本發(fā)明涉及激光雷達(dá)測量領(lǐng)域，具體而言，涉及一種光學(xué)系統(tǒng)及激光雷達(dá)。

背景技術(shù)：

目前，水下目標(biāo)的探測手段主要采用聲納、水聽器等水聲探測系統(tǒng)。聲納探測系統(tǒng)一般安裝在船上，不僅工作效率低，而且在充滿暗礁與淺灘的海域，測量過程本身具有一定的危險性，甚至可能根本不能進(jìn)行；且聲納機(jī)動性差，難以進(jìn)行大面積搜索，往往采用“采樣”工作方式。機(jī)載激光探測系統(tǒng)以掃描方式工作，掃描方向與飛行方向垂直，飛行時，海面上的探測點組成一個幾百米寬的探測帶，可以獲得比聲納探測大得多的探測效率；探測密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的聲納系統(tǒng)，且可以隨時調(diào)整探測密度。

激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)是激光雷達(dá)的“眼睛”，它是激光雷達(dá)極其關(guān)鍵，極其重要的部件。然而，現(xiàn)有的目前國內(nèi)機(jī)載激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)激光水下目標(biāo)探測主要采用卵形掃描方式。這種掃描方式的掃描激光在水面的掃描軌跡為卵形，此時掃描激光在水面的入射角隨著掃描點的位置變化而變化，需要預(yù)先對掃描激光在水面上的各掃描足點的入射角進(jìn)行標(biāo)定，增大了激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測的工作量和后端計算的復(fù)雜度。此外，當(dāng)激光發(fā)射頻率恒定，勻速旋轉(zhuǎn)的楔形反射鏡掃描出的激光足跡光斑在卵形兩頭分布較密集，中間分布較稀疏。為得到等間隔的掃描，電楔形反射鏡旋轉(zhuǎn)電機(jī)的控制變得復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)系統(tǒng)及激光雷達(dá)，以有效地改善上述問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一方面，本發(fā)明實施例提供了一種光學(xué)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射裝置、反射裝置、楔形鏡、物鏡組件、目鏡組件和探測裝置。所述激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光經(jīng)所述反射裝置反射后入射到所述楔形鏡的第一表面。當(dāng)所述楔形鏡處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，入射到所述楔形鏡的第一表面且由所述楔形鏡的第二表面出射的激光隨著所述楔形鏡的旋轉(zhuǎn)對目標(biāo)進(jìn)行圓形掃描。由所述目標(biāo)反射并透過所述楔形鏡的激光經(jīng)所述物鏡組件、所述目鏡組件入射到所述探測裝置。

進(jìn)一步的，上述光學(xué)系統(tǒng)中，經(jīng)所述反射裝置反射后入射到所述楔形鏡的第一表面的激光的光軸與由所述目標(biāo)反射并透過所述楔形鏡的激光的光軸重合。

進(jìn)一步的，上述反射裝置包括第一反射鏡，所述第一反射鏡設(shè)置于所述楔形鏡的第一表面和所述物鏡組件之間。

進(jìn)一步的，上述反射裝置還包括第二反射鏡，所述激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光入射到所述第二反射鏡，經(jīng)所述第二反射鏡反射到所述第一反射鏡，經(jīng)所述第一反射鏡反射后入射到所述楔形鏡的第一表面。

進(jìn)一步的，上述反射裝置設(shè)置有光通道，所述激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光經(jīng)所述光通道入射到所述楔形鏡的第一表面，透過所述第一表面且由所述楔形鏡的第二表面出射的激光入射到目標(biāo)，由所述目標(biāo)反射并透過所述楔形鏡的激光經(jīng)所述反射裝置反射至所述物鏡組件。

進(jìn)一步的，上述探測裝置包括分束器、第一光電探測器和第二光電探測器，從所述目鏡組件出射的激光經(jīng)所述分束器分束為第一探測光和第二探測光，所述第一探測光入射到所述第一光電探測器、被所述第一光電探測器接收，所述第二探測光入射到所述第二光電探測器、被所述第二光電探測器接收，其中，所述第一探測光的能量小于所述第二探測光的能量。采用雙通道檢測，有效地實現(xiàn)了高動態(tài)范圍測量。

