本發(fā)明涉及激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低散射噪聲的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

背景技術(shù)：

風(fēng)場(chǎng)作為大氣科學(xué)的基本參數(shù)之一，廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)、飛行器安全和風(fēng)能發(fā)電等領(lǐng)域。測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)作為高精度、高時(shí)空分辨率大氣遙感的主要手段，在實(shí)時(shí)探測(cè)和追蹤大氣湍流、陣風(fēng)面、風(fēng)切變、航空器尾流及大氣風(fēng)廓線等方面扮演著重要角色。測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)利用多普勒頻移的原理來(lái)測(cè)量大氣的風(fēng)場(chǎng)，主要分為相干探測(cè)和直接探測(cè)兩種方法。相干探測(cè)是通過(guò)檢測(cè)發(fā)射激光的大氣回波信號(hào)與本振激光的拍頻實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量，直接探測(cè)是通過(guò)將發(fā)射激光的回波信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)化為相對(duì)能量的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量。

在上述的激光雷達(dá)系統(tǒng)中，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)用于發(fā)射脈沖激光和收集大氣后向散射回來(lái)的信號(hào)，傳統(tǒng)的收發(fā)同置望遠(yuǎn)鏡均采用偏振分束器和四分之一波片共同構(gòu)成的光學(xué)收發(fā)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。其基本原理如下：偏振分束器由兩個(gè)直角棱鏡組成，其入射端面鍍有增透膜，反射端面鍍有偏振隔離作用的偏振膜。如圖1為偏振分束器的偏振分光示意圖。偏振分束器將入射激光分為振動(dòng)方向平行于入射面的p分量和垂直于入射面的s分量，p分量的線偏振光沿入射方向繼續(xù)傳播，s分量的線偏振光沿垂直于入射方向反射。通過(guò)偏振分束器后p分量的線偏振光垂直入射四分之一波片，四分之一波片的光軸與線偏振光的振動(dòng)方向成45°，出射光為圓偏振光，出射激光由望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直射入大氣。激光與大氣相互作用，后向散射信號(hào)由望遠(yuǎn)鏡接收并耦合至光纖中，經(jīng)過(guò)四分之一波片后圓偏振激光回波信號(hào)的偏振方向變?yōu)閟分量的線偏振光，其偏振方向與出射的激光脈沖偏振方向垂直，s分量的線偏振光再經(jīng)過(guò)偏振分束器反射進(jìn)入耦合器。

上述經(jīng)典的收發(fā)同置激光雷達(dá)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)采用偏振分束器與四分之一波片的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在該工作方式下，光線的傳播方向與偏振分束器和四分之一波片的交界面互相垂直，經(jīng)典的收發(fā)同置激光雷達(dá)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：

1、空間光在偏振分束器的入射交界面處反射回光纖出射端，進(jìn)而耦合至激光器，損害激光器的穩(wěn)定性和工作壽命；

2、四分之一波片的入射交界面處的背向反射光，進(jìn)入探測(cè)器帶來(lái)有害反饋；

3、由于偏振分束器存在一定的消光比，有害散射光及不同偏振態(tài)光通過(guò)偏振分束器進(jìn)入探測(cè)器引起噪聲干擾；

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明的目的是提供一種低散射噪聲的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，該光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相比于使用偏振分束器和四分之一波片實(shí)現(xiàn)收發(fā)同置的經(jīng)典望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)而言，可以有效避免反射光對(duì)激光器的穩(wěn)定性和工作壽命的損害；避免因散射光強(qiáng)度過(guò)大而導(dǎo)致高靈敏探測(cè)器的飽和，進(jìn)而影響到探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍；抑制了散射光引起的直流噪聲，降低了散射光對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲干擾，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和測(cè)量可靠性。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，用于發(fā)射激光和接收該激光的大氣回波信號(hào)，其特征在于，包括：

傾斜對(duì)稱放置的第一布儒斯特窗片和第二布儒斯特窗片，第一布儒斯特窗片用于使所述激光的p偏振光通過(guò)，第二布儒斯特窗片用于將所述p偏振光透射，并將所述回波信號(hào)反射；

擴(kuò)束系統(tǒng)，用于將所述p偏振光擴(kuò)束后發(fā)射并接受所述回波信號(hào)；

聚合物零級(jí)四分之一波片，位于所述擴(kuò)束系統(tǒng)中。

上述方案中，所述擴(kuò)束系統(tǒng)將所述p偏振光擴(kuò)束后發(fā)射為將所述p偏振光擴(kuò)束后經(jīng)聚合物零級(jí)四分之一波片轉(zhuǎn)換為圓偏振激光發(fā)射。

上述方案中，所述聚合物零級(jí)四分之一波片垂直放置于擴(kuò)束系統(tǒng)光軸之后。

上述方案中，所述擴(kuò)束系統(tǒng)包括折返式望遠(yuǎn)鏡非球面次鏡、折返式望遠(yuǎn)鏡非球面主鏡和楔形鏡片。

(三)有益效果

從本發(fā)明提供的技術(shù)方案可知，該方案采用一對(duì)布儒斯特窗片和對(duì)入射角度不敏感的聚合物零級(jí)四分之一波片的設(shè)計(jì)，該優(yōu)化方案減少了入射光在交界面多次反射引入的損耗，避免反射光耦合至激光器損害其穩(wěn)定性和工作壽命，避免了強(qiáng)散射噪聲干擾探測(cè)器使其進(jìn)入非線性工作區(qū)域，提高了信噪比，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)一步提升。

