準(zhǔn) 直后出射到探測空域；探測光束經(jīng)空域氣溶膠顆粒后向散射后，重新被光學(xué)天線接收并聚 焦后耦合到光纖環(huán)路器中。光學(xué)天線在四個(gè)視場上與光纖轉(zhuǎn)換器、光纖環(huán)路器配合工作，光 纖轉(zhuǎn)換器快速選通不同探測通道，實(shí)現(xiàn)信號收發(fā)同體，多路光束并行探測，完成非掃描風(fēng)矢 信息測量。光學(xué)天線系統(tǒng)相對口徑為1:4.28,全視場角為20°X22.5。，總長為277mm，后 截距為127. 28mm，有效焦距為300mm，口徑為70mm，圖4是光學(xué)天線結(jié)構(gòu)簡圖，如圖4所示， 光學(xué)天線一共由五個(gè)透鏡L1~L5組成，其中包括一個(gè)雙膠合透鏡L2，光闌設(shè)置在第三個(gè)折 射面上。
[0044] 光學(xué)天線的第一透鏡L1由曲率半徑為79. 07mm、-2512mm的兩個(gè)球面構(gòu)成，光軸方 向中心厚度13. 66mm，玻璃材料為BAF9。
[0045] 進(jìn)一步的，光學(xué)天線的第二透鏡L2與第一透鏡L1光軸方向的距離為12. 2mm，為由 曲率半徑為-274. 2mm、110. 45mm和139. 96mm三個(gè)球面構(gòu)成的雙膠合透鏡，第一面到第二面 光軸方向中心厚度5mm，第二面到第三面光軸方向中心厚度6mm，第三面為光闌面，玻璃材 料依次為SF59和SSK4A。
[0046] 進(jìn)一步的，光學(xué)天線的第三透鏡L3與第二透鏡L2光軸方向距離為24. 27mm，由 曲率半徑為95. 5mm、-196. 34mm的兩個(gè)球面構(gòu)成，光軸方向中心厚度17mm，玻璃材料為 LAKL12〇
[0047] 進(jìn)一步的，光學(xué)天線的第四透鏡L4與第三透鏡L3光軸方向距離為24. 4mm，由曲 率半徑為-140. 47mm、-1355. 2mm的兩個(gè)球面構(gòu)成，光軸方向中心厚度14. 4mm，玻璃材料為 K50〇
[0048] 進(jìn)一步的，光學(xué)天線的第五透鏡L5與第四透鏡L4光軸方向距離為13. 6mm，由曲率 半徑為-74. 99mm的球面和近軸半徑為-163. 31mm的偶次方非球面構(gòu)成，偶次方非球面4、6、 8 和 10 階系數(shù)分別為 5. 9547E-007、5. 12E-011、1. 2307E-014 和-4. 242E-018。兩個(gè)曲面光 軸方向中心厚度19. 26_，玻璃材料為N-SK2。
[0049] 上述透鏡材料均為ZEMAX中德國肖特玻璃庫中所定義的玻璃材料。
[0050] 所述光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示：
[0051] 表1光學(xué)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)表
[0052]
[0053] 圖5是光學(xué)天線各視場點(diǎn)列圖，參照圖5,本發(fā)明的光學(xué)天線實(shí)施例像面上最大彌 散斑幾何均方根半徑為4. 258ym，小于纖芯半徑，滿足光纖耦合要求。
[0054]圖6是光學(xué)天線各視場波像差圖，參照圖6，本發(fā)明的光學(xué)天線各視場波像差PV值 小于0. 26A，RMS小于0. 07A，光學(xué)系統(tǒng)具有很高的成像質(zhì)量，足以滿足雷達(dá)系統(tǒng)相干探測 效率損失小于3dB的要求（1/5A〈波像差RMS〈1/10入）。
[0055]總體來說，本發(fā)明的相干測風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，四路不同方向視場信號收發(fā)共 用一個(gè)光學(xué)天線，能同時(shí)收發(fā)多路探測光束，對空間風(fēng)場矢量進(jìn)行探測，且各視場光纖耦合 效率達(dá)到65%以上?？朔藗鹘y(tǒng)掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，有利于雷達(dá)系統(tǒng)的輕小型 化，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0056] 本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
[0057] 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(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)說明，所應(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)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多光束非掃描相干探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包 括：光學(xué)天線、多路探測光纖、光纖轉(zhuǎn)換器、耦合器、激光器、光纖環(huán)路器和探測器，其中，光 纖轉(zhuǎn)換器、耦合器、激光器、光纖環(huán)路器和探測器通過選通操作與光學(xué)天線、多路探測光纖 