專利名稱：激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境科學(xué)、激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光雷達(dá)對(duì)稱分布式
光束發(fā)射接收方法與裝置。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)是迅速發(fā)展的高新技術(shù)之一，是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合 的產(chǎn)物。激光雷達(dá)向大氣中發(fā)射激光脈沖，通過(guò)接收大氣分子或氣溶膠顆粒物與激光相 互作用后的后向散射回波信息進(jìn)行大氣光學(xué)特性與污染物時(shí)空分布的測(cè)量研究，依此分 析大氣能見(jiàn)度、氣溶膠顆粒物時(shí)空分布和時(shí)空變化、云底云高、邊界層高度、氣溶膠顆 粒物特性以及水汽、臭氧等的空間分布特征。 目前對(duì)于多波長(zhǎng)激光雷達(dá)，均使用一個(gè)光束輸出裝置向大氣中發(fā)射多個(gè)激光波 長(zhǎng)(多個(gè)激光波長(zhǎng)由一個(gè)激光器發(fā)出或者由多臺(tái)激光器發(fā)出后整合成一束)，由于不同波 長(zhǎng)激光的折射率和發(fā)散角不同， 一臺(tái)激光器輸出的多個(gè)激光波長(zhǎng)也就存在著光束發(fā)散角 的不同，以及不同波長(zhǎng)激光光束并不能實(shí)現(xiàn)真正的同軸，即光學(xué)輸出鏡片對(duì)不同激光波 長(zhǎng)產(chǎn)生的不同折射率導(dǎo)致了激光束在遠(yuǎn)距離上的分離。因此對(duì)于發(fā)射與接收光學(xué)系統(tǒng)而 言，并不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的同軸。 無(wú)論是發(fā)射光束與接收光束同軸的激光雷達(dá)還是發(fā)射光束與接收光束的離軸的 激光雷達(dá)，對(duì)于多波長(zhǎng)激光雷達(dá)采用同一個(gè)光束發(fā)射裝置均難以實(shí)現(xiàn)收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的同 軸。 為了進(jìn)行數(shù)據(jù)間的比對(duì)與聯(lián)合分析，就要求數(shù)據(jù)具有可比性，由于不同激光波 長(zhǎng)的折射率與發(fā)散角的不同，在同一光束輸出的情況下，收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)將具有不同的重 疊修正系數(shù)，因此，單一光束發(fā)射并不能保證不同激光波長(zhǎng)下系統(tǒng)的重疊修正系數(shù)相同 或者說(shuō)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光波長(zhǎng)發(fā)射光束與接收光學(xué)系統(tǒng)光軸真正的平行；由于收發(fā)光學(xué) 系統(tǒng)幾何關(guān)系上的確定性，重疊修正系數(shù)只能近似的為某一個(gè)波長(zhǎng)上的計(jì)算結(jié)果，以進(jìn) 行數(shù)據(jù)的比較與結(jié)果分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收方法與 裝置，實(shí)現(xiàn)易于多波長(zhǎng)激光雷達(dá)多個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射光束與接收光學(xué)系統(tǒng)光軸平行校準(zhǔn)的方法 與系統(tǒng)，發(fā)展真正意義上的收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)同軸或光軸完全平行，來(lái)保證數(shù)據(jù)的可比性。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為 —種激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收裝置，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收 系統(tǒng)以及控制、采集處理和顯示系統(tǒng)，其特征在于所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括有激光器， 激光接收系統(tǒng)包括有望遠(yuǎn)鏡，激光器前方設(shè)有反射鏡l，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)反射鏡l 反射后，經(jīng)過(guò)反射鏡2對(duì)355nm激光反射，對(duì)1064nm與532nm激光透射；355nm激光反 