激光雷达探测光源发散角测量装置与方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光雷达探测光源发散角测量装置与方法，主要应用于激光雷达发射系统调校过程中，对扩束后的探测光发散角进行测评和调整。装置主要由探测光源、光学升降台、准直望远镜、可升降光学调整架、可调谐双狭缝光阑、光阑、高精密平移平台、光功率计等部件组成。装置设计了可调谐双狭缝光阑，双狭缝光阑将被测光源的发射光束整形为双光束，仅需测量双光束的离散程度，就可以测得光束的发散角，不需要测量整个光斑光强分布，从而实现对不同直径的激光雷探测光源光束的发散角进行测量，该装置与方法可测量最小光束直径为2mm，最大光束直径为400mm，可以实现0.01mrad光束发散角的测量。
【专利说明】激光雷达探测光源发散角测量装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光雷达光学测量校正装置，具体为一种激光雷达探测光源发散角测量装置与方法，实现激光雷达探测光源调校。
【背景技术】
[0002]激光雷达是以激光为探测光源，通过激光与大气相互作用对大气颗粒物进行探测。光波与大气中介质相互作用，产生包含气体分子和气溶胶粒子有关信息的辐射信号，利用反演方法就可以从中得到关于气体分子和气溶胶粒子的信息。因此，激光雷达的技术基础是光辐射与大气中的分子以及气溶胶粒子之间相互作用所产生的各种物理过程。激光雷达作用一个为重要光学遥感探测手段，可以实现整个对流层大气气溶胶消光垂直廓线的探测、大气水平能见度、以及颗粒物粒子特性的探测，可以有效弥补当前我国在大气颗粒物遥感探测不足，有助于开展气溶胶细粒子的来源分布，分析大气颗粒物特性，解析灰霾天气的细粒子时空分布，分析大气边界层以上沙尘和卷云特性及混合层厚度和动态结构的时间演变。
[0003]激光雷达探测光源部分由激光器和发射光学单元两部分组成。激光器是决定激光雷达探测性能的关键因素之一，激光器的类型和性能要求取决于系统的要求和具体的探测对象。可用的激光器主要类型有:用于散射型激光雷达的激光器主要有多波长输出的闪光灯泵浦或二极管泵浦Nd: YAG激光器、红宝石激光器、二氧化碳激光器等。目前，一些新型激光器(如板条激光器、微芯片激光器、波导激光器以及固化拉曼激光器)正处于研发中，它们很快也会应用到激光雷达之中。激光器的性能指标主要有输出波长、能量及其稳定性、重复频率、光束发散角、激光脉冲宽度等。激光波长决定了激光雷达探测成份的种类；能量的大小影响雷达有效范围探测范围和信噪比，激光器的高重复频率能够改善激光雷达探测的时空分布特征。
[0004]而激光雷达探测光源发散角会影响到激光雷达的信噪比和系统探测的稳定性，如果激光雷达探测光源发散角大于设计指标，大量的背景光会进行探测器，导致激光雷达探测信号噪声增加，信噪比降低，无法满足激光雷达数据反演的要求；而如果激光雷达探测光源发散角小于设计指标时，会导致系统的稳定降低，激光雷达有效探测光会发射到激光雷达探测视场外，其回波信号无法被探测器接收，所以一般要求发射光束的发散角比视场角间的值小些。
[0005]可见，激光雷达探测光源发散角是激光雷达设计的重要参数之一，后期激光雷达安装调试过程中，激光雷达探测光源发散角的测试和调较优劣也是影响激光雷达性能的关键因素，同时也是激光装调过程一个技术难题。主要原因在于，激光雷达探测光源发散角极小，远远高于一般的光学精密仪器探测光源的发散角。一般光学精密仪器的探测光源发射角在几个至十几毫弧度之间，而激光器雷达通常要求探测光源发散角在零点几毫弧度，微脉冲激光雷达的发散角在0.01毫弧度左右，激光雷达对探测光源发散角的要求远远高于一般的精密光学仪器，所以对激光雷达光源发散角测量装置和调试方法提出更为苛刻的要求，需要更为特殊工具和调较方法。