進(jìn)一步的，上述光學(xué)系統(tǒng)還包括第一偏振控制器和第二偏振控制器。所述激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光入射到所述第一偏振控制器，經(jīng)所述第一偏振控制器的偏振態(tài)編碼處理后，入射到所述反射裝置，經(jīng)所述反射裝置反射后入射到所述楔形鏡的第一表面。由所述目鏡組件出射的激光經(jīng)所述第二偏振控制器檢偏后進(jìn)入所述探測裝置。通過對光束的偏振態(tài)進(jìn)行控制，有利于提高系統(tǒng)的信噪比。

進(jìn)一步的，上述光學(xué)系統(tǒng)還包括窄帶濾光片，所述窄帶濾光片設(shè)置于所述目鏡組件與所述探測裝置之間的光路中，用于濾除激光以外的雜散光。由于窄帶濾光片的峰值波長與激光的入射角度相關(guān)，由所述目鏡組件出射后入射到所述窄帶濾光片的激光的入射方向平行于所述窄帶濾光片的法線方向，有利于避免窄帶濾光片的峰值波長發(fā)生偏移，影響濾波效果。

進(jìn)一步的，上述光學(xué)系統(tǒng)還包括視場光闌，所述物鏡組件的像方焦點與所述目鏡組件的像方焦點重合，所述視場光闌設(shè)置于所述物鏡組件的像面處。

另一方面，本發(fā)明實施例還提供給了一種激光雷達(dá)，該激光雷達(dá)包括上述的光學(xué)系統(tǒng)。

相比于現(xiàn)有機(jī)載海洋測量激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)中，通過旋轉(zhuǎn)楔形鏡，使入射到所述楔形鏡的第一表面且由所述楔形鏡的第二表面出射的激光隨著所述楔形鏡的旋轉(zhuǎn)對目標(biāo)進(jìn)行圓形掃描，此時，目標(biāo)上各掃描點的掃描軌跡為圓形，且由所述楔形鏡的第二表面出射的激光在目標(biāo)上的各掃描點的入射角相等，不需要對每個掃描點處的入射角進(jìn)行標(biāo)定，有效地簡化了采用該光學(xué)系統(tǒng)的激光雷達(dá)的使用，且有利于簡化激光雷達(dá)的后端計算。例如，當(dāng)目標(biāo)為海洋、湖泊、水灘等時，激光的入射角恒定，則折射角也恒定，有利于簡化水深解算模型。另外，入射角恒定還有利于提高激光雷達(dá)掃描點云的均勻性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1示出了現(xiàn)有的采用卵形掃描方式的激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了現(xiàn)有的采用卵形掃描方式的激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3示出了水深測量示意圖；

圖4示出了本發(fā)明第一實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)的第一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5示出了本發(fā)明第一實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)的第二種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6示出了本發(fā)明第一實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)中楔形鏡呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時激光的偏折狀態(tài)示意圖；

圖7示出了本發(fā)明第一實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)的接收子系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8示出了本發(fā)明第一實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)的接收子系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9示出了本發(fā)明第一實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)的第三種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10示出了本發(fā)明第一實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)的第四種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11示出了窄帶濾光片的峰值波長與入射角的關(guān)系曲線圖。

圖中：10-激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)；101-脈沖激光器；102-楔形反射鏡；103-掃描軌跡；掃描點-1031；20-光學(xué)系統(tǒng)；200-激光發(fā)射裝置；310-激光器；320-激光擴(kuò)束組件；202-反射裝置；410-第一反射鏡；420-第二反射鏡；2021，511-光通道；204-楔形鏡；204a-第一表面；204b-第二表面；206-物鏡組件；208-目鏡組件；210-探測裝置；510-分束器；520-第一光電探測器；530-第二光電探測器；212-視場光闌；214-聚光鏡組；216-第一偏振控制器；218-第二偏振控制器；220-窄帶濾光片。

