專利名稱：激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及環(huán)境科學、激光雷達技術領域，具體涉及一種激光雷達對稱分布式
光束發(fā)射接收方法與裝置。
背景技術：
激光雷達是迅速發(fā)展的高新技術之一，是傳統(tǒng)雷達技術與現(xiàn)代激光技術相結合 的產(chǎn)物。激光雷達向大氣中發(fā)射激光脈沖，通過接收大氣分子或氣溶膠顆粒物與激光相 互作用后的后向散射回波信息進行大氣光學特性與污染物時空分布的測量研究，依此分 析大氣能見度、氣溶膠顆粒物時空分布和時空變化、云底云高、邊界層高度、氣溶膠顆 粒物特性以及水汽、臭氧等的空間分布特征。 目前對于多波長激光雷達，均使用一個光束輸出裝置向大氣中發(fā)射多個激光波 長(多個激光波長由一個激光器發(fā)出或者由多臺激光器發(fā)出后整合成一束)，由于不同波 長激光的折射率和發(fā)散角不同， 一臺激光器輸出的多個激光波長也就存在著光束發(fā)散角 的不同，以及不同波長激光光束并不能實現(xiàn)真正的同軸，即光學輸出鏡片對不同激光波 長產(chǎn)生的不同折射率導致了激光束在遠距離上的分離。因此對于發(fā)射與接收光學系統(tǒng)而 言，并不能實現(xiàn)真正意義上的收發(fā)光學系統(tǒng)的同軸。 無論是發(fā)射光束與接收光束同軸的激光雷達還是發(fā)射光束與接收光束的離軸的 激光雷達，對于多波長激光雷達采用同一個光束發(fā)射裝置均難以實現(xiàn)收發(fā)光學系統(tǒng)的同 軸。 為了進行數(shù)據(jù)間的比對與聯(lián)合分析，就要求數(shù)據(jù)具有可比性，由于不同激光波 長的折射率與發(fā)散角的不同，在同一光束輸出的情況下，收發(fā)光學系統(tǒng)將具有不同的重 疊修正系數(shù)，因此，單一光束發(fā)射并不能保證不同激光波長下系統(tǒng)的重疊修正系數(shù)相同 或者說無法實現(xiàn)多個激光波長發(fā)射光束與接收光學系統(tǒng)光軸真正的平行；由于收發(fā)光學 系統(tǒng)幾何關系上的確定性，重疊修正系數(shù)只能近似的為某一個波長上的計算結果，以進 行數(shù)據(jù)的比較與結果分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收方法與 裝置，實現(xiàn)易于多波長激光雷達多個波長發(fā)射光束與接收光學系統(tǒng)光軸平行校準的方法 與系統(tǒng)，發(fā)展真正意義上的收發(fā)光學系統(tǒng)同軸或光軸完全平行，來保證數(shù)據(jù)的可比性。
為解決上述問題，本發(fā)明的技術方案為 —種激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收裝置，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收 系統(tǒng)以及控制、采集處理和顯示系統(tǒng)，其特征在于所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括有激光器， 激光接收系統(tǒng)包括有望遠鏡，激光器前方設有反射鏡l，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡l 反射后，經(jīng)過反射鏡2對355nm激光反射，對1064nm與532nm激光透射；355nm激光反 射后，再經(jīng)過第二擴束系統(tǒng)擴束后從反射鏡5反射向大氣；透射的532nm激光經(jīng)過反射鏡3反射后，經(jīng)過第一擴束系統(tǒng)擴束從反射鏡4反射向大氣；透射的1064nm激光經(jīng)過反 射鏡3透射出去；所述的反射鏡2、 3、 4、 5相互平行設置，從反射鏡5與反射鏡4反射 的激光束分別與望遠鏡的光軸平行，且對稱分布于望遠鏡光軸兩側；所述望遠鏡的鏡筒 中部有聚焦鏡，鏡筒內(nèi)后端安裝有弧面反射鏡，弧面反射鏡及望遠鏡后端中央有開孔， 望遠鏡的鏡筒后端開孔后的光路上依次設置有光欄、光束準直透鏡、分光器和光電探測 器；望遠鏡接收到的大氣后向散射光進入鏡筒后，再經(jīng)過弧面反射鏡反射到聚焦鏡上， 聚焦鏡反射的光從弧面反射鏡中央開孔出射，經(jīng)過光欄、光束準直透鏡、分光器得到單 一波長光，再由光電探測器接收，光電探測器的信號輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示 系統(tǒng)。 