[0006]但是目前，在已公开专利或文献中，专用于激光雷达探测光源发散角测量装置与方法的报道尚未看到，已公开的相关的专利文献中，描述的装置和测量方法一般用于常规光学精密仪器的光源发散角的测量，主要有光电探测器测量法和CCD成像方法，如中国科学院光电技术研究所的一份中国发明专利CN1180232C(授权公告日为2004年12月15日)激光光束发散角测试方法，该方法利用CCD相机测量激光器光束聚焦光斑的整个二维光强分布，然后根据需要取所需测量方向的光强一维分布，把光强下降到最大值1/e2(即0.136)处的曲线起、止点包络线的大小作为激光光束的在次位置的光斑直径大小。该方法在激光雷达探测光源发散角测量方面不适用，首先，激光雷达探测光源均被准直扩束，扩束后的光斑功率密度比较小，整个光斑的光强分布差别不大，使用“光强下降到最大值1/e2 (即0.136)处”定义为光斑直径大小方法，不能准确的光斑直径；其次，激光雷达探测光源的光斑直径较大，光斑直接一般在20mm-400mm之间，该方法使用CCD测量光强分布,会受CCD探测面兀面积限制，无法测量大光斑。另外一份中国科学院半导体研究所的发明专利CN100354621C(授权公告日为2007年12月12日)激光器发散角测量仪和测量方法，该发明描述了一种主要应用于半导体激光器出射光束的测量方法，采用光纤头测量光场强度，探测范围小，能够测量口径很小的激光光斑；测量过程中，移动激光器测量光纤固定不动。该方法同样不适用在激光雷达探测光源发散角测量，一是，激光雷达探测光源光束被扩束后光强较弱，而光纤探头的耦合效率低，插入损耗大，耦合到光纤中极少的光强无法被探测；二，该装置和方法同样无法用于较大光斑发散角的测量。
[0007]本发明专利中设计了可调谐双狭缝光阑，这是与其他专利的根本区别，可调谐双狭缝光阑设置有两个狭缝，狭缝宽度和双狭缝间距可调，可能根据被测试激光雷达探测光源的光斑大小和光强，调整狭缝宽度与双狭缝间距，保证有足够能量通过被光功率探测-M狭缝光阑将被测光源的发射光束整形为双光束，仅需测量双光束的离散程度，就可以测得光束的发散角，不需要测量整个光斑光强分布，从而实现对大直径光斑的测量，这是以往其他测量方法无法做到的；本发明专利中，对双光束光强的测量获得光强曲线图，测量计算曲线图中双峰中心线之间距离，而不像传统方法那样通过测量光强确定光斑大小，显然双峰中心线间距的测量更加容易、精度更高、误差更小。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是提供一种激光雷达探测光源发散角测量装置与方法，在激光雷达装配和测试过程中实现对激光雷达探测光源发散角测量和调校。创新地设计了可调谐双狭缝光阑，双狭缝光阑将被测光源的发射光束整形为双光束，仅需测量双光束的离散程度，就可以测得光束的发散角，不需要测量整个光斑光强分布，从而实现对大直径光斑的测量，这是传统测量方法和装置法无法实现的；通过测量双光束光强曲线图，测量计算曲线图中双峰中心线之间距离，与传统方法测量光斑大小的方法比较,双峰中心线间距的测量更加容易、精度更高、误差更小。
[0009]本发明解决上述技术问题采用的技术方案为:一种激光雷达探测光源发散角测量装置包括:探测光源、光学升降台、准直望远镜、可升降光学调整架一、可调谐双狭缝光阑、可升降光学调整架二、光阑、高精密平移平台、光功率计，所述部件依次固定在测量平台上；所述探测光源水平安装在升降光学调整架一上，高度可调，调整光学升级台使得探测光源发射光束沿系统中心光轴发射；所述准直望远镜固定在升降光学调整架一上，高度可调，俯仰角度可调，调整升降光学调整架一使得准直望远镜的中心轴与系统中心光轴共轴，探测光源光束经准直望远镜准直扩束后发射向可调谐双狭缝光阑；所述可调谐双狭缝光阑固定在可升降光学调整架二上，高度可调，俯仰角度可调，可调谐双狭缝光阑设置有两个狭缝，分别为狭缝A和狭缝B，狭缝A和狭缝B的狭缝宽度可调，狭缝A和狭缝B的狭缝间距可调，狭缝宽度范围为0.5mm-5mm，狭缝间距可调整范围为4mm-120mm ;所述光功率计固定安装在高精密平移平台上，垂直高度和水平距离可调整，其中水平设置有刻度线，可以精密调整，水平调整精度为0.1mm，测量范围为0-120mm ;光功率计具有测量精度高特点，测量波长范围150nm-8um，测量功率范围60uw-3w，测量精度3% ;所述光阑固定安装在光功率计的探测器前，光阑直径为30mm，中心设计有孔径可调的通光孔，通光孔可调谐范围0.5mm-5mm ；光阑、高精密平移平台和光功率计安装后是一个整体，可以沿系统中心光轴方向在测量平台上平行移动，水平调谐高精密平移平台时，光阑和光功率计可以沿垂直于系统中心光轴方向水平步进移动，进而实现对光束光斑能量轴向分布的精密测量。
[0010]利用激光雷达探测光源发散角测量装置，所述的发散角测量和调试方法为:
[0011](I)调整可升降光学调整架二高度，使可调谐双狭缝光阑中心位于与系统中心光轴上，调整可升降光学调整架二高度俯仰角度，使可调谐双狭缝光阑与系统中心光轴垂直，调整狭缝A和狭缝B的狭缝宽度，使得通过可调谐双狭缝光阑的光束在光阑处能够成相对较清晰的像，狭缝A和狭缝B的狭缝宽度一般调整为0.5mm-2mm时，成像较为清晰；调整狭缝A和狭缝B之间的狭缝间距为B毫米，使得光束能够通过狭缝A和狭缝B后形成双光束；
[0012](2)沿系统中心光轴方向在测量平台上平行移动光阑、高精密平移平台和光功率计，将其固定在与双狭缝光阑距离为L的位置处，要求L大于IOm;在垂直方向上调谐高精密平移平台，使得光阑的中心小孔与中心光轴等高；
[0013]( 3 )测量步骤(I)中所述双光束的光斑能量分布，在水平方向上调谐高精密平移平台，使得光阑的中心小孔位于步骤(I)中所述双光束在光阑所成像的一侧，然后在水平方向慢慢调谐高精密平移平台，使得光阑沿水平方向上一步一步向探测光束步进，直至完全通过步骤(I)中所述双光束在光阑所成像，光阑每步进一次，记录步进的距离和光功率计的测量值；以所记录的步进距离值为X轴坐标值，光功率计的测量值为Y轴坐标值绘图，获取一个双峰结构的曲线图，并计算曲线图中双峰中心线之间距离d ；
[0014](4)多次平均测量计算曲线图中双峰中心线之间距离，重复步骤(3)，重复测量双光束在光阑所成像的能量分布，计算测量曲线图中双峰中心线之间距离，重复测量计算五次，将五次测量计算的平均值记为D ；
[0015](5)根据步骤(I)、(2)、(4)中的测量计算值，计算激光雷达探测光源发散角
0,0= (D-B) / (1000*L)；
[0016](6)将激光雷达探测光源发散角计算值0与激光雷达系统设计指标需求值比较，如果计算值0大于或小于激光雷达系统设计指标需求值，需要更换准直望远镜或者调整准直望远镜结构后，重复步骤(I)至步骤(5)再次测量计算激光雷达探测光源发散角0，直至激光雷达探测光源发散角计算值e满足系统设计指标要求。
[0017]所述的激光雷达探测光源发散角测量装置设计了可调谐双狭缝光阑，可调谐双狭缝光阑将被测光源的发射光束整形为双光束。
[0018]所述的激光雷达探测光源发散角测量装置测量精度高，装置可以实现0.0lmrad光束发散角的测量；
[0019]所述的装置与方法，可用于不同直径光束的发散角的测量，可测量最小光束直径为2mm,最大光束直径为400mm。
[0020]本发明与现有技术相比的有益效果:
[0021](I)本发明的激光雷达探测光源发散角测量装置与方法可用于不同直径光束的发散角的测量，可测量最小光束直径为2_，最大光束直径为400_。大光斑直径的测量是本发明专利的创新之一，已公开的专利或文献中描述的发散角的测量方法，一般用于小直径光束发散角的测量；