具體實施方式

圖1示出了現(xiàn)有的采用卵形掃描方式的激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2示出了現(xiàn)有的采用卵形掃描方式的激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)10包括脈沖激光器101和楔形反射鏡102。楔形反射鏡102包括傾斜面和直角面，傾斜面和直角面形成該楔形反射鏡102的楔角。楔形反射鏡102繞圖1所示的旋轉(zhuǎn)軸a旋轉(zhuǎn)時，脈沖激光器101發(fā)出的脈沖激光入射到楔形反射鏡102的傾斜面，經(jīng)傾斜面反射的脈沖激光隨著楔形反射鏡102的旋轉(zhuǎn)對目標(biāo)進(jìn)行掃描。楔形反射鏡102的旋轉(zhuǎn)軸垂直于楔形反射鏡102的直角面，此時，楔形反射鏡102的旋轉(zhuǎn)面平行于其直角面。此時，目標(biāo)表面的掃描軌跡103為卵形，且脈沖激光在各掃描點1031處的入射角隨著該掃描軌跡103中掃描點1031位置的變化。楔形反射鏡102的掃描角度越大，則該掃描軌跡103中各掃描點1031處的入射角差值越大。該激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)10中，楔形反射鏡102的放置方式可以采用圖1所示的方式，也可以采用圖2所示的方式。

在一種具體測量場景中，激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)10設(shè)置在飛機(jī)底部，目標(biāo)為海洋。若要測得水深，需要預(yù)先360度旋轉(zhuǎn)楔形反射鏡102，標(biāo)定上述掃描軌跡103的每個掃描點1031處的入射角度。進(jìn)一步通過水深計算公式得到水深。在圖3所示，假設(shè)海水深為h，入射角為θ，水深計算公式可以表示為：

式中，δt＝twb-tws，twb為海底反射的脈沖激光返回激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的時間，tws為海面反射的脈沖激光返回激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的時間，即δt為海底和海面反射的脈沖激光返回激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的時間差；c為光在真空中的速度，nw為海水對脈沖激光的折射率；θ為脈沖激光在海面上的入射角。

因此，若一次掃描的掃描軌跡103中各掃描點1031處的脈沖激光的入射角存在差異，需要預(yù)先對掃描激光在水面上的各掃描足點的入射角進(jìn)行標(biāo)定，增大了激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測的工作量以及激光雷達(dá)后端解算模型的復(fù)雜度。

此外，在上述激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)10中，在脈沖激光的發(fā)射頻率恒定且楔形反射鏡102轉(zhuǎn)速恒定的情況下，脈沖激光的卵形掃描軌跡103中各掃描點1031的分布為非均勻的，脈沖激光在目標(biāo)上的掃描光斑在卵形軌跡的兩頭分布較密集，中間分布較稀疏，如圖1和圖2所示。此時，為了得到均勻分布的掃描光斑，還需要進(jìn)一步對楔形反射鏡102的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置進(jìn)行變速控制，當(dāng)掃描光斑旋轉(zhuǎn)至短軸方向時需要減速，當(dāng)掃描光斑旋轉(zhuǎn)至長軸方向時需加速。因而，楔形反射鏡102在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，要經(jīng)歷兩次加速與兩次減速。由于楔形反射鏡102轉(zhuǎn)速較高，因而對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置控制精度要求高，不利于降低系統(tǒng)成本。

再者，假設(shè)激光雷達(dá)中，與上述激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)10對應(yīng)的接收光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑為d，當(dāng)卵形掃描軌跡103的長軸方向上單邊掃描角為20度時，楔形反射鏡102口徑應(yīng)大于或等于1.74d，不利于減輕系統(tǒng)重量，同時也不利于系統(tǒng)的小型化設(shè)計。

因此，本發(fā)明實施例提供了一種光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用于激光雷達(dá)，以有效地改善上述問題。下面將對本發(fā)明實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)闡述。顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“上”、“下”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