所述激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收的方法，其特征在于激光器發(fā)出的激 光經(jīng)過反射鏡1反射后，經(jīng)過反射鏡2對355nm激光反射，對1064nm與532nm激光 透射；355nm激光反射后，再經(jīng)過第二擴束系統(tǒng)擴束后從反射鏡5反射向大氣；透射的 532nm激光經(jīng)過反射鏡3反射后，經(jīng)過第一擴束系統(tǒng)擴束從反射鏡4反射向大氣；透射的 1064nm激光經(jīng)過反射鏡3透射出去；望遠鏡接收到的大氣后向散射光進入鏡筒后，再經(jīng) 過弧面反射鏡反射到聚焦鏡上，聚焦鏡反射鏡比弧面反射鏡中央開孔出射，經(jīng)過光欄、 光束準直透鏡、分光器得到各個單一波長光，再由不同的光電探測器接收，各光電探測 器的信號輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)。 所述控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)輸出控制信號分別給激光器、分光器和光 電倍增管。 所述發(fā)射的激光束與望遠鏡的光軸的平行校準方法為 (1)、激光器發(fā)射激光，選定需要校準的設定波長的發(fā)射激光束與望遠鏡光軸的 平行關系，通過反射鏡4或5反射該波長激光束到大氣中，在望遠鏡接收到后向散射光的 回波信號中選擇2-3Km范圍內(nèi)的一段回波信號強度，取其平均值作為信號強弱的依據(jù)；
(2)、通過調(diào)整該發(fā)射與反射校準波長的激光束的反射鏡空間位置，改變發(fā)射的 激光束與望遠鏡光軸之間的距離關系，即平行與非平行關系； (3)、在調(diào)整該發(fā)射與反射校準波長的激光束的反射鏡空間位置同時，觀察回波 信號的強度，或者2 3Km范圍內(nèi)信號強度的平均值，并計算每次調(diào)整后平均值的大 小、誤差與標準偏差，同時顯示回波信號強度、2 3Km范圍內(nèi)信號強度的平均值、每 次調(diào)整后的誤差與標準偏差； (4)、當回波信號強度或者2 3Km范圍內(nèi)信號強度的平均值達到最大值時，即
發(fā)射的激光束與望遠鏡的光軸已調(diào)到平行。 本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明的系統(tǒng)采用多個波長光束的獨立發(fā)射設計與接收方法，去除了不同波長 激光束由于發(fā)散角和折射率的不同所造成的對測量結果的影響，獨立地實現(xiàn)了不同激光 波長下的系統(tǒng)重疊系數(shù)的計算，發(fā)展了真正意義上的收發(fā)光學系統(tǒng)同軸或光軸完全平 行，保證了數(shù)據(jù)的可比性，為激光雷達的進一步開發(fā)與實際應用提供了方法，系統(tǒng)中不 同激光波長光束的獨立發(fā)射，能夠在可視化的軟件界面下完成調(diào)試，使得普通的操作人 員均能夠完成系統(tǒng)的操作與維護，不需要借助于精密的測量儀器與專業(yè)技術人員便能實 現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明激光發(fā)射系統(tǒng)的光學系統(tǒng)結構示意圖。
圖2為本發(fā)明的光學系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1， 一種激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收裝置，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、 激光接收系統(tǒng)以及控制、采集處理和顯示系統(tǒng)，激光發(fā)射系統(tǒng)包括有激光器6，激光接收 系統(tǒng)包括有望遠鏡7，激光器6前方設有反射鏡1，激光器6發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡1反 射后，經(jīng)過反射鏡2對355nm激光反射，對1064nm與532nm激光透射；355nm激光反 射后，再經(jīng)過第二擴束系統(tǒng)擴束9后從反射鏡5反射向大氣；透射的532nm激光經(jīng)過反 射鏡3反射后，經(jīng)過第一擴束系統(tǒng)擴束8從反射鏡4反射向大氣；透射的1064nm激光經(jīng) 過反射鏡3透射出去；反射鏡2、 3、 4、 5相互平行設置，從反射鏡5與反射鏡4反射的 