[0022]( 2)本发明中创新地设计了可调谐双狭缝光阑，双狭缝光阑将被测光源的发射光束整形为双光束，仅需测量双光束的离散程度，就可以测得光束的发散角，而传统光束发散角测量方法一般为测量整个光斑光强分布，传统方法是测量整个光斑面元，而本发明专利的方法仅需要光斑面中的两个点元，显然本发明专利的方法更加简单，精度更高；
[0023](3)本发明在测量双光束离散程度时，通过测量双光束光强曲线图，利用曲线图中双峰中心线之间距离，进而确定光斑的位置，测量光束发散角。而传统方法一般是通过测量光强测量光斑大小的方法确定光斑位置，本发明专利使用的方法精度更高、误差更小，因此本发明装置和方法可实现0.0lmrad光束发散角的测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明探测装置的组成框图；
[0025]图2为可调谐双狭缝光阑结构示意图；
[0026]图3为双光束的双峰结构曲线图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0028]如图1所示，本发明的激光雷达探测光源发散角测量装置与方法主要由探测光源
1、光学升降台2、准直望远镜3、可升降光学调整架一 4、可调谐双狭缝光阑5、可升降光学调整架二 6、光阑7、高精密平移平台8、光功率计9组成，所述部件依次固定在测量平台10上；所述探测光源I水平安装在升降光学调整架一 4上，高度可调，调整光学升级台2使探测光源I发射光束沿系统中心光轴11发射；所述准直望远镜3固定在升降光学调整架一 4上，高度可调，俯仰角度可调，调整升降光学调整架一 4使准直望远镜3的中心轴与系统中心光轴11共轴，探测光源I光束经准直望远镜3准直扩束后发射向可调谐双狭缝光阑5 ;所述可调谐双狭缝光阑5固定在可升降光学调整架二 6上，高度可调，俯仰角度可调，可调谐双狭缝光阑5如图2所示，设置有两个狭缝，分别为狭缝A12和狭缝B13，狭缝A12和狭缝B13的狭缝宽度可调，狭缝A12和狭缝B13的狭缝间距可调，狭缝宽度范围为0.5_-5_，狭缝间距可调整范围为4mm-120mm ;所述光功率计9固定安装在高精密平移平台8上，垂直高度和水平距离可调整，其中水平设置有刻度线，可以精密调整，水平调整精度为0.1mm，测量范围为0-120mm ;光功率计9具有测量精度高特点，测量波长范围150nm_8um，测量功率范围60uw-3w,测量精度3% ;所述光阑7固定安装在光功率计9的探测器前，光阑7直接为30mm，设计有孔径可调的通光孔，通光孔可调谐范围0.5mm-5mm ;光阑7、高精密平移平台8和光功率计9安装后是一个整体，可以沿系统中心光轴11方向在测量平台10上平行移动，水平调谐高精密平移平台8时，光阑7和光功率计9可以沿垂直于系统中心光轴11方向水平步进移动，进而实现对光束光斑能量轴向分布的精密测量。利用激光雷达探测光源发散角测量装置，以光束直径为40_的激光雷达探测光源发散角测量为例进行说明，所述方法具体步骤为:
[0029](I)调整可升降光学调整架二 6高度，使可调谐双狭缝光阑5中心位于与系统中心光轴11上，调整可升降光学调整架二 6高度俯仰角度，使可调谐双狭缝光阑5与系统中心光轴11垂直，调整狭缝A12和狭缝B13的狭缝宽度为1_，使得通过可调谐双狭缝光阑5的光束在光阑7处能够成相对较清晰的像，狭缝A12和狭缝B13的狭缝宽度一般调整为
0.时，成像较为清晰；调整狭缝A12和狭缝B13之间的狭缝间距为3.6mm，使得光束能够通过狭缝A12和狭缝B13后形成双光束；
[0030](2)沿系统中心光轴11方向在测量平台10上平行移动光阑7、高精密平移平台8和光功率计9，将其固定在与双狭缝光阑(5)距离为L的位置处，L为15m ;在垂直方向上调谐高精密平移平台8，使得光阑7的中心小孔与中心光轴11等高；