第一實施例

如圖4所示，本發(fā)明第一實施例提供了一種光學(xué)系統(tǒng)20，應(yīng)用于激光雷達(dá)。其中，該光學(xué)系統(tǒng)20包括發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)。發(fā)射子系統(tǒng)包括激光發(fā)射裝置200、反射裝置202以及楔形鏡204。接收子系統(tǒng)包括物鏡組件206、目鏡組件208以及探測裝置210。

本實施例中，激光發(fā)射裝置200包括激光器310。激光器310發(fā)出激光光束作為激光信號。本實施例中，通常采用紅外或可見光波段內(nèi)的激光信號。然而，當(dāng)本實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20應(yīng)用于機(jī)載海洋探測激光雷達(dá)時，考慮到激光在海水中傳播的衰減情況，可以采用藍(lán)綠波段的激光，優(yōu)選采用綠激光。

為了進(jìn)一步壓縮激光發(fā)射裝置200發(fā)出的激光的發(fā)散角，使激光的發(fā)散角度滿足系統(tǒng)要求，如圖4所示，激光發(fā)射裝置200還可以包括激光擴(kuò)束組件320。激光器310發(fā)出的激光光束入射到激光擴(kuò)束組件320，經(jīng)過激光擴(kuò)束組件320進(jìn)一步壓縮發(fā)散角后出射。

作為一種實施方式，如圖4所示，反射裝置202包括第一反射鏡410，第一反射鏡410設(shè)置于楔形鏡204的第一表面204a和物鏡組件206之間。激光發(fā)射裝置200發(fā)出的激光入射到第一反射鏡410的反射面，經(jīng)過第一反射鏡410反射后入射到楔形鏡204。由于入射到第一反射鏡410的反射面的激光發(fā)散角較小，可以近似于平行光束。因此，第一反射鏡410的尺寸可以在滿足能夠?qū)す膺M(jìn)行反射的條件下盡量小，以避免對由目標(biāo)返回的激光造成不必要的遮擋。為了進(jìn)一步優(yōu)化本光學(xué)系統(tǒng)20的空間布局，在上述第一反射鏡410的基礎(chǔ)上，反射裝置202還可以包括第二反射鏡420，如圖4所示。此時，激光發(fā)射裝置200發(fā)出的激光先入射到第二反射鏡420的反射面，經(jīng)第二反射鏡420反射到第一反射鏡410的反射面，然后經(jīng)第一反射鏡410反射后入射到楔形鏡204。

作為另一種實施方式，如圖5所示，反射裝置202設(shè)置有光通道2021。激光發(fā)射裝置200發(fā)出的激光經(jīng)該光通道2021入射到楔形鏡204的第一表面204a，透過第一表面204a且由楔形鏡204的第二表面204b出射的激光入射到目標(biāo)。由目標(biāo)反射并透過楔形鏡204的激光入射到反射裝置202的反射面，經(jīng)反射裝置202反射至物鏡組件206。例如，反射裝置202可以為中心設(shè)置有用于通光的通孔的反射鏡。需要說明的是，圖4和圖5中，帶箭頭的直線表示激光。

本實施例中，經(jīng)反射裝置202反射后入射到楔形鏡204的第一表面204a的激光的光軸與由目標(biāo)反射并透過楔形鏡204的激光的光軸重合。也就是說，本實施例通過設(shè)置反射裝置202對激光發(fā)射裝置200發(fā)出的激光進(jìn)行轉(zhuǎn)折，使得發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)的光軸重合。此時，為了盡量減小系統(tǒng)體積和重量，楔形鏡204的口徑可以與接收子系統(tǒng)的入瞳直徑相等，有利于系統(tǒng)的小型化設(shè)計。

本實施例中，楔形鏡204的第一表面204a為直角面，第二表面204b為傾斜面，直角面和傾斜面形成楔形鏡204的楔角。楔形鏡204能夠在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)。例如，該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置可以為電機(jī)。優(yōu)選的，楔形鏡204為圓楔形棱鏡。

