一种新型的光学同轴收发系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，包括收发一体同轴光纤束和施密特?卡塞格林望远镜；所述收发一体同轴光纤束包括发射光纤和接收光纤，所述发射光纤由单根石英光纤组成，所述接收光纤由若干根石英光纤组成，收发一体同轴光纤束的前部分的发射光纤和接收光纤分开，收发一体同轴光纤束的后部分发射光纤位于中心，外层若干根接收光纤以发射光纤为圆心均匀排列；所述收发一体同轴光纤束后端部分连接望远镜。优点：降低了成本，消除了球面像差的影响，对视场、近焦能力和便携性有显著提高，增强了激光雷达的稳定性和紧凑性，可使激光雷达能见度仪体积减小、重量减轻、结构更加紧凑。
【专利说明】
一种新型的光学同轴收发系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种激光能见度仪光学收发系统，属于激光能见度仪技术领域。
【背景技术】
[0002]随着激光技术的发展，激光雷达是继透射式、散射式能见度仪后出现的一种新型的能见度观测工具，其主要通过直接探测激光与大气相互作用的后向散射信号定量计算大气能见度。其中，微脉冲激光雷达与传统的激光雷达相比，具有结构紧凑、低发射能量、高时空分辨率等优点，可以用于对云和气溶胶的光学特性的空间分布进行有效的探测。微脉冲激光雷达一般由激光发射模块、光学接受模块和信号采集与处理模块三个部分组成。
[0003]目前国内外的微脉冲激光雷达的光学发射模块和接收模块的设计有两种结构:非共轴与共轴。常见的收发非共轴系统如图5所示，该激光雷达系统避免了发射信号对接收信号的干扰，但相对独立的发射单元不仅增加了系统的成本，还影响系统的小型化。此外，非共轴系统需要严格保证发射和接收光路的平行，否则会造成测量数据失真，同时，这种结构还存在探测盲区和过渡区，需要校正几何重叠因子，增加了数据处理的难度。
[0004]现有的基于同轴结构的微脉冲激光雷达，体积较大，成本较高，限制了其应用范围。图6为已有技术的基于光纤的共轴微脉冲激光雷达。该激光雷达通过收发一体的Y型光纤束，实现收发共轴。激光器发出的光耦合进Y型光纤束的发射端，经准直、扩束后由望远镜进行发射，后向散射回波信号由望远镜接收，聚焦耦合进入接收光纤，经窄带滤光片滤除背景杂光后，通过光电倍增管探测信号并送入光子计数采集卡，最后将信号送入计算机存储并处理。其不足在于:该微脉冲激光雷达装置仍存在体积较大，成本较高的问题，在Y型收发一体的光纤束的设计上，各端口交接处，光的传输损耗较大，并且该装置采用卡塞格林望远镜，必然存在近焦能力差、视野窄和球面像差等缺点，开放式的镜筒设计，使得维护保养也相对困难。
【发明内容】
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种新型的光学同轴收发系统，降低了成本，消除了球面像差的影响，对视场、近焦能力和便携性有显著提高，增强了激光雷达的稳定性和紧凑性，可使激光雷达能见度仪体积减小、重量减轻、结构更加紧凑。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，该系统包括:收发一体同轴光纤束和施密特-卡塞格林望远镜;所述收发一体同轴光纤束包括发射光纤和接收光纤，所述发射光纤由单根石英光纤组成，所述接收光纤由若干根石英光纤组成，收发一体同轴光纤束的前部分的发射光纤和接收光纤分开，收发一体同轴光纤束的后部分发射光纤位于中心，外层若干根接收光纤以发射光纤为圆心均匀排列；所述收发一体同轴光纤束后端部分连接望远镜。
[0007]进一步的，所述施密特-卡塞格林望远镜由准直透镜、球面主镜、球面副镜、非球面施密特校正板组成。
[0008]进一步的，所述收发一体同轴光纤束的后部分的收发光纤的光纤头位于施密特-卡塞格林望远镜的焦点位置。
[0009]进一步的，所述接收光纤采用8根芯径为40μπι，数值孔径为0.22的石英光纤，所述发射光纤采用单根芯径为ΙΟμπι，数值孔径为0.11的石英光纤。
[0010]进一步的，所述发射光纤和接收光纤的前端分别设有光纤输入接口和光纤输出接口，接口设在系统外壳上。
[0011 ]进一步的，所述收发一体同轴光纤束长度为20-30cm。
[0012]进一步的，所述准直透镜与光纤数值孔径匹配，光束发散角为0.5mrad，使望远镜发射出环形光束。
[0013]本实用新型所达到的有益效果:
[0014]I)本实用新型采用收发同轴光学系统，结构简单，通过光纤直接连接外部器件，无需进行光路调整，有效解决了非同轴激光雷达能见度仪受几何重叠因子影响的不足，并避免了发射与接收光路调平问题。该系统的引入可使激光雷达能见度仪体积减小、重量减轻、结构更加紧凑；
[0015]2)本实用新型收发同轴光学系统，采用模块化设计，系统尾端分别有光纤输入接口和输出接口，可以分别与激光雷达的发射系统和后续信号探测与处理系统相连组成易拆卸的能见度测量仪器；
[0016]3)本实用新型收发同轴光学系统，采用施密特-卡塞格林望远镜，其具有以下优点:结合反射镜和光学透镜双方优势并消除其弊端，高锐度和较开阔的视场，焦比一般约为f/ΙΟ，封闭设计降低空气气流对光线的扰动，非常紧凑和便携，在所有望远镜类型中近焦能力最好。
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型光学同轴收发系统设计图；
[0018]图2-1是本实用新型光学同轴收发系统前端设计图；