[0031 ] ( 3 )测量步骤(I)中所述双光束的光斑能量分布，在水平方向上调谐高精密平移平台8，使得光阑7的中心小孔位于步骤I中所述双光束在光阑7所成像的一侧，然后在水平方向慢慢调谐高精密平移平台8，使得光阑7沿水平方向上一步一步向探测光束步进，直至完全通过步骤I中所述双光束在光阑7所成像，光阑(7)每步进一次，记录步进的距离和光功率计9的测量值；以所记录的步进距离值为X轴坐标值，光功率计9的测量值为Y轴坐标值绘图，获取一个双峰结构的曲线图11，如图3所示，曲线峰A和B分别为探测光通过狭缝A12和狭缝B13后形成双光束的光强，并计算曲线图中双峰中心线之间距离d ；
[0032](4)多次平均测量计算曲线图中双峰中心线之间距离，重复步骤(3)，重复测量双光束在光阑7所成像的能量分布，计算测量曲线图中双峰中心线之间距离，重复测量计算五次，五次测量计算的平均值D为3.9mm ;
[0033](5)根据步骤(I)、(2)、(4)中的测量计算值，计算激光雷达探测光源发散角
0,0= (D-B) / (1000*L)= (3.9-3.6)/ (1000*15) =0.2mrad ;
[0034](6)激光雷达探测光源发散角计算值0为0.2mrad满足激光雷达系统设计指标需求值。如果计算值e大于或小于激光雷达系统设计指标需求值，需要更换准直望远镜3或者调整准直望远镜3结构后，重复步骤I至步骤5再次测量计算激光雷达探测光源发散角e，直至激光雷达探测光源发散角计算值e满足系统设计指标要求。
[0035]所述的激光雷达探测光源发散角测量装置设计了可调谐双狭缝光阑，可调谐双狭缝光阑5将被测光源的发射光束整形为双光束；
[0036]所述的激光雷达探测光源发散角测量装置与方法，测量精度高，所述的激光雷达探测光源发散角测量装置可以实现0.0lmrad光束发散角的测量；
[0037]所述的激光雷达探测光源发散角测量装置与方法可用于不同直径光束的发散角的测量，可测量最小光束直径为2_，最大光束直径为400_ ；
[0038]本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。
【权利要求】
1.一种激光雷达探测光源发散角测量装置，其特征在于，包括:探测光源(I)、光学升降台(2)、准直望远镜(3)、可升降光学调整架一(4)、可调谐双狭缝光阑(5)、可升降光学调整架二(6)、光阑(7)、高精密平移平台(8)、光功率计(9)，所述部件依次固定在测量平台(10)上；所述探测光源(I)水平安装在升降光学调整架一(4)上，高度可调，调整光学升级台(2 )使得探测光源(I)发射光束沿系统中心光轴(11)发射；所述准直望远镜(3 )固定在升降光学调整架一(4)上，高度可调，俯仰角度可调，调整升降光学调整架一(4)使得准直望远镜(3)的中心轴与系统中心光轴(11)共轴，探测光源(I)光束经准直望远镜(3)准直扩束后发射向可调谐双狭缝光阑(5);所述可调谐双狭缝光阑(5)固定在可升降光学调整架二(6)上，高度可调，俯仰角度可调，可调谐双狭缝光阑(5)设置有两个狭缝，分别为狭缝A(12)和狭缝B(13)，狭缝A (12)和狭缝B (13)的狭缝宽度可调，狭缝A (12)和狭缝B(13)的狭缝间距可调，狭缝宽度范围为0.5mm-5mm，狭缝间距可调整范围为4mm-120mm ;所述光功率计(9)固定安装在高精密平移平台(8)上，垂直高度和水平距离可调整，其中水平设置有刻度线，可以精密调整，水平调整精度为0.1mm，测量范围为0-120mm ;光功率计(9)具有测量精度高特点，测量波长范围150nm-8um，测量功率范围60uw-3w，测量精度3% ;所述光阑(7)固定安装在光功率计(9)的探测器前，光阑(7)外径为30mm，中心设计有孔径可调的通光孔，通光孔可调谐范围0.5mm-5mm ;光阑(7)、高精密平移平台(8)和光功率计(9)安装后是一个整体，可以沿系统中心光轴(11)方向在测量平台(10)上平行移动，水平调谐高精密平移平台(8)时，光阑(7)和光功率计(9)可以沿垂直于系统中心光轴(11)方向水平步进移动，进而实现对光束光斑能量轴向分布的精密测量。