楔形鏡204處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，經(jīng)過反射裝置202反射的激光入射到楔形鏡的第一表面204a。需要說明的是，激光可以是正入射到楔形鏡204的第一表面204a，或者，也可以與第一表面204a的法線成預(yù)設(shè)夾角入射，該預(yù)設(shè)夾角可以根據(jù)用戶需要調(diào)整。此時，隨著楔形鏡204的旋轉(zhuǎn)，透過該楔形鏡204的第一表面204a后由楔形鏡204的第二表面204b出射的激光呈圓錐形分布，如圖6所示，從而對目標(biāo)進(jìn)行圓形掃描，即入射到目標(biāo)上的掃描光斑的掃描軌跡為圓形。也就是說，隨著楔形鏡204的旋轉(zhuǎn)，由上述第二表面204b出射后入射到目標(biāo)的激光的入射角不發(fā)生變化，不需要對每個掃描點處的入射角進(jìn)行標(biāo)定，有利于簡化后端計算。當(dāng)激光器310的發(fā)射頻率恒定，楔形鏡204勻速旋轉(zhuǎn)時，楔形鏡204旋轉(zhuǎn)一周對應(yīng)的掃描光斑均勻分布。相比于現(xiàn)有卵形掃描的激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)，降低了對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的要求，有利于降低系統(tǒng)成本。

實際應(yīng)用時，為了實現(xiàn)高速掃描，楔形鏡204需高速旋轉(zhuǎn)。因此，優(yōu)選的，本實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20中，楔形鏡204的旋轉(zhuǎn)軸方向與楔形鏡204的重力方向一致，相比于現(xiàn)有的激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)，能夠有效降低對楔形鏡204的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

對于接收子系統(tǒng)，現(xiàn)有的大口徑激光接收系統(tǒng)主要采用反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)，例如卡塞格林反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)，由于反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)的次鏡會帶來中心遮攔，遮擋的光通量能夠達(dá)到30％至40％。同時，由于光學(xué)反射存在兩倍光學(xué)杠桿放大，因而反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)對光學(xué)零件的加工與裝配要求更高。因此，本發(fā)明實施例中，接收子系統(tǒng)優(yōu)選采用透射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)，物鏡組件206的像方焦點與目鏡組件208的物方焦點重合。例如，可以采用開普勒型望遠(yuǎn)系統(tǒng)。透射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)易于安裝調(diào)試，相比于反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)，無中心遮攔，因而相同入瞳面積情況下，其體積更小，且對零件加工精度與裝配精度要求更低。

可以理解的是，為了進(jìn)一步限制接收子系統(tǒng)的視場，控制視場外的光線不能進(jìn)入到后續(xù)光路中。如圖7所示，上述接收子系統(tǒng)還包括視場光闌212，該視場光闌212設(shè)置于物鏡組件206的像面處。

此外，接收子系統(tǒng)中，探測裝置210用于將接收到的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，以進(jìn)一步對該電信號進(jìn)行處理得到需要測量的數(shù)據(jù)。本實施例中，探測裝置210為光電探測器。

考慮到光電探測器靈敏度的限制，為了實現(xiàn)高動態(tài)范圍，提高對目標(biāo)的測量精度。本發(fā)明實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20中，如圖7所示，探測裝置210優(yōu)選包括分束器510、第一光電探測器520和第二光電探測器530。通過分束器510進(jìn)行分光，實現(xiàn)雙通道同時探測，其中一個通道接收光能量低，用于接收反射能量強(qiáng)的物體，如陸地表面反射、淺灘水底、水表面反射等；另一通道接收光能量高，用于弱信號探測，如深水水底探測。

此時，從目鏡組件208出射的激光經(jīng)分束器510分束為第一探測光和第二探測光。其中，第一探測光的能量小于第二探測光的能量。第一探測光入射到第一光電探測器520、被第一光電探測器520接收。第二探測光入射到第二光電探測器530、被第二光電探測器530接收。具體的，分束器510也可以為設(shè)置有光通道511的反射鏡，如圖7所示。其中，光通道511用于通光，此時可以通過控制光通道511的口徑來控制分束器510的分光比，精度易于控制。或者，分束器510可以為鍍有分光膜的平面鏡，如圖8所示。

