一种收发同轴气溶胶激光雷达装置的制作方法

1.本实用新型属于气象与环境监测技术领域，涉及一种气溶胶激光雷达收发同同轴调节系统及方法。


背景技术：

2.激光雷达是以激光做为光源，由于大气颗粒物会对激光进行散射，通过测量后向散射的激光强度，利用反演算法得到大气分子和气溶胶颗粒物的成分信息。
3.现有气溶胶激光雷达为了缩小系统体积，普遍采用发射光和接收装置相互平行的平行光轴结构，因为发射光束与望远镜会形成一定的夹角，靠近雷达的气溶胶产生的后向散射光束无法返回进入望远镜，导致雷达系统存在几十米范围的低空盲区。对此平行光轴激光雷达会利用算法推算得到近地端的气溶胶分布趋势，无法有效地通过监测得到真实的气溶胶分布情况，而近地端的气溶胶分布情况与人们的生存空间息息相关，恰恰是需要雷达系统重点监测的对象。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有问题，提供了一种收发同轴的气溶胶雷达装置装置，旨在解决传统平行光轴气溶胶雷达存在一定的盲区的问题。
5.本实用新型一种收发同轴气溶胶激光雷达装置包括激光发射系统和信号接收系统。所述激光发射系统包括脉冲激光器(1)、扩束镜(2)、导光镜(3)、能量监测模块(4)、出光镜(5)。所述信号接收系统包括望远镜(6)、反光镜(7)、光阑(8)、准直镜(9)、偏振分光棱镜(10)、聚焦镜1(11)、衰减片1(12)、滤光片1(13)、pmt模块1(14)、聚焦镜2(15)、衰减片2(16)、滤光片2(17)、pmt模块2(18)、高速光子计数卡(19)、计算机系统(20)。
6.所述脉冲激光器(1)发出脉冲激光光束经扩束镜(2)进行准直扩束，安装在扩束镜后面的导光镜(3)和出光镜(5)相互平行，与主光路形成45
°
角，构成激光光路折射系统。
7.所述望远镜(6)为塞格林形望远镜，属于高级无彗差的光学镜筒组件，其焦距为2000毫米，焦比为f/10。望远镜主镜和次镜均镀有对激光发射波长高反射率的金属膜，主镜材料选用大尺寸低膨胀的高硼硅材料，有效接收口径为200mm，用于接收大气颗粒物返回的回波信号。
8.所述反光镜(7)用于将望远镜接收到的光信号进行转折，缩短了雷达信号接收系统的长度，缩小了系统的整体体积。
9.所述光阑(8)安置于望远镜焦平面位置，通过对光阑口径的调节，实现降低望远镜接收信号中噪声的目的。
10.所述准直镜(9)安装在光阑后面，准直镜通过对望远镜接收到的光信号进行光束整形，使光信号能够完全进入pmt的接收区域。
11.所述偏振分光棱镜(10)由一对高精度直角棱镜胶合而成，胶合面的斜边上镀有偏振分光介质膜，所有直角面镀有增透膜，用于将望远镜接收到的信号进行p偏振光信号和s
偏振光信号分离。
12.所述聚焦镜1(11)、聚焦镜2(15)使用激光级别的cvd硒化锌材料，双面镀增透膜，用于将光汇聚，以便产生高能量的聚焦光束。
13.所述衰减片1(12)、衰减片2(16)用于将汇聚的光能量按比例衰减，使得产生的能量处于pmt模块的合理的接收范围之内。
14.所述滤光片1(13)、滤光片2(17)为激光线带通滤光片，在中心波长532
±
0.2nm，半高全宽fwhm为1
±
0.2nm的带通区域内，对532
±
0.2nm附近的入射光，其最小透过率为40％；而对于带通区域外光谱范围的入射光，在入射滤光片后被过滤，无法透射。
15.所述能量监测模块(3)用于监测激光输出能量，激光能量信息通过232接口接入工控机主板。
16.所述高速光子计数卡(19)基于可编程逻辑器件fgpa开发，采用时间片累加计数模式对气溶胶返回的光子量进行采集，通过千兆高速网络接口将数据上传到计算机系统(20)。
