成统一的整体，固化在一个方形光学 底板上，其上箱体分作两个部分，一部分封装激光扩束发射单元，另一部分封装后继分光单 元和信号探测单元，箱体上方平行安装有激光导光筒和接收导光筒，接收望远镜通过两个 刚性立柱与方形光学底板固化；采集显示及主控单元、配套电源装配在一个轻便可移动的 机柜内；激光发射器的出射激光与接收望远镜的光轴保持平行。
4. 根据权利要求1所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在 于：所述的激光器发射器、激光发射器电源采用Quantel公司生产的Nd :YAG激光发射器 及其电源，同时发射l〇64nm基频和532nm二倍频的激光；导光反射镜一和对光反射镜为 1064nm和532nm双波长全反镜；激光光束扩束器对532nm和1064nm双波长同步5倍扩束； 激光导光筒内壁发黑。
5. 根据权利要求1所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在 于：所述的接收望远镜选用Meada公司生产的Cassergrain型望远镜，直径300厘米；小孔 光阑选用可变小孔光阑，接收视场角从〇. 5mrad到2mrad可调节；会聚透镜由BK7玻璃制 成，并镀有增透膜；接收导光筒内壁发黑，连接接收望远镜和后继分光单元。
6. 根据权利要求1所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在 于：所述的光束分束镜一选用l〇64nm和607nm波长全反、532nm波长全透的BK7玻璃，光束 分束镜二选用607nm全反、1064nm全透的BK7玻璃，导光反射镜选用532nm全反的BK7玻 璃，偏振棱镜选用CVI公司的PBS-532-100偏振分光棱镜；当进行云精细结构探测时，后向 散射光被分作四个通道进入光电倍增管和雪崩二极管同步探测。
7. 根据权利要求1所述的探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，其特征在 于：所述的光电倍增管一、二、三选用Hamamatsu公司的R7400型光电倍增管，雪崩二极管选 用Licel公司的Si-AH)型雪崩二极管，光电倍增管一、二、三、雪崩二极管前面装有Bar公 司生产的窄带滤光片。
【专利摘要】本发明公开了一种探测云精细结构的双波长四通道激光雷达系统，包括有激光扩束发射单元、接收光学及后继分光单元、信号探测采集显示及主控单元；激光扩束发射单元由激光器发射器、激光发射器电源、激光发射器前端安装的导光反射镜一、激光光束扩束器、对光反射镜、激光导光筒构成，接收光学单元由接收望远镜、小孔光阑、会聚透镜、接收导光筒组成，后继分光单元由光束分束镜组、导光反射镜二和检偏棱镜构成，信号探测采集显示及主控单元由光电倍增管一、光电倍增管二、光电倍增管三、雪崩二极管、四通道A/D采集卡、主控计算机以及配套电源组成。本发明具有强信噪比、高探测高度、单次探测时间短的特点，实现昼夜全自动无人值守连续探测。
【IPC分类】G01S7-481, G01S17-95
【公开号】CN104570002
【申请号】CN201410836095
【发明人】王珍珠, 王英俭, 刘 东, 王邦新, 谢晨波, 钟志庆, 吴德成, 伯广宇, 范爱媛
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月29日