可以理解的是，當(dāng)?shù)谝惶綔y光的光束直徑較小，小于第一光電探測器520的感光面元時，可直接用第一光電探測器520接收第一探測光；當(dāng)?shù)谝惶綔y光的光束直徑較大，無法直接用第一光電探測器520接收時，可以進(jìn)一步在分束器510與第一光電探測器520之間設(shè)置聚光鏡組214，通過聚光鏡組214對光斑進(jìn)行壓縮，如圖9示。例如，當(dāng)分束器510為設(shè)置有光通道的反射鏡時，當(dāng)光通道的口徑小于第一光電探測器520的感光面元時，第一探測光可以直接被第一光電探測器520接收。同理，當(dāng)?shù)诙綔y光的光束直徑較小，小于第二光電探測器530的感光面元時，可直接用第二光電探測器530接收第二探測光；當(dāng)?shù)诙綔y光的光束直徑較大，無法直接用第二光電探測器530接收時，可以進(jìn)一步在分束器510與第二光電探測器530之間設(shè)置聚光鏡組214，通過聚光鏡組214對光斑進(jìn)行壓縮。

為了濾除雜散光的干擾，提高系統(tǒng)的信噪比，如圖9和圖10所示，本實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20還包括第一偏振控制器216和第二偏振控制器218。激光發(fā)射裝置200發(fā)出的激光入射到第一偏振控制器216，第一偏振控制器216對入射的激光信號進(jìn)行偏振態(tài)編碼。由第一偏振控制器216出射的激光入射到反射裝置202，經(jīng)反射裝置202反射后入射到楔形鏡204的第一表面204a。由目鏡組件208出射的激光經(jīng)第二偏振控制器218檢偏后進(jìn)入探測裝置210。可以理解的是，當(dāng)探測裝置210包括分束器510、第一光電探測器520和第二光電探測器530時，即本光學(xué)系統(tǒng)20為雙通道探測時，作為一種是實施方式，上述第二偏振控制器218可以為一個，設(shè)置于目鏡組件208與分束器510之間的光傳播路徑上。作為另一種實施方式，上述第二偏振控制器218也可以為兩個，分別設(shè)置在一個探測通道中，即一個設(shè)置于分束器510與第一光電探測器520之間的光傳播路徑上，另一個設(shè)置于分束器510與第二光電探測器530之間的光傳播路徑上。

為了降低除上述激光發(fā)射裝置200發(fā)出的激光以外的其他波長的雜散光的干擾，如圖9和圖10所示，本實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20還包括窄帶濾光片220。窄帶濾光片220的工作波段與上述激光的波段適配，用于根據(jù)波長對光束選通，濾除上述激光之外的其他波長的雜散光。窄帶濾光片220設(shè)置于目鏡組件208與探測裝置210之間的光路中，由目鏡組件208出射的激光經(jīng)過窄帶濾光片220后進(jìn)入探測裝置210。

需要說明的是，為了盡可能的降低干擾，系統(tǒng)一般均采用優(yōu)質(zhì)濾光片。對于窄帶濾光片220，其峰值波長與入射角成以下函數(shù)關(guān)系：

式中，α表示入射到窄帶濾光片220的激光的入射角；λα為入射角為α?xí)r的峰值波長；λ0入射角為0時的峰值波長；ne為外部折射率；n^*為窄帶濾光片220折射率。假定λ0＝532nm，ne＝1.0，n^*＝1.52，此時得到窄帶濾光片220的峰值波長λα與入射角α的曲線圖如圖11所示。如圖11所示，當(dāng)入射角α為1.69度時，峰值波長λα往短波方向移動0.2nm；當(dāng)入射為3.75度時，峰值波長λα往短波方向移動1nm?；谏鲜鲫P(guān)系，理想情況下，由目鏡組件208出射后入射到窄帶濾光片220的激光的入射方向平行于窄帶濾光片220的法線方向，即入射角為0度?？紤]到實際系統(tǒng)裝配的偏差，結(jié)合窄帶濾光片220的參數(shù)，光學(xué)系統(tǒng)20裝配后光線入射角也可以小于一個角度閾值，該角度閾值由具體窄帶濾光片220的參數(shù)決定。對于優(yōu)質(zhì)窄帶濾光片220，濾光片的中心波長公差一般為0.2nm，其半高寬(fwhm)為1nm±0.2nm左右，此時，光學(xué)系統(tǒng)20裝配后光線入射角優(yōu)選小于1度。