射后，再經(jīng)過(guò)第二擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后從反射鏡5反射向大氣；透射的532nm激光經(jīng)過(guò)反射鏡3反射后，經(jīng)過(guò)第一擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束從反射鏡4反射向大氣；透射的1064nm激光經(jīng)過(guò)反 射鏡3透射出去；所述的反射鏡2、 3、 4、 5相互平行設(shè)置，從反射鏡5與反射鏡4反射 的激光束分別與望遠(yuǎn)鏡的光軸平行，且對(duì)稱分布于望遠(yuǎn)鏡光軸兩側(cè)；所述望遠(yuǎn)鏡的鏡筒 中部有聚焦鏡，鏡筒內(nèi)后端安裝有弧面反射鏡，弧面反射鏡及望遠(yuǎn)鏡后端中央有開(kāi)孔， 望遠(yuǎn)鏡的鏡筒后端開(kāi)孔后的光路上依次設(shè)置有光欄、光束準(zhǔn)直透鏡、分光器和光電探測(cè) 器；望遠(yuǎn)鏡接收到的大氣后向散射光進(jìn)入鏡筒后，再經(jīng)過(guò)弧面反射鏡反射到聚焦鏡上， 聚焦鏡反射的光從弧面反射鏡中央開(kāi)孔出射，經(jīng)過(guò)光欄、光束準(zhǔn)直透鏡、分光器得到單 一波長(zhǎng)光，再由光電探測(cè)器接收，光電探測(cè)器的信號(hào)輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示 系統(tǒng)。 所述激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收的方法，其特征在于激光器發(fā)出的激 光經(jīng)過(guò)反射鏡1反射后，經(jīng)過(guò)反射鏡2對(duì)355nm激光反射，對(duì)1064nm與532nm激光 透射；355nm激光反射后，再經(jīng)過(guò)第二擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后從反射鏡5反射向大氣；透射的 532nm激光經(jīng)過(guò)反射鏡3反射后，經(jīng)過(guò)第一擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束從反射鏡4反射向大氣；透射的 1064nm激光經(jīng)過(guò)反射鏡3透射出去；望遠(yuǎn)鏡接收到的大氣后向散射光進(jìn)入鏡筒后，再經(jīng) 過(guò)弧面反射鏡反射到聚焦鏡上，聚焦鏡反射鏡比弧面反射鏡中央開(kāi)孔出射，經(jīng)過(guò)光欄、 光束準(zhǔn)直透鏡、分光器得到各個(gè)單一波長(zhǎng)光，再由不同的光電探測(cè)器接收，各光電探測(cè) 器的信號(hào)輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)。 所述控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)輸出控制信號(hào)分別給激光器、分光器和光 電倍增管。 所述發(fā)射的激光束與望遠(yuǎn)鏡的光軸的平行校準(zhǔn)方法為 (1)、激光器發(fā)射激光，選定需要校準(zhǔn)的設(shè)定波長(zhǎng)的發(fā)射激光束與望遠(yuǎn)鏡光軸的 平行關(guān)系，通過(guò)反射鏡4或5反射該波長(zhǎng)激光束到大氣中，在望遠(yuǎn)鏡接收到后向散射光的 回波信號(hào)中選擇2-3Km范圍內(nèi)的一段回波信號(hào)強(qiáng)度，取其平均值作為信號(hào)強(qiáng)弱的依據(jù)；
(2)、通過(guò)調(diào)整該發(fā)射與反射校準(zhǔn)波長(zhǎng)的激光束的反射鏡空間位置，改變發(fā)射的 激光束與望遠(yuǎn)鏡光軸之間的距離關(guān)系，即平行與非平行關(guān)系； (3)、在調(diào)整該發(fā)射與反射校準(zhǔn)波長(zhǎng)的激光束的反射鏡空間位置同時(shí)，觀察回波 信號(hào)的強(qiáng)度，或者2 3Km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的平均值，并計(jì)算每次調(diào)整后平均值的大 小、誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏差，同時(shí)顯示回波信號(hào)強(qiáng)度、2 3Km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的平均值、每 次調(diào)整后的誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏差； (4)、當(dāng)回波信號(hào)強(qiáng)度或者2 3Km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的平均值達(dá)到最大值時(shí)，即