激光束分別與望遠鏡7的光軸平行，且對稱分布于望遠鏡7光軸兩側；望遠鏡7的鏡筒中 部有聚焦鏡IO，鏡筒內(nèi)后端安裝有弧面反射鏡ll，弧面反射鏡11及望遠鏡7后端中央有 開孔，望遠鏡7的鏡筒后端開孔后的光路上依次設置有光欄12、光束準直透鏡13、分光 器14和光電探測器15;望遠鏡7接收到的大氣后向散射光進入鏡筒后，再經(jīng)過弧面反射 鏡11反射到聚焦鏡10上，聚焦鏡10反射的光從弧面反射鏡11中央開孔出射，經(jīng)過光欄 12、光束準直透鏡13、分光器14得到單一波長光，再由光電探測器15(根據(jù)不同波長光 的束數(shù)，設置多個，同時增設一個，接收355nm光)接收，光電探測器15的信號輸出到 控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)16。 激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收的方法為激光器發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡1 反射后，經(jīng)過反射鏡2對355nm激光反射，對1064nm與532nm激光透射；355nm激光 反射后，再經(jīng)過第二擴束系統(tǒng)擴束后從反射鏡5反射向大氣；透射的532nm激光經(jīng)過反 射鏡3反射后，經(jīng)過第一擴束系統(tǒng)擴束從反射鏡4反射向大氣；透射的1064nm激光經(jīng)過 反射鏡3透射出去；從反射鏡5與反射鏡4反射的激光束分別與望遠鏡的光軸平行，且對 稱分布于望遠鏡光軸兩側；望遠鏡接收到的大氣后向散射光進入鏡筒后，再經(jīng)過弧面反 射鏡反射到聚焦鏡上，聚焦鏡反射的光從弧面反射鏡中央開孔出射，經(jīng)過光欄、光束準 直透鏡、分光器得到355nm、 532nm單一波長光，再由三個光電探測器接收，分別探測 355nm、 532nm和387nm光(大氣中氮氣分子對355nm激光的拉曼散射)；各光電探測器 的信號輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)，控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)輸出控 制信號分別給激光器、分光器和光電倍增管。
發(fā)射的激光束與望遠鏡的光軸的平行校準方法為 (1)、激光器發(fā)射激光，選定需要校準的設定波長的發(fā)射激光束與望遠鏡光軸的 平行關系，通過反射鏡4或5反射該波長激光束到大氣中，在望遠鏡接收到后向散射光的 回波信號中選擇2-3Km范圍內(nèi)的一段回波信號強度，取其平均值作為信號強弱的依據(jù)；
(2)、通過調(diào)整該發(fā)射與反射校準波長的激光束的反射鏡空間位置，改變發(fā)射的 激光束與望遠鏡光軸之間的距離關系，即平行與非平行關系； (3)、在調(diào)整該發(fā)射與反射校準波長的激光束的反射鏡空間位置同時，觀察回波信號的強度，或者2 3Km范圍內(nèi)信號強度的平均值，并計算每次調(diào)整后平均值的大 小、誤差與標準偏差，同時顯示回波信號強度、2 3Km范圍內(nèi)信號強度的平均值、每 次調(diào)整后的誤差與標準偏差； (4)、當回波信號強度或者2 3Km范圍內(nèi)信號強度的平均值達到最大值時，即 發(fā)射的激光束與望遠鏡的光軸已調(diào)到平行。
權利要求
一種激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收裝置，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)以及控制、采集處理和顯示系統(tǒng)，其特征在于所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括有激光器，激光接收系統(tǒng)包括有望遠鏡，激光器前方設有反射鏡1，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡1反射后，經(jīng)過反射鏡2對355nm激光反射，對1064nm與532nm激光透射；355nm激光反射后，再經(jīng)過第二擴束系統(tǒng)擴束后從反射鏡5反射向大氣；透射的532nm激光經(jīng)過反射鏡3反射后，經(jīng)過第一擴束系統(tǒng)擴束從反射鏡4反射向大氣；透射的1064nm激光經(jīng)過反射鏡3透射出去；所述的反射鏡2、3、4、5相互平行設置，從反射鏡5與反射鏡4反射的激光束分別與望遠鏡的光軸平行，且對稱分布于望遠鏡光軸兩側；所述望遠鏡的鏡筒中部有聚焦鏡，鏡筒內(nèi)后端安裝有弧面反射鏡，弧面反射鏡及望遠鏡后端中央有開孔，望遠鏡的鏡筒后端開孔后的光路上依次設置有光欄、光束準直透鏡、分光器和光電探測器；望遠鏡接收到的大氣后向散射光進入鏡筒后，再經(jīng)過弧面反射鏡反射到聚焦鏡上，聚焦鏡反射的光弧面反射鏡中央開孔出射，經(jīng)過光欄、光束準直透鏡、分光器得到各個單一波長光，再由不同的光電探測器接收，各光電探測器的信號輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)。