[0019]图2-2是本实用新型光学同轴收发系统后端设计图；
[0020]图3-1是收发一体同轴光纤束收发端光纤结构图；
[0021 ]图3-2是收发一体同轴光纤束结构图；
[0022]图4是基于该新型光学同轴收发系统的微脉冲激光雷达示意图；
[0023]图5是已有技术的非共轴微脉冲激光雷达示意图；
[0024]图6是已有技术的基于光纤的共轴微脉冲激光雷达示意图。
[0025]图中的I是光纤输入接口，2是收发一体同轴光纤束，3是光纤输出接口，4是望远镜，5是外壳，6是准直透镜，7是球面主镜，8是球面副镜，9是非球面施密特校正板，10是微脉冲激光器，11是光束耦合器，12是本系统，13是聚焦透镜，14是滤光片，15是光电倍增管，16是光子计数采集卡，17是计算机，A是发射端光纤，B是接收端光纤，C是收发端光纤。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
[0027]如图1、2和3所示，一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，该系统包括:收发一体同轴光纤束2和施密特-卡塞格林望远镜4;所述收发一体同轴光纤束2包括发射光纤和接收光纤，所述发射光纤由单根芯径为40μπι，数值孔径为0.22的石英光纤组成，所述接收光纤由8根芯径为ΙΟμπι，数值孔径为0.11的石英光纤组成，收发一体同轴光纤束2的前部分的发射光纤和接收光纤分开，收发一体同轴光纤束2的后部分发射光纤位于中心，外层若干根接收光纤以发射光纤为圆心均匀排列;所述收发一体同轴光纤束2后端部分连接所述望远镜4。
[0028]本实施例中，所述施密特-卡塞格林望远镜4由准直透镜6、球面主镜7、球面副镜8、非球面施密特校正板9组成。
[0029]本实施例中，所述收发一体同轴光纤束2的后部分的收发光纤的光纤头位于施密特-卡塞格林望远镜的焦点位置。
[0030]本实施例中，所述发射光纤和接收光纤的前端分别设有光纤输入接口I和光纤输出接口 2，接口设在系统外壳上。
[0031]本实施例中，所述收发一体同轴光纤束长度为20-30cm。
[0032]本实施例中，所述准直透镜6与光纤数值孔径匹配，光束发散角为0.5mrad，使望远镜发射出环形光束。
[0033]如图4所示，基于该实用新型光学同轴收发系统的微脉冲激光雷达示例。微脉冲激光器10出射光束经光束耦合器11耦合，通过本系统12的光纤输入接口 I进入发射端光纤A，经过准直透镜准直、扩束后导入所述的施密特-卡塞格林望远镜，后向散射回波信号经同一望远镜接收聚焦进入收发端光纤C的8根外层接收光纤，通过光纤输出接口 3传输，并经过聚焦透镜13聚焦和窄带干涉滤光片14滤除背景杂散光后进入信号探测和采集单元。
[0034]本实施例中，所述的信号探测与采集单元由光电倍增管15、光子计数采集卡16和计算机17组成，光子计数采集卡采集光电倍增管探测的信号，最终传送给计算机进行信号的存储和后续分析。
[0035]本实施例中，所述的收发一体同轴光纤束光纤输入接口I与光束親合器以及发射端光纤A相连，收发光纤C与望远镜4相连，光纤输出接口 3与信号探测与采集单元以及接收端光纤B相连。
[0036]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，包括收发一体同轴光纤束和施密特-卡塞格林望远镜;所述收发一体同轴光纤束包括发射光纤和接收光纤，所述发射光纤由单根石英光纤组成，所述接收光纤由若干根石英光纤组成，收发一体同轴光纤束的前部分的发射光纤和接收光纤分开，收发一体同轴光纤束的后部分发射光纤位于中心，外层若干根接收光纤以发射光纤为圆心均匀排列;所述收发一体同轴光纤束后端部分连接所述望远镜。2.根据权利要求1所述的一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，所述施密特-卡塞格林望远镜由准直透镜、球面主镜、球面副镜、非球面施密特校正板组成。3.根据权利要求1所述的一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，所述收发一体同轴光纤束的后部分的收发光纤的光纤头位于施密特-卡塞格林望远镜的焦点位置。4.根据权利要求1所述的一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，所述接收光纤采用8根芯径为40μπι，数值孔径为0.22的石英光纤，所述发射光纤采用单根芯径为ΙΟμπι，数值孔径为0.11的石英光纤。5.根据权利要求1所述的一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，所述发射光纤和接收光纤的前端分别设有光纤输入接口和光纤输出接口，接口设在系统外壳上。6.根据权利要求1所述的一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，所述收发一体同轴光纤束长度为20_30cmo7.根据权利要求2所述的一种新型的光学同轴收发系统，其特征是，所述准直透镜与光纤数值孔径匹配，光束发散角为0.5mrad，使望远镜发射出环形光束。
【文档编号】G01S7/483GK205608177SQ201620422956
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】常建华, 李红旭, 朱玲嬿, 戴 峰, 李寒寒
【申请人】南京信息工程大学