發(fā)射的激光束與望遠(yuǎn)鏡的光軸已調(diào)到平行。 本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明的系統(tǒng)采用多個(gè)波長(zhǎng)光束的獨(dú)立發(fā)射設(shè)計(jì)與接收方法，去除了不同波長(zhǎng) 激光束由于發(fā)散角和折射率的不同所造成的對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)了不同激光 波長(zhǎng)下的系統(tǒng)重疊系數(shù)的計(jì)算，發(fā)展了真正意義上的收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)同軸或光軸完全平 行，保證了數(shù)據(jù)的可比性，為激光雷達(dá)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與實(shí)際應(yīng)用提供了方法，系統(tǒng)中不 同激光波長(zhǎng)光束的獨(dú)立發(fā)射，能夠在可視化的軟件界面下完成調(diào)試，使得普通的操作人 員均能夠完成系統(tǒng)的操作與維護(hù)，不需要借助于精密的測(cè)量?jī)x器與專業(yè)技術(shù)人員便能實(shí) 現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明激光發(fā)射系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1， 一種激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收裝置，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、 激光接收系統(tǒng)以及控制、采集處理和顯示系統(tǒng)，激光發(fā)射系統(tǒng)包括有激光器6，激光接收 系統(tǒng)包括有望遠(yuǎn)鏡7，激光器6前方設(shè)有反射鏡1，激光器6發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)反射鏡1反 射后，經(jīng)過(guò)反射鏡2對(duì)355nm激光反射，對(duì)1064nm與532nm激光透射；355nm激光反 射后，再經(jīng)過(guò)第二擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束9后從反射鏡5反射向大氣；透射的532nm激光經(jīng)過(guò)反 射鏡3反射后，經(jīng)過(guò)第一擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束8從反射鏡4反射向大氣；透射的1064nm激光經(jīng) 過(guò)反射鏡3透射出去；反射鏡2、 3、 4、 5相互平行設(shè)置，從反射鏡5與反射鏡4反射的 激光束分別與望遠(yuǎn)鏡7的光軸平行，且對(duì)稱分布于望遠(yuǎn)鏡7光軸兩側(cè)；望遠(yuǎn)鏡7的鏡筒中 部有聚焦鏡IO，鏡筒內(nèi)后端安裝有弧面反射鏡ll，弧面反射鏡11及望遠(yuǎn)鏡7后端中央有 開(kāi)孔，望遠(yuǎn)鏡7的鏡筒后端開(kāi)孔后的光路上依次設(shè)置有光欄12、光束準(zhǔn)直透鏡13、分光 器14和光電探測(cè)器15;望遠(yuǎn)鏡7接收到的大氣后向散射光進(jìn)入鏡筒后，再經(jīng)過(guò)弧面反射 鏡11反射到聚焦鏡10上，聚焦鏡10反射的光從弧面反射鏡11中央開(kāi)孔出射，經(jīng)過(guò)光欄 12、光束準(zhǔn)直透鏡13、分光器14得到單一波長(zhǎng)光，再由光電探測(cè)器15(根據(jù)不同波長(zhǎng)光 的束數(shù)，設(shè)置多個(gè)，同時(shí)增設(shè)一個(gè)，接收355nm光)接收，光電探測(cè)器15的信號(hào)輸出到 控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)16。 激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收的方法為激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)反射鏡1 反射后，經(jīng)過(guò)反射鏡2對(duì)355nm激光反射，對(duì)1064nm與532nm激光透射；355nm激光 反射后，再經(jīng)過(guò)第二擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后從反射鏡5反射向大氣；透射的532nm激光經(jīng)過(guò)反 射鏡3反射后，經(jīng)過(guò)第一擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束從反射鏡4反射向大氣；透射的1064nm激光經(jīng)過(guò) 反射鏡3透射出去；從反射鏡5與反射鏡4反射的激光束分別與望遠(yuǎn)鏡的光軸平行，且對(duì) 稱分布于望遠(yuǎn)鏡光軸兩側(cè)；望遠(yuǎn)鏡接收到的大氣后向散射光進(jìn)入鏡筒后，再經(jīng)過(guò)弧面反 射鏡反射到聚焦鏡上，聚焦鏡反射的光從弧面反射鏡中央開(kāi)孔出射，經(jīng)過(guò)光欄、光束準(zhǔn) 直透鏡、分光器得到355nm、 532nm單一波長(zhǎng)光，再由三個(gè)光電探測(cè)器接收，分別探測(cè) 355nm、 532nm和387nm光(大氣中氮?dú)夥肿訉?duì)355nm激光的拉曼散射)；各光電探測(cè)器 的信號(hào)輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)，控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)輸出控 制信號(hào)分別給激光器、分光器和光電倍增管。
