[發(fā)明專(zhuān)利]一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910086192.1
• 申請(qǐng)日: 2009-06-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101576620A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張寅超;陳思穎;藍(lán)天;倪國(guó)強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S7/481
• 分類(lèi)號(hào): G01S7/481;G01S17/95
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專(zhuān)利中心
• 代理人: 張利萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)工程中的激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種非同軸激光雷達(dá)的三維掃描裝置。

背景技術(shù)

激光雷達(dá)技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外普遍重視的研究?jī)?nèi)容，在大氣參數(shù)和大氣污染探測(cè)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。激光雷達(dá)用于大氣參數(shù)和大氣污染探測(cè)，具有探測(cè)范圍大、精度高、實(shí)時(shí)性好、能獲取三維空間分布數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有不可替代的優(yōu)越性。

目前，采用激光雷達(dá)對(duì)大氣參數(shù)和大氣污染三維空間分布進(jìn)行探測(cè)，一般采用如下兩種方式：

第一種方式如文獻(xiàn)“AML-1車(chē)載式大氣污染監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)樣機(jī)研制，光學(xué)學(xué)報(bào)，2004年24卷第8期1025-1031頁(yè)”中所描述的掃描測(cè)量方法。該方法中，激光雷達(dá)除潛望式三維掃描系統(tǒng)外，多安裝在車(chē)載式或固定的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其大氣參數(shù)和大氣污染三維空間分布探測(cè)是通過(guò)潛望式三維掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。但該方法中，激光雷達(dá)的發(fā)射激光束與接收望遠(yuǎn)鏡光軸的距離小于接收望遠(yuǎn)鏡的半徑，這樣激光雷達(dá)的發(fā)射激光束在很近的距離就會(huì)進(jìn)入激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡的接收視場(chǎng)內(nèi)，導(dǎo)致激光雷達(dá)的最大探測(cè)范圍較小。這是因?yàn)榧す饫走_(dá)的回波信號(hào)與距離平方成反比。例如，在略去大氣衰減和雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，對(duì)相同大氣情況，30000米處的回波信號(hào)將比80米處的回波信號(hào)小1.4×10⁵倍。如此大的回波信號(hào)強(qiáng)度差別，將給雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)接收部分帶來(lái)很高的技術(shù)難度，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，采用一個(gè)光電探測(cè)器及信號(hào)采集器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度、高距離分辨率和高可靠性探測(cè)的。這是因?yàn)楫?dāng)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍如此大時(shí)，信號(hào)探測(cè)部分難以保持其線性度，且在高速數(shù)據(jù)采集情況下，其信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換的高精度也是難以實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于上述激光雷達(dá)難以進(jìn)行大距離范圍探測(cè)的問(wèn)題，可采用增大潛望式三維掃描機(jī)構(gòu)通光口徑，并且使激光雷達(dá)發(fā)射激光束與接收望遠(yuǎn)鏡光軸的距離大于接收望遠(yuǎn)鏡半徑的辦法來(lái)加以克服，但增大潛望式三維掃描機(jī)構(gòu)通光口徑又將會(huì)使激光雷達(dá)的制造成本及體積大大增加。

第二種方式如文獻(xiàn)“小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007年23卷第1期1-5頁(yè)”中所描述的掃描測(cè)量方法。該方法中，激光雷達(dá)的激光光源和接收望遠(yuǎn)鏡一般直接連接固定在一起，或都固定在一個(gè)平臺(tái)上。其大氣參數(shù)和大氣污染三維空間分布探測(cè)是通過(guò)三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接使激光光源和接收望遠(yuǎn)鏡一起進(jìn)行三維掃描轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行大范圍三維掃描測(cè)量時(shí)，激光光源和接收望遠(yuǎn)鏡必須置于室外。由于一些高環(huán)境要求的激光光源和接收望遠(yuǎn)鏡在惡劣環(huán)境中使用是不合適的，這樣激光雷達(dá)的應(yīng)用將受到環(huán)境限制。此外，由于激光光源和接收望遠(yuǎn)鏡需一起進(jìn)行三維轉(zhuǎn)動(dòng)，這對(duì)于大距離范圍探測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)并不適合，因?yàn)榇缶嚯x范圍探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)需較大口徑的接收望遠(yuǎn)鏡和較大功率的激光器，而較大功率的激光器和大口徑接收望遠(yuǎn)鏡的重量和體積多很大，這將直接要求實(shí)現(xiàn)激光光源和接收望遠(yuǎn)鏡高精度掃描的三維轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)有很大的承載能力，并且具有很高的方位和俯仰掃描精度，因而其制造費(fèi)用將大大提高，并且轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中大功率激光器的運(yùn)行穩(wěn)定性也較難保證。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有大氣參數(shù)和大氣污染三維空間分布探測(cè)激光雷達(dá)三維掃描裝置的局限性，提供一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置。該裝置在不增大潛望式三維掃描系統(tǒng)通光口徑的情況下，能使激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)較大距離范圍的三維空間掃描測(cè)量，并且激光雷達(dá)的接收望遠(yuǎn)鏡和激光光源都可安裝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在測(cè)量時(shí)不需三維轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置可以廣泛用于大氣探測(cè)三維空間掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)中，尤其是對(duì)一些掃描要求高的激光雷達(dá)系統(tǒng)中。

一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置，包括方位掃描機(jī)構(gòu)，俯仰掃描機(jī)構(gòu)，以及光束平移機(jī)構(gòu)，其中：

1)方位掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)探測(cè)方位掃描

方位掃描機(jī)構(gòu)包括一塊平面反射鏡和方位旋轉(zhuǎn)箱體，平面反射鏡置于方位旋轉(zhuǎn)箱體中部，方位旋轉(zhuǎn)箱體的入射端口和出射端口即為方位掃描機(jī)構(gòu)的入射端口和出射端口，并且入射端口和出射端口分別與方位掃描機(jī)構(gòu)的入射光軸和出射光軸垂直；方位旋轉(zhuǎn)箱體的入射端口光軸與出射端口光軸垂直，它們與平面反射鏡的夾角都為45°，并都通過(guò)平面反射鏡反射面的中心點(diǎn)；平面反射鏡對(duì)方位旋轉(zhuǎn)箱體入射端口與出射端口的投影直徑大小相等，并小于方位掃描機(jī)構(gòu)的入射端口和出射端口口徑；

2)俯仰掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)探測(cè)俯仰掃描