2. —種實現(xiàn)權利要求1所述激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收的方法，其特征在于 激光器發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡1反射后，經(jīng)過反射鏡2對355nm激光反射，對1064nm與 532nm激光透射；355nm激光反射后，再經(jīng)過第二擴束系統(tǒng)擴束后從反射鏡5反射向大 氣；透射的532nm激光經(jīng)過反射鏡3反射后，經(jīng)過第一擴束系統(tǒng)擴束從反射鏡4反射向 大氣；透射的1064nm激光經(jīng)過反射鏡3透射出去；望遠鏡接收到的大氣后向散射光進入 鏡筒后，再經(jīng)過弧面反射鏡反射到聚焦鏡上，聚焦鏡反射的光從弧面反射鏡中央開孔出 射，經(jīng)過光欄、光束準直透鏡、分光器得到各個單一波長光，再由不同的光電探測器接 收，各光電探測器的信號輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)，所述控制、數(shù)據(jù)采集 處理和顯示系統(tǒng)輸出控制信號分別給激光器、分光器和光電倍增管。
3. 根據(jù)權利要求2所述激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收的方法，其特征在于所 述發(fā)射的激光束與望遠鏡的光軸的平行校準方法為(1) 、激光器發(fā)射激光，選定需要校準的設定波長的發(fā)射激光束與望遠鏡光軸的平行 關系，通過反射鏡4或5反射該波長激光束到大氣中，在望遠鏡接收到后向散射光的回波 信號中選擇2 3Km范圍內(nèi)的一段回波信號強度，取其平均值作為信號強弱的依據(jù)；(2) 、通過調(diào)整該發(fā)射與反射校準波長的激光束的反射鏡空間位置，改變發(fā)射的激光 束與望遠鏡光軸之間的距離關系，即平行與非平行關系；(3) 、在調(diào)整該發(fā)射與反射校準波長的激光束的反射鏡空間位置同時，觀察回波信號 的強度，或者2 3Km范圍內(nèi)信號強度的平均值，并計算每次調(diào)整后平均值的大小、誤 差與標準偏差，同時顯示回波信號強度、2 3Km范圍內(nèi)信號強度的平均值、每次調(diào)整 后的誤差與標準偏差；(4) 、當回波信號強度或者2 3Km范圍內(nèi)信號強度的平均值達到最大值時，即發(fā)射 的激光束與望遠鏡的光軸已調(diào)到平行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光雷達對稱分布式光束發(fā)射接收方法與裝置，系統(tǒng)采用多個波長光束的獨立發(fā)射設計與接收方法，去除了不同波長激光束由于發(fā)散角和折射率的不同所造成的對測量結果的影響，獨立地實現(xiàn)了不同激光波長下的系統(tǒng)重疊系數(shù)的計算，發(fā)展了真正意義上的收發(fā)光學系統(tǒng)同軸或光軸完全平行，保證了數(shù)據(jù)的可比性，為激光雷達的進一步開發(fā)與實際應用提供了方法，系統(tǒng)中不同激光波長光束的獨立發(fā)射，能夠在可視化的軟件界面下完成調(diào)試，使得普通的操作人員均能夠完成系統(tǒng)的操作與維護，不需要借助于精密的測量儀器與專業(yè)技術人員便能實現(xiàn)。
文檔編號G01S7/483GK101692126SQ20091018515
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權日2009年9月30日
發(fā)明者劉建國, 劉文清, 劉誠, 司福祺, 張?zhí)焓? 張玉鈞, 董云升, 謝品華, 趙南京, 趙雪松, 陸亦懷 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所