發(fā)射的激光束與望遠(yuǎn)鏡的光軸的平行校準(zhǔn)方法為 (1)、激光器發(fā)射激光，選定需要校準(zhǔn)的設(shè)定波長(zhǎng)的發(fā)射激光束與望遠(yuǎn)鏡光軸的 平行關(guān)系，通過(guò)反射鏡4或5反射該波長(zhǎng)激光束到大氣中，在望遠(yuǎn)鏡接收到后向散射光的 回波信號(hào)中選擇2-3Km范圍內(nèi)的一段回波信號(hào)強(qiáng)度，取其平均值作為信號(hào)強(qiáng)弱的依據(jù)；
(2)、通過(guò)調(diào)整該發(fā)射與反射校準(zhǔn)波長(zhǎng)的激光束的反射鏡空間位置，改變發(fā)射的 激光束與望遠(yuǎn)鏡光軸之間的距離關(guān)系，即平行與非平行關(guān)系； (3)、在調(diào)整該發(fā)射與反射校準(zhǔn)波長(zhǎng)的激光束的反射鏡空間位置同時(shí)，觀察回波信號(hào)的強(qiáng)度，或者2 3Km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的平均值，并計(jì)算每次調(diào)整后平均值的大 小、誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏差，同時(shí)顯示回波信號(hào)強(qiáng)度、2 3Km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的平均值、每 次調(diào)整后的誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏差； (4)、當(dāng)回波信號(hào)強(qiáng)度或者2 3Km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的平均值達(dá)到最大值時(shí)，即 發(fā)射的激光束與望遠(yuǎn)鏡的光軸已調(diào)到平行。
權(quán)利要求
一種激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收裝置，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)以及控制、采集處理和顯示系統(tǒng)，其特征在于所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括有激光器，激光接收系統(tǒng)包括有望遠(yuǎn)鏡，激光器前方設(shè)有反射鏡1，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)反射鏡1反射后，經(jīng)過(guò)反射鏡2對(duì)355nm激光反射，對(duì)1064nm與532nm激光透射；355nm激光反射后，再經(jīng)過(guò)第二擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后從反射鏡5反射向大氣；透射的532nm激光經(jīng)過(guò)反射鏡3反射后，經(jīng)過(guò)第一擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束從反射鏡4反射向大氣；透射的1064nm激光經(jīng)過(guò)反射鏡3透射出去；所述的反射鏡2、3、4、5相互平行設(shè)置，從反射鏡5與反射鏡4反射的激光束分別與望遠(yuǎn)鏡的光軸平行，且對(duì)稱分布于望遠(yuǎn)鏡光軸兩側(cè)；所述望遠(yuǎn)鏡的鏡筒中部有聚焦鏡，鏡筒內(nèi)后端安裝有弧面反射鏡，弧面反射鏡及望遠(yuǎn)鏡后端中央有開(kāi)孔，望遠(yuǎn)鏡的鏡筒后端開(kāi)孔后的光路上依次設(shè)置有光欄、光束準(zhǔn)直透鏡、分光器和光電探測(cè)器；望遠(yuǎn)鏡接收到的大氣后向散射光進(jìn)入鏡筒后，再經(jīng)過(guò)弧面反射鏡反射到聚焦鏡上，聚焦鏡反射的光弧面反射鏡中央開(kāi)孔出射，經(jīng)過(guò)光欄、光束準(zhǔn)直透鏡、分光器得到各個(gè)單一波長(zhǎng)光，再由不同的光電探測(cè)器接收，各光電探測(cè)器的信號(hào)輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)。
