一种激光雷达透射式同轴收发光学系统的制作方法

本发明涉及激光雷达的收发光学系统技术领域，更具体涉及一种激光雷达透射式同轴收发光学系统。

背景技术：

激光雷达是迅速发展的高新技术之一，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达向空中发射激光脉冲，通过接收大气中气溶胶颗粒物对激光脉冲的后向散射进行大气光学特性研究，依此分析大气能见度、气溶胶颗粒物时空分布和时空变化、云底云高、边界层高度、气溶胶颗粒物特性等。由于返回的激光后向散射信号非常微弱，除了使用高灵敏的探测器进行信号探测外，接收激光后向散射信号的光学望远镜是影响激光雷达性能的关键组件。

申请号为2006100960637，发明名称为“激光雷达透射式双焦距收发光学系统”中国发明专利，公开了一种激光雷达透射式双焦距收发光学系统，包括由反射镜、扩束镜和焦距为f1的发射透镜组成的发射光学单元；由焦距为f2的接收透镜组成的接收光学单元。发射透镜安装在接收透镜中央的孔中。激光器发出的光束经反射镜、扩束镜及发射透镜以平行光束发出，后向散射的回波信号则经接收透镜会聚在镜筒尾部。然后由光阑、准直透镜、滤光片和探测器组成的探测系统进行光电信号转换，最后送入计算机分析处理。用于对气溶胶颗粒物的定性及定量探测，大气边界层高度的确定、气溶胶颗粒物垂直分布、气溶胶颗粒物时间变化以及对流层气溶胶颗粒物分层特征。该激光雷达收发光学系统为同轴设计，发射光路和接收光路会重合，导致严重干涉。

有鉴于此，有必要对现有技术中的激光雷达透射式收发光学系统进行改进，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于公开一种激光雷达透射式同轴收发光学系统，解决了现有技术中发射光路和接收光路严重干涉的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光雷达透射式同轴收发光学系统，包括激光器、反射镜、由扩束镜、发射透镜组合组成的发射光学单元、由接收透镜组合组成的接收光学单元、信号处理系统、及用于将所述接收光学单元所接收的光线与所述发射光学单元所发出的光线进行隔离的隔离装置，所述反射镜开设有通孔，所述接收光学单元、所述发射光学单元、所述隔离装置均同轴设置，所述激光器发射出的激光穿过所述反射镜的通孔、并经扩束镜、发射透镜组合折射后出射，反射回的光线经过接收透镜组合、并由所述反射镜反射至所述信号处理系统。

作为本发明的进一步改进，所述发射光学单元同轴设置于所述接收光学单元的内部。

作为本发明的进一步改进，所述发射透镜组合包括多个透镜，多个所述透镜同轴设置，所述透镜为凹透镜或者凸透镜。

作为本发明的进一步改进，所述发射透镜组合包括第一凸透镜、第一凹透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜、第一凹透镜和第二凸透镜顺序叠加。

作为本发明的进一步改进，所述扩束镜为凹透镜，所述扩束镜与所述发射透镜组合同轴设置，且所述扩束镜的直径小于所述发射透镜组合中任一透镜的直径。

作为本发明的进一步改进，所述接收透镜组合包括同轴设置的第三凸透镜和第二凹透镜。

作为本发明的进一步改进，所述收发光学系统包括内镜筒，所述发射透镜组合设置于所述内镜筒的内部，所述隔离装置的一端和所述激光器的出口端对接，所述隔离装置的另一端和所述内镜筒在发射光路的轴向上对接。

作为本发明的进一步改进，所述隔离装置为由碳纤维制成的遮光管。

作为本发明的进一步改进，所述接收透镜组合包括同轴设置的第三凸透镜及第二凹透镜，所述第三凸透镜设置于接收光路的前端，所述第二凹透镜设置于接收光路的中部，所述隔离装置的一端与所述第二凹透镜所在的位置相近。

作为本发明的进一步改进，所述发射光学单元还包括光阑，所述光阑设置在发射光路上设置于所述扩束镜的前端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种激光雷达透射式同轴收发光学系统，设置与接收光学单元和发射光学单元同轴设置的隔离装置，将接收光学单元所接收的光线与发射光学单元所发出的光线进行有效隔离，避免了接收光路和发射光路的互相干扰的问题。同时，在发射光路中设置了扩束镜，使得经激光器发射出的激光经过扩束镜和发射透镜组合后发出，由于扩束镜相对于发射透镜组合的直径小很多，从而进一步减少了探测盲区，可以将探测盲区控制于30m以内。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种激光雷达透射式同轴收发望远镜的结构示意图；