附图说明
17.图1实用新型雷达系统结构图：
18.1、激光器2、扩束镜3、导光镜4、能量监测模块5、出光镜6、望远镜7、反光镜18、光阑9、准直镜10、偏振分光棱镜11、聚焦镜112、衰减片113、滤光片114、pmt模块115、聚焦镜216、衰减片217、滤光片218、pmt模块219、高速光子计数卡20、计算机系统
19.图2实用新型雷达与传统平行光轴雷达盲区范围对比示意图左图是传统平行光轴的雷达，右图是本实用新型同轴雷达，
具体实施方式
20.参照图1：本实用新型收发同轴气溶胶激光雷达系统工作流程如下：
21.激光器(1)发射出脉冲激光，经扩束镜(2)整形，通过导光镜(3)和出光镜(5)，由出光镜(5)发出与望远镜(6)相平行的光束，射向大气层。
22.出光镜(5)位于望远镜的正中间，通过调节导光镜(3)的角度，使得雷达射出的激光束与望远镜接收的后向散射光束处于同轴且平行，形成同轴光系统。
23.由于大气中气溶胶对激光产生散射，产生后向散射光。气溶胶中球形粒子产生后向散射光产生与激光光束平行的光束，形成p偏振光；非球形粒子产生的后向散射光方向发生改变产生于原激光偏振方向垂直的分量，形成s偏振光。这两种光束共同汇入望远镜接收。
24.分光棱镜上镀有增透膜，分离出p偏振光和s偏振光。p偏振光通过聚焦镜1、衰减片1、滤光镜1进入pmt探测器1；s偏振光通过聚焦镜2、衰减片2、滤光镜2进入pmt探测器2。
25.探测器采用了高灵敏度集成化的光电探测器(pmt)，接收到返回的光子后，产生等量的光子脉冲信号。
26.激光器发出脉冲以后，同时将同步脉冲信号发送给光子计数卡，光子计数卡同时采集两个通道的pmt模块的信息，分别得到p偏振光和s偏振光的信号，通过千兆高速网络接口将信息上传到工控机主板。
27.工控机主板以每个单元50ns的时间宽度依次计算收到的光子数量，再把多束激光束返回的信号结果，按照相同时间片顺序进行多次累加，最终得到大气不同时空处返回的光子数量信息。通过信号多次累加的方法，提高了雷达系统的分辨力和信噪比。
28.能量监测模块安装于激光器后面，采集雷达发射光束强度的能量信息，通过232接口上传到计算机系统。
29.计算机系统将得到的激光能量、p偏振光和s偏振光等参数代入雷达方程，通过反演计算程序，得到不同时空分布的大气气溶胶的消光系数和退偏比。
30.图2:是传统平行光轴雷达和本实用新型雷达盲区范围对比示意图
31.对于非同轴系统来说，它的发射系统和接收系统的光轴是平行的，这样的光学系统结构决定了发射系统光束是逐渐进入接收系统的视场，近距离大气后向散射光并不是完全被接收的。在理想情况下，发射系统和接收系统的光轴严格平行，激光雷达收发系统的几何重叠区，如图2所示。在图中发射系统和接收系统的直径分别是d
t
、dr，发射系统和接收系统的平行光轴距离为l，发射系统、接收系统的视场角设为θ
t
、θr。由几何光学的知识可推得盲区z1的近似公式为：
[0032][0033]
对于共轴激光雷达系统来说，理论上来讲是没有探测盲区的存在，但是由于前置导光板的作用，使得在导光板的前端出现一段区域，使得激光雷达的后向散射光无法进入望远镜的接收视场。如下图所示。
[0034]
在共轴激光雷达系统中，发射系统和接收系统的直径分别是dt、dr；发射系统、接收系统的视场角设为θt、θr；导光镜与透镜1(次镜)的距离为l；导光镜的直径是dl。由几何光学的知识可推得盲区z2的近似公式为：
[0035][0036]
由公式1和公式2可以看出，同轴激光雷达的盲区距离z2远小于平行光轴盲区距离z1,可将平行光轴雷达的盲区距离由几十米缩短至1米以内。