形成多路探測通道，各路探測通道分別完成對特定方向徑向風(fēng)速的探測，對于某一路探測 通道： 所述激光器用于發(fā)出激光，并通過耦合器進(jìn)入所述光纖環(huán)路器； 所述光纖環(huán)路器用于將接收到的激光器發(fā)出的激光光波通過光纖傳輸?shù)焦饫w轉(zhuǎn)換器 中； 所述光纖轉(zhuǎn)換器用于分時(shí)選通多個(gè)探測通道，某時(shí)間段內(nèi)被選通的探測通道激光經(jīng)相 應(yīng)的通道光纖和光學(xué)天線出射到探測空域； 探測光束經(jīng)大氣氣溶膠顆粒散射，后向散射光重新被光學(xué)天線接收并耦合進(jìn)對應(yīng)光 纖中并經(jīng)光纖環(huán)路器傳輸?shù)教綔y器上，后向散射信號光與本振光在探測器光敏面上相干疊 加； 所述探測器用于將其光敏面上變化的光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘赐瑯右?guī)律變化的電流或電壓輸出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光光波經(jīng)過光纖環(huán)路器后分為兩 路：信號光和本振光，其中，本振光由光纖端面后向反射產(chǎn)生，信號光經(jīng)光學(xué)天線后出射，部 分后向散射信號光重新被光學(xué)天線接收。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述探測通道為四路，分別以天頂角和方 位角為（0°，〇° )、（12.5°，0° )、（10°，135° )和（10°，225° )的四個(gè)方向向空間風(fēng) 場發(fā)射激光光束；與四路探測通道對應(yīng)的光纖為四根，各光纖纖芯直徑為l〇ym，數(shù)值孔徑 NA = 0. 12,且接收/出射端面垂直于對應(yīng)視場的主光線。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)天線相對口徑為1:4. 28,全視場 角為20° X 22. 5°，總長為277mm，后截距為127. 28mm，有效焦距為300mm，口徑為70mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)天線由五個(gè)透鏡LI~L5組成， 其中包括一個(gè)雙膠合透鏡，光闌設(shè)置在第三個(gè)折射面上。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)天線的第一透鏡Ll由曲率半徑 為79. 07mm、-2512mm的兩個(gè)球面構(gòu)成。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述光學(xué)天線的第二透鏡L2與第一 透鏡Ll光軸方向的距離為12. 2mm，第二透鏡L2為由曲率半徑為-274. 2mm、110. 45mm和 139. 96mm三個(gè)球面構(gòu)成的雙膠合透鏡。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述光學(xué)天線的第三透鏡L3與第二透鏡 L2光軸方向距離為24. 27mm，由曲率半徑為95. 5mm、-196. 34mm的兩個(gè)球面構(gòu)成。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述光學(xué)天線的第四透鏡L4與第三透鏡 L3光軸方向距離為24. 4mm，由曲率半徑為-140. 47mm、-1355. 2mm的兩個(gè)球面構(gòu)成。10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述光學(xué)天線的第五透鏡L5與第四透 鏡L4光軸方向距離為13. 6mm，由曲率半徑為-74. 99mm的球面和近軸半徑為-163. 31mm的 偶次方非球面構(gòu)成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多光束非掃描相干探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：光學(xué)天線、多路探測光纖、光纖轉(zhuǎn)換器、耦合器、激光器、光纖環(huán)路器和探測器，其中，光纖轉(zhuǎn)換器、耦合器、激光器、光纖環(huán)路器和探測器通過選通操作與光學(xué)天線、多路探測光纖形成多路探測通道，各路探測通道分別完成對特定方向徑向風(fēng)速的探測，其中，本發(fā)明多路不同方向視場信號收發(fā)共用一個(gè)光學(xué)鏡頭，能同時(shí)收發(fā)多路探測光束，對空間風(fēng)場三維矢量進(jìn)行探測，克服了傳統(tǒng)掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，有利于雷達(dá)系統(tǒng)的輕小型化，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【IPC分類】G01S7/481
【公開號】CN105022048
【申請?zhí)枴緾N201510388723
【發(fā)明人】劉博 , 彭章賢, 周向東
【申請人】中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月3日