图2为图1提供的收发望远镜的收发光学系统的示意图；

图3为图2中特征部分的放大示意图。

图4为本发明另一实施例提供的收发望远镜的另一种收发光学系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“正方向”、“负方向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术方案的限制。

请参阅图1至图3所示，一种激光雷达透射式同轴收发望远镜100，包括设置于激光器座内的激光器1、设置于反光镜安装区域21内的反射镜2、设置于反射镜安装区域21前方的外镜筒4、位于望远镜100出射端且同轴设置于外镜筒4内部的内镜筒3、设置于内镜筒3内的发射光学单元a、设置于内镜筒3和外镜筒4之间的接收光学单元b、由激光器1的出口端延伸至内镜筒3的隔离装置5、用于进行光信号转换的信号处理系统6。

反射镜2设置于激光器1出口端的前方，安装于反射镜安装区域21内的反射镜座上。反射镜2呈45°角倾斜设置，且反射镜2的中心开设有通孔。

结合图4所示，在本实施例中，激光器1竖向设置，反射镜2和发射光学单元a均设置于激光器1出口端的前方，激光器1发出的光线沿直线穿过反射镜2。在其它可替换的实施例中，为更加合理地布局，减小望远镜100的体积，激光器1还可以横向设置，并在激光器1出口端的前方设置激光反射镜7，激光器1发出的光线通过激光反射镜7的反射后，经90°折角反射后穿过反射镜2，继而再经发射光学单元a的折射后出射。

隔离装置5和内镜筒3设置于望远镜100的中心且沿望远镜100的延伸方向延伸，由隔离装置5和内镜筒3的组合，在激光器1的前方隔离出光线发射区域。发射光学单元a即位于该光线发射区域内。发射光学单元a包括在发射光路上顺序排布的第一光阑31、扩束镜32、及发射透镜组合33。发射透镜组合33包括多个透镜，多个透镜同轴设置，透镜为凹透镜或者凸透镜。在本实施例中，发射透镜组合33包括第一凸透镜331、第一凹透镜332和第二凸透镜333，第一凸透镜331、第一凹透镜332和第二凸透镜333顺序叠加。优选的，第一凸透镜331、第一凹透镜332、第二凸透镜333的直径相等，扩束镜32的直径小于发射透镜组合33的直径；进一步的，第一凸透镜331和第二凸透镜333为双凸透镜，第一凹透镜332为双凹透镜，扩束镜32为双凹透镜。在本实施例中，隔离装置5为由碳纤维制成的遮光管。第一光阑31设置于隔离装置5的内侧，扩束镜32设置于内镜筒3内且靠近内镜筒3与隔离装置5的连接部分，发射透镜组合33设置于内镜筒3的内部且位于望远镜100的端部。扩束镜32和发射透镜组合33分别通过压圈和隔圈安装固定于内镜筒3，使其具有较高的光路稳定性。在一优选实施例中扩束镜32采用航空硅胶制成的压圈固定在内镜筒3中，进一步提高了光路的稳定性。

由外镜筒4和内镜筒3的组合，在激光器1的前方隔离出光线接收区域，即光线接收区域同轴设置于光线发射区域的外环，且由内镜筒3和隔离装置5进行防光线干涉的隔离。接收光学单元b即位于该光线接收区域内。接收光学单元b包括在接收光路上顺序排布的多个透镜，多个透镜同轴设置，透镜为凹透镜或者凸透镜。在本实施例中，接收透镜组合43包括第三凸透镜432和第二凹透镜431，优选的，第二凹透镜431的直径略小于第三凸透镜432的直径，进一步的，第三凸透镜432为双凸透镜，第二凹透镜431为弯月凹透镜。第三凸透镜432为环形，其设置于内镜筒3和外镜筒4之间且位于望远镜100的端部。第二凹透镜431为环形，其设置于内镜筒3和外镜筒4之间且位于接收光路的中部，在本实施例中，第二凹透镜431的位置靠近内镜筒3与隔离装置5的连接处。第三凸透镜432和第二凹透镜431分别通过压圈安装固定于内镜筒3和外镜筒4之间，使其具有较高的光路稳定性。