技术特征：
1.一种收发同轴气溶胶激光雷达装置，包括激光发射系统和信号接收系统，其特征是所述激光发射系统包括脉冲激光器(1)、扩束镜(2)、导光镜(3)、能量监测模块(4)；所述信号接收系统包括出光镜(5)、望远镜(6)、反光镜(7)、光阑(8)、准直镜(9)、偏振分光棱镜(10)、聚焦镜1(11)、衰减片1(12)、滤光片1(13)、pmt模块1(14)、聚焦镜2(15)、衰减片2(16)、滤光片2(17)、pmt模块2(18)、高速光子计数卡(19)、计算机系统(20)；所述脉冲激光器(1)发出脉冲激光光束经扩束镜(2)进行准直扩束，安装在扩束镜(2)后面的导光镜(3)和出光镜(5)相互平行，与主光路形成45
°
角，构成激光光路折射系统；所述出光镜(5)位于望远镜的正中间，通过调节导光镜(3)的角度，使得雷达射出的激光束与望远镜接收的后向散射光束处于同轴且平行，形成同轴光系统，使得雷达的盲区范围降为最低。2.根据权利要求1所述的收发同轴气溶胶激光雷达装置，其特征是所数述望远镜(6)为塞格林形望远镜，属于高级无彗差的光学镜筒组件，其焦距为2000毫米，焦比为f/10，望远镜主镜和次镜均镀有对激光发射波长高反射率的金属膜，主镜材料选用大尺寸低膨胀的高硼硅材料，有效接收口径为200mm，用于接收大气颗粒物返回的回波信号；所述反光镜(7)用于将望远镜接收到的光信号进行转折，缩短了雷达信号接收系统的长度，缩小了系统的整体体积；所述光阑(8)安置于望远镜焦平面位置，通过对光阑口径的调节，实现降低望远镜接收信号中噪声的目的；所述准直镜(9)安装在光阑后面，准直镜通过对望远镜接收到的光信号进行光束整形，使光信号能够完全进入pmt的接收区域；所述偏振分光棱镜(10)由一对高精度直角棱镜胶合而成，用于将望远镜接收到的信号进行p偏振光信号和s偏振光信号分离；偏振分光棱镜的胶合面的斜边上镀有偏振分光介质膜，所有直角面镀有增透膜；所述聚焦镜1(11)、聚焦镜2(15)使用激光级别的cvd硒化锌材料，双面镀增透膜，用于将光汇聚，以便产生高能量的聚焦光束；所述衰减片1(12)、衰减片2(16)用于将汇聚的光能量按比例衰减，使得产生的能量处于pmt模块的合理的接收范围之内；所述滤光片1(13)、滤光片2(17)为激光线带通滤光片，在中心波长532
±
0.2nm，半高全宽fwhm为1
±
0.2nm的带通区域内，对532
±
0.2nm附近的入射光，其最小透过率为40％；而对于带通区域外光谱范围的入射光，在入射滤光片后被过滤，无法透射；所述能量监测模块(4)用于监测激光输出能量，激光能量信息通过232接口接入计算机系统(20)；所述高速光子计数卡(19)基于可编程逻辑器件fgpa开发，采用时间片累加计数模式对气溶胶返回的光子量进行采集，通过千兆高速网络接口将数据上传到计算机系统(20)。

技术总结
本实用新型属于气溶胶激光雷达技术领域，公开了一种收发同轴的气溶胶雷达装置，包括激光发射系统和信号接收系统。激光发射系统包括脉冲激光器(1)、扩束镜(2)、导光镜(3)、能量监测模块(4)；信号接收系统包括出光镜(5)、望远镜(6)、反光镜(7)、光阑(8)、准直镜(9)、偏振分光棱镜(10)、聚焦镜1(11)、衰减片1(12)、滤光片1(13)、PMT模块1(14)、聚焦镜2(15)、衰减片2(16)、滤光片2(17)、PMT模块2(18)、高速光子计数卡(19)、计算机系统(20)。计算机系统(20)。计算机系统(20)。


技术研发人员：张姣姣 刘康 魏所库 邸盼虎
受保护的技术使用者：天津市圣威科技发展有限公司
技术研发日：2022.09.20
技术公布日：2023/8/8