附圖說(shuō)明

圖1是偏振分束器的偏振分光示意圖；

圖2是一種低散射噪聲光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)上的應(yīng)用示意圖；

圖3是一種低散射噪聲光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在直接測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)上的應(yīng)用示意圖；

圖4是入射光以布儒斯特角入射布儒斯特窗片的反射光和折射光光路示意圖；

圖5是優(yōu)選的聚合物零級(jí)四分之一波片與傳統(tǒng)四分之一波片延遲量隨入射角度變化的對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種低散射噪聲光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)上的應(yīng)用示意圖。如圖2所示，包括：激光器1，分束器2，光調(diào)制器3，放大器4，準(zhǔn)直器5，一對(duì)布儒斯特窗片6，折反式望遠(yuǎn)鏡非球面次鏡7，聚合物零級(jí)四分之一波片8，折反式望遠(yuǎn)鏡非球面主鏡9，楔形鏡片10，耦合器11，合束器12，探測(cè)器13，采集卡14和計(jì)算機(jī)15。

激光器1與分束器2相連，分束器2一端與光調(diào)制器3相連，另一端與合束器12相連，光調(diào)制器3與放大器4相連，放大器4與準(zhǔn)直器5相連；準(zhǔn)直器5準(zhǔn)直的脈沖光入射至一對(duì)布儒斯特窗片6的第一個(gè)布儒斯特窗片，第二個(gè)布儒斯特窗片出射的脈沖光依次經(jīng)過(guò)折反式望遠(yuǎn)鏡非球面次鏡7、聚合物零級(jí)四分之一波片8、折反式望遠(yuǎn)鏡非球面主鏡9和楔形鏡片10，聚合物零級(jí)四分之一波片8垂直放置于望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡光軸之后；回波信號(hào)在第二個(gè)布儒斯特窗片處的反射信號(hào)與耦合器11的入光口相連，耦合器11的出光口與合束器12相連，合束器12與探測(cè)器13相連，探測(cè)器13與采集卡14相連，采集卡14與計(jì)算機(jī)15相連。

激光器1發(fā)射的激光經(jīng)分束器2后，一束經(jīng)光調(diào)制器3作為入射光，另一束作為本振光。第二個(gè)布儒斯特窗片用來(lái)分離發(fā)射激光束與回波信號(hào)，接收的回波信號(hào)經(jīng)耦合器11與本振光共同進(jìn)入合束器12，在探測(cè)器13處產(chǎn)生拍頻信號(hào)。

望遠(yuǎn)鏡用來(lái)發(fā)射脈沖激光和接收大氣回波信號(hào)。出射激光經(jīng)折反式望遠(yuǎn)鏡非球面次鏡7擴(kuò)束后，聚合物零級(jí)四分之一波片8垂直放置于望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡光軸之后，可避免波片表面反射光沿原光路返回反饋至系統(tǒng)中，同時(shí)聚合物零級(jí)四分之一波片8也用于調(diào)整出射激光和望遠(yuǎn)鏡收集的大氣回波信號(hào)的偏振方向。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種低散射噪聲光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在直接測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)上的應(yīng)用示意圖。如圖3所示，包括：激光器1，光調(diào)制器3，放大器4，準(zhǔn)直器5，一對(duì)布儒斯特窗片6，折反式望遠(yuǎn)鏡非球面次鏡7，聚合物零級(jí)四分之一波片8，折反式望遠(yuǎn)鏡非球面主鏡9，楔形鏡片10，耦合器16，耦合器11，鑒頻器17，探測(cè)器18，探測(cè)器13，采集卡14和計(jì)算機(jī)15，其中各器件連接關(guān)系為：

激光器1與光調(diào)制器3相連，光調(diào)制器3與放大器4相連，放大器4與準(zhǔn)直器5相連，準(zhǔn)直器5與一對(duì)布儒斯特窗片6的第一個(gè)布儒斯特窗片相連，入射光在第一個(gè)布儒斯特窗片的反射光與耦合器16的入光口相連，耦合器16的出光口與探測(cè)器18相連；第二個(gè)布儒斯特窗片出射的脈沖光依次經(jīng)過(guò)折反式望遠(yuǎn)鏡非球面次鏡7、聚合物零級(jí)四分之一波片8、折反式望遠(yuǎn)鏡非球面主鏡9和楔形鏡片10，聚合物零級(jí)四分之一波片8垂直放置于望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡光軸之后；回波信號(hào)在第二個(gè)布儒斯特窗片上的反射信號(hào)與耦合器11的入光口相連，耦合器11的出光口與鑒頻器17相連，鑒頻器17與探測(cè)器13相連，探測(cè)器18和探測(cè)器13均與采集卡14相連，采集卡14與計(jì)算機(jī)15相連。