结合图4所示，在另一实施方式中，接收透镜组合43内设置有用于缩短接收光程的校正透镜433，具体的，在第三凸透镜432和第二凹透镜431之间设置环形的校正透镜433，其设置于内镜筒3和外镜筒4之间且位于望远镜100的端部，位于第三凸透镜432的下方。校正透镜433优选为双凸透镜。通过在接收透镜组合43内设置校正透镜433，大大压缩了接收光程，从而大大减小了望远镜100的体积。

在一实施例中，外镜筒4具体包括设置于望远镜100端部的大镜筒41、连接大镜筒41与反射镜安装架区域21的中间镜筒42。内镜筒3同轴设置于大镜筒41的内部且长度与大镜筒41相当，隔离装置5同轴设置于中间镜筒42的内部且长度与中间镜筒42相当。

信号处理系统6设置的位置相对于反射镜安装区域21与外镜筒4呈90°垂直状态。信号处理系统6包括光学检偏系统、光电探测系统和信号采集与分析系统，光学检偏系统中设置准直镜61及检偏棱镜62，通过准直镜61准直后，进一步通过检偏棱镜62将接收到的光路形成垂直的两个通道信号。

本发明提供的一种激光雷达透射式同轴收发望远镜100，公开了一种透射式同轴收发光学系统。将该透射式同轴收发光学系统应用于大气颗粒物的检测，具体工作原理如下：以采用532nm波长的脉冲激光对大气颗粒物进行遥感探测为例。由激光器1发出532nm波长的脉冲激光，脉冲激光经光线发射单元a准直扩束后进入大气，与大气中的颗粒物相互作用，产生后向散射光，散射信号被望远镜100的光学接收单元b接收，并经反射镜2反射后，汇聚至光学检偏系统，形成532nm平行、532nm垂直的两个通道信号，经光电探测系统和信号采集系统，由计算机反演出大气颗粒物的消光系数和退偏振度系数空间分布(廓线)，进而可获取大气颗粒物时空分布特征、污染层时空变化、颗粒物输送和沉降等大气质量信息。

本发明的一种激光雷达透射式同轴收发望远镜100，公开了一种透射式同轴收发光学系统，在发射透镜组合33的光路前端同轴设置扩束镜32，通过扩束镜32结合第三凸透镜432进行准直调校，使得望远镜100的同轴调校精度很高，调校精度可达2秒。通过在发射透镜组合33的光路前端设置扩束镜32，且扩束镜32相对于发射透镜组合33的直径小2/3以上，从而减小了探测盲区，再结合较高的同轴调校精度，可以将探测盲区控制在30m以内，且探测距离可以达到8-15km。

在一优选实施例中，本发明的同轴收发光学系统的主要光学性能设置如下：发射光学单元a的倍率γ设置为10，发射孔径d设置为36mm。接收光学单元b入瞳直径d外设置为180mm，入瞳直径d内设置为50mm，有效直径d设置为172.9mm，则对应的接收透镜组合43的镜头焦距f’为1500.3，接收物镜的镜片焦距1f’为1213.5，接收视场2ω设置为0.4mrad。准直镜61的镜头焦距f’为19.27。以该实施方式进行实施的同轴收发光学系统，其探测距离可以达到15km，盲区可缩小至30m。

设置校正透镜433可大大地压缩光程，减小同轴收发光学系统的体积，具体的，当不设置校正透镜433，接收光程d为750mm；当设置校正透镜433后，接收光程d可被压缩至360mm。

本发明提供的一种激光雷达透射式同轴收发望远镜100，公开了一种透射式同轴收发光学系统，设置与接收光学单元b和发射光学单元a同轴设置的隔离装置5，将接收光学单元b所接收的光线与发射光学单元a所发出的光线进行有效隔离，避免了接收光路和发射光路的互相干扰的问题。同时，在发射光路中设置了扩束镜32，使得经激光器1发射出的激光经过扩束镜32和发射透镜组合33后发出，由于扩束镜32相对于发射透镜组合33的直径小很多，从而进一步减少了探测盲区，再结合较高的同轴调校精度，可以将探测盲区控制在30m以内，且探测距离可以达到8-15km。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。