為了更清楚的解釋本發(fā)明實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20，下面將海洋為探測目標(biāo)，以圖9示出的光學(xué)系統(tǒng)20結(jié)構(gòu)為例，從整體上對本發(fā)明實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20的原理進(jìn)行說明。

激光器310發(fā)出的激光光束入射到激光擴(kuò)束組件320，激光擴(kuò)束組件320進(jìn)一步壓縮激光器310發(fā)出的激光光束的發(fā)散角，通過第一偏振控制器216后，入射到第二反射鏡420的反射面，依次經(jīng)第二反射鏡420、第一反射鏡410反射后入射到處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的楔形鏡204的第一表面204a，由楔形鏡204的第二表面204b出射后的激光入射到海水水面。并且，隨著楔形鏡204的旋轉(zhuǎn)，楔形鏡204的第二表面204b出射后的激光入射到目標(biāo)的不同探測點，實現(xiàn)圓錐形掃描，掃描光斑在海水水面的軌跡為圓形。

入射到海水水面上的激光中，小部分激光漫反射回波會原路返回至楔形鏡204的第二表面204b，其余大部分激光發(fā)生折射繼續(xù)傳播到達(dá)海底后形成漫反射回到楔形鏡204的第二表面204b。從海水水面漫反射形成的第一回波激光信號與海底漫反射形成的第二回波激光信號相繼到達(dá)楔形鏡204的第二表面204b，先后由楔形鏡204的第一表面204a出射，依次通過物鏡組件206、視場光闌212后，經(jīng)目鏡組件208處理為平行光入射到窄帶濾光片220。經(jīng)窄帶濾光片220的光譜過濾處理后，由分束器510分束為第一探測光和第二探測光。其中，第一探測光經(jīng)第二偏振控制器218檢偏后被第一光電探測器520接收，第二探測光也經(jīng)第二偏振控制器218檢偏后被第二光電探測器530接收，第一光電探測器520將第一探測光轉(zhuǎn)換為第一電信號，第二光電探測器530將第二探測光轉(zhuǎn)換為第二電信號，以便于激光雷達(dá)的后端處理系統(tǒng)進(jìn)一步對第一電信號和第二電信號進(jìn)行處理得到需要測量的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20實現(xiàn)了對目標(biāo)的圓錐形掃描，即使得目標(biāo)各掃描點處的激光入射角相等，不需要對每個掃描點處的入射角進(jìn)行標(biāo)定，有效地簡化了采用該光學(xué)系統(tǒng)20的激光雷達(dá)的使用，且有利于簡化該激光雷達(dá)的后端計算。

第二實施例

本發(fā)明第二實施例還提供了一種激光雷達(dá)，包括上述第一實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20。當(dāng)然，除了包括上述光學(xué)系統(tǒng)20外，激光雷達(dá)還包括其他組成部分，例如轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等(圖中未示出)，此處不做詳細(xì)說明。

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其基本原理為：向目標(biāo)發(fā)射探測激光，然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的激光回波信號與發(fā)射的激光信號進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對飛機(jī)、導(dǎo)彈、海洋等目標(biāo)進(jìn)行探測。

相比于現(xiàn)有的機(jī)載海洋測量激光雷達(dá)，本發(fā)明第二實施例提供的激光雷達(dá)采用了第一實施例提供的光學(xué)系統(tǒng)20，通過該光學(xué)系統(tǒng)20實現(xiàn)了對目標(biāo)的圓錐形掃描，即使得目標(biāo)各掃描點處的激光入射角相等，不需要對每個掃描點處的入射角進(jìn)行標(biāo)定，有效地簡化了激光雷達(dá)的使用，且有利于簡化該激光雷達(dá)的后端計算。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、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)。