入射光以布儒斯特角入射一對(duì)布儒斯特窗片6時(shí)，光束的p偏振分量通過(guò)，而s偏振分量將被布儒斯特窗片反射。發(fā)射的激光信號(hào)入射至第一個(gè)布儒斯特窗片，其反射光作為參考光信號(hào)；第二個(gè)布儒斯特窗片既為出射的激光信號(hào)端，又作為后向散射信號(hào)的接收端，用來(lái)分離發(fā)射激光束與回波信號(hào)。接收的散射信號(hào)經(jīng)耦合器11進(jìn)入鑒頻器17，鑒頻器17對(duì)不同頻率具有不同的透過(guò)率，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信號(hào)，由信號(hào)強(qiáng)度變化可以得到多普勒頻移信息反演出風(fēng)速信息。

望遠(yuǎn)鏡用來(lái)發(fā)射脈沖激光和接收大氣回波信號(hào)。出射激光經(jīng)折反式望遠(yuǎn)鏡非球面次鏡擴(kuò)束后，聚合物零級(jí)四分之一波片8垂直放置于望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡光軸之后，可避免波片表面反射光沿原光路返回反饋至系統(tǒng)中，同時(shí)聚合物零級(jí)四分之一波片8也用于調(diào)整出射激光和望遠(yuǎn)鏡收集的大氣回波信號(hào)的偏振方向。

為了便于理解，下面針對(duì)一種低散射噪聲的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的原理做詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的原理如下：根據(jù)背景技術(shù)所述，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)需避免激光在器件交界面多次反射引入的損耗以及雜散光。首先將采用傾斜放置的一對(duì)布儒斯特窗片，當(dāng)入射光以布儒斯特角入射至窗片時(shí)，光束的p偏振分量將通過(guò)，而s偏振分量將被布儒斯特窗片反射，此時(shí)一對(duì)布儒斯特窗片上反射的光不再沿原光路返回而以一定角度傾斜反射。以布儒斯特角入射至布儒斯特窗片的光路示意圖如圖4所示。在直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中取第一個(gè)布儒斯特窗片表面反射光作為參考光，避免了反射光引起的有害輻射對(duì)系統(tǒng)性能的損傷。

同時(shí)，采用對(duì)入射角度低敏感的聚合物零級(jí)四分之一波片來(lái)替換傳統(tǒng)四分之一波片，并垂直放置于望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡光軸之后放置。圖5為優(yōu)選的聚合物零級(jí)四分之一波片與傳統(tǒng)四分之一波片延遲量隨入射角度變化的對(duì)比圖。由圖對(duì)比可知，聚合物零級(jí)四分之一波片在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)較大入射角度的延遲量敏感度低，接受有效角度范圍大。此外，聚合物零級(jí)四分之一波片還具有良好的透過(guò)率、較低的光學(xué)損耗等優(yōu)良性能。

出射激光通過(guò)折反式望遠(yuǎn)鏡非球面次鏡后，其平行光束被擴(kuò)散為發(fā)散光束，擴(kuò)束后的發(fā)散光束角度范圍大，將聚合物零級(jí)四分之一波片垂直放置于望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡光軸之后，其端面處的反射光為發(fā)散光束并以一定角度散射，避免了入射光的傳播方向四分之一波片互相垂直帶來(lái)的強(qiáng)反射光引起噪聲干擾。聚合物零級(jí)四分之一波片在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)較大入射角度的延遲量敏感度低，不會(huì)導(dǎo)致偏振方向誤差過(guò)大。同時(shí)，聚合物零級(jí)四分之一波片也用于調(diào)整出射激光和望遠(yuǎn)鏡收集的大氣回波信號(hào)的偏振方向。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明公開(kāi)了一種低散射噪聲的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，一方面，采用一對(duì)布儒斯特窗片替代偏振分束器，當(dāng)入射激光以布儒斯特角入射至一對(duì)布儒斯特窗片時(shí)，p偏振方向光透射通過(guò)。在直接探測(cè)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中，其s偏振方向的反射光經(jīng)耦合器并由探測(cè)器接收作為參考光。使用一對(duì)布儒斯特窗片替代偏振分束器，避免了入射光在偏振分束器交界面處沿原光路反射帶來(lái)的有害反射。另一方面，采用入射角度低敏感度的聚合物零級(jí)四分之一波片替代傳統(tǒng)四分之一波片，將聚合物零級(jí)四分之一波片垂直放置于望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束鏡光軸之后，抑制了波片表面反射光沿原光路返回導(dǎo)致的噪聲?；谏鲜龇桨?，減少了光學(xué)器件表面空間光的有害反射，避免反射光進(jìn)而耦合至激光器損害激光器的穩(wěn)定性和工作壽命，有效避免散射光強(qiáng)度過(guò)大而導(dǎo)致高靈敏探測(cè)器的飽和，進(jìn)而影響到探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍，減少了散射光引起的直流噪聲，提高了信噪比，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)一步提升，適用于直接探測(cè)和相干探測(cè)低散射噪聲激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。