2. —種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收的方法，其特征在于 激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)反射鏡1反射后，經(jīng)過(guò)反射鏡2對(duì)355nm激光反射，對(duì)1064nm與 532nm激光透射；355nm激光反射后，再經(jīng)過(guò)第二擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后從反射鏡5反射向大 氣；透射的532nm激光經(jīng)過(guò)反射鏡3反射后，經(jīng)過(guò)第一擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束從反射鏡4反射向 大氣；透射的1064nm激光經(jīng)過(guò)反射鏡3透射出去；望遠(yuǎn)鏡接收到的大氣后向散射光進(jìn)入 鏡筒后，再經(jīng)過(guò)弧面反射鏡反射到聚焦鏡上，聚焦鏡反射的光從弧面反射鏡中央開(kāi)孔出 射，經(jīng)過(guò)光欄、光束準(zhǔn)直透鏡、分光器得到各個(gè)單一波長(zhǎng)光，再由不同的光電探測(cè)器接 收，各光電探測(cè)器的信號(hào)輸出到控制、數(shù)據(jù)采集處理和顯示系統(tǒng)，所述控制、數(shù)據(jù)采集 處理和顯示系統(tǒng)輸出控制信號(hào)分別給激光器、分光器和光電倍增管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收的方法，其特征在于所 述發(fā)射的激光束與望遠(yuǎn)鏡的光軸的平行校準(zhǔn)方法為(1) 、激光器發(fā)射激光，選定需要校準(zhǔn)的設(shè)定波長(zhǎng)的發(fā)射激光束與望遠(yuǎn)鏡光軸的平行 關(guān)系，通過(guò)反射鏡4或5反射該波長(zhǎng)激光束到大氣中，在望遠(yuǎn)鏡接收到后向散射光的回波 信號(hào)中選擇2 3Km范圍內(nèi)的一段回波信號(hào)強(qiáng)度，取其平均值作為信號(hào)強(qiáng)弱的依據(jù)；(2) 、通過(guò)調(diào)整該發(fā)射與反射校準(zhǔn)波長(zhǎng)的激光束的反射鏡空間位置，改變發(fā)射的激光 束與望遠(yuǎn)鏡光軸之間的距離關(guān)系，即平行與非平行關(guān)系；(3) 、在調(diào)整該發(fā)射與反射校準(zhǔn)波長(zhǎng)的激光束的反射鏡空間位置同時(shí)，觀察回波信號(hào) 的強(qiáng)度，或者2 3Km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的平均值，并計(jì)算每次調(diào)整后平均值的大小、誤 差與標(biāo)準(zhǔn)偏差，同時(shí)顯示回波信號(hào)強(qiáng)度、2 3Km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的平均值、每次調(diào)整 后的誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏差；(4) 、當(dāng)回波信號(hào)強(qiáng)度或者2 3Km范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的平均值達(dá)到最大值時(shí)，即發(fā)射 的激光束與望遠(yuǎn)鏡的光軸已調(diào)到平行。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光雷達(dá)對(duì)稱分布式光束發(fā)射接收方法與裝置，系統(tǒng)采用多個(gè)波長(zhǎng)光束的獨(dú)立發(fā)射設(shè)計(jì)與接收方法，去除了不同波長(zhǎng)激光束由于發(fā)散角和折射率的不同所造成的對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)了不同激光波長(zhǎng)下的系統(tǒng)重疊系數(shù)的計(jì)算，發(fā)展了真正意義上的收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)同軸或光軸完全平行，保證了數(shù)據(jù)的可比性，為激光雷達(dá)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與實(shí)際應(yīng)用提供了方法，系統(tǒng)中不同激光波長(zhǎng)光束的獨(dú)立發(fā)射，能夠在可視化的軟件界面下完成調(diào)試，使得普通的操作人員均能夠完成系統(tǒng)的操作與維護(hù)，不需要借助于精密的測(cè)量?jī)x器與專業(yè)技術(shù)人員便能實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01S7/483GK101692126SQ20091018515
公開(kāi)日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者劉建國(guó), 劉文清, 劉誠(chéng), 司福祺, 張?zhí)焓? 張玉鈞, 董云升, 謝品華, 趙南京, 趙雪松, 陸亦懷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所