2.根据权利要求1所述的激光雷达探测光源发散角测量装置，其特征在于:该装置设计了可调谐双狭缝光阑(5)，可调谐双狭缝光阑(5)将被测光源的发射光束整形为双光束。
3.根据权利要求1所述的激光雷达探测光源发散角测量装置，其特征在于:该装置测量精度高，可以实现0.0 Imrad光束发散角的测量。
4.根据权利要求1所述的激光雷达探测光源发散角测量装置，其特征在于:该装置可用于不同直径光束的发散角的测量，可测量最小光束直径为2_，最大光束直径为400_。
5.利用权利要求1所述的激光雷达探测光源发散角测量装置进行发散角测量和调试的方法，其特征在于，所述的发散角测量和调试的方法包括如下步骤: 步骤(1)调整可升降光学调整架二(6)高度，使可调谐双狭缝光阑(5)中心位于与系统中心光轴(11)上，调整可升降光学调整架二(6)高度俯仰角度，使可调谐双狭缝光阑(5)与系统中心光轴(11)垂直，调整狭缝A (12)和狭缝B (13)的狭缝宽度，使得通过可调谐双狭缝光阑(5)的光束在光阑(7)处能够成相对较清晰的像，狭缝A (12)和狭缝B (13)的狭缝宽度一般调整为0.时，成像较为清晰；调整狭缝A (12)和狭缝B (13)之间的狭缝间距为B毫米； 步骤(2)在测量平台(10)上，沿系统中心光轴(11)方向平行移动光阑(7)、高精密平移平台(8)和光功率计(9)，将其固定在与双狭缝光阑(5)距离为L的位置处，要求L大于IOm;在垂直方向上调谐高精密平移平台(8)，使得光阑(7)的中心小孔与中心光轴(11)等闻; 步骤(3)测量步骤(1)中所述双光束的光斑能量分布，在水平方向上调谐高精密平移平台(8)，使得光阑(7)的中心小孔位于步骤(1)中所述双光束在光阑(7)所成像的一侧，然后在水平方向慢慢调谐高精密平移平台(8)，使得光阑(7)沿水平方向上一步一步向探测光束步进，直至完全通过步骤(1)中所述双光束在光阑(7 )所成像，光阑(7 )每步进一次，记录步进的距离和光功率计(9)的测量值；以所记录的步进距离值为X轴坐标值，光功率计(9)的测量值为Y轴坐标值绘图，获取一个双峰结构的曲线图(14)，并计算曲线图中双峰中心线之间距离d ； 步骤(4)多次平均测量计算曲线图中双峰中心线之间距离，重复步骤(3)，重复测量双光束在光阑(7)所成像的能量分布，计算测量曲线图中双峰中心线之间距离d，重复测量计算五次，将五次测量计算的平均值记为D ； 步骤(5)根据步骤(1)、(2)、(4)中的测量计算值，计算激光雷达探测光源发散角.0,0= (D-B) / (1000*L)； 步骤(6)将激光雷达探测光源发散角计算值0与激光雷达系统设计指标需求值比较，如果计算值0大于或小于激光雷达系统设计指标需求值，需要更换准直望远镜(3)或者调整准直望远镜(3 )结构后，重复步骤(1)至步骤(5 )再次测量计算激光雷达探测光源发散角e，直至激光雷达探测光源发散角计算值e满足系统设计指标要求。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于:该方法可用于不同直径光束的发散角的测量，可测量最小光束直 径为2_，最大光束直径为400_。
【文档编号】G01S7/497GK103645471SQ201310713857
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】董云升, 张天舒, 陆亦怀, 刘建国, 刘文清, 赵南京, 范广强 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院