[發(fā)明專利]一種新型相干測風(fēng)激光雷達擴束器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410377136.4
• 申請日: 2014-08-01
• 公開（公告）號: CN104142498A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳和;董家寧;張寅超;陳思穎;郭磐
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種新型相干測風(fēng)激光雷達擴束器，屬于激光雷達探測大氣領(lǐng)域。

技術(shù)背景

大氣風(fēng)場對大氣物理、機場風(fēng)場、航天器的發(fā)射和運行、溫度、濕度的變化、天氣預(yù)報等的研究具有重要影響。相干測風(fēng)激光雷達是一種新型的測風(fēng)手段，利用多普勒原理、外差探測技術(shù)，采用激光作為探測光源，向大氣發(fā)射激光脈沖，接收大氣(氣溶膠粒子和大氣分子)的后向散射信號，通過分析發(fā)射激光的徑向多普勒頻移來反演風(fēng)速，其時間、空間分辨率高，探測得到的風(fēng)速誤差小，具有較高的機動性。

擴束器是相干測風(fēng)激光雷達的重要組成部分，其性能決定了激光雷達的探測精度。擴束器是能夠改變激光光束直徑和發(fā)散角的透鏡組件。從激光器發(fā)出的激光束具有一定的發(fā)散角，通過擴束器的調(diào)節(jié)使激光光束變?yōu)闇?zhǔn)直(平行)光束，才能利用聚焦鏡獲得細小的高功率密度光斑；通過擴束器能改變光束直徑以便用于不同的光學(xué)儀器設(shè)備。

相干測風(fēng)激光雷達中，為了高精度探測的需要，系統(tǒng)孔徑上需得到盡可能多的相干信號，發(fā)射比較大光束直徑至大氣中，為了降低望遠鏡的設(shè)計加工難度、削減成本，需要在激光器與望遠鏡之間加入擴束器，對激光束進行預(yù)擴束準(zhǔn)直。大氣(氣溶膠粒子和大氣分子)的后向散射信號通過望遠鏡后的光束直徑比較大，為了配合其它的光學(xué)器件，如耦合器，需要在望遠鏡后加入縮束器(擴束器倒置)，減小光束直徑。

現(xiàn)有擴束器鏡片數(shù)較多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、且光能損失嚴重。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有擴束器鏡片數(shù)較多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、且光能損失嚴重的缺陷，提出一種新型相干測風(fēng)激光雷達擴束器，最終得到一種體積緊湊、結(jié)構(gòu)簡單、光能損失少的相干測風(fēng)激光雷達擴束器。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

一種新型相干測風(fēng)激光雷達擴束器，其特征在于：包括1個輸入鏡和1個輸出鏡；入射光經(jīng)過輸入鏡發(fā)散、擴束到達輸出鏡，經(jīng)過輸出鏡對光束準(zhǔn)直、壓縮發(fā)散角，出光角度近似平行光出射。

所述輸入鏡為前表面為凹球面、后表面為平面的平凹透鏡；

所述輸出鏡為前表面為平面、后表面為凸球面的平凸透鏡。

有益效果：

對比現(xiàn)有擴束器，本發(fā)明采用1個平凹透鏡和1個平凸透鏡組合，減少了光能損失，提高了光能利用率和準(zhǔn)直效果；使得該擴束器光學(xué)系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡單，光能利用率高，穩(wěn)定性高，成本低，解決了現(xiàn)有擴束器鏡片數(shù)較多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、光能損失嚴重等問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的新型相干激光測風(fēng)雷達擴束器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中的新型相干激光測風(fēng)雷達擴束器的原理示意圖；

圖3為本發(fā)明中的新型相干激光測風(fēng)雷達擴束器的光路圖；

圖4為本發(fā)明中的新型相干激光測風(fēng)雷達擴束器的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線圖；

圖5為本發(fā)明中的新型相干激光測風(fēng)雷達擴束器的波前差圖；

附圖標(biāo)記：1-輸入鏡、2-輸出鏡。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施方式詳細介紹本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種新型相干測風(fēng)激光雷達擴束器由一個平凹透鏡作為輸入鏡1和一個平凸透鏡作為輸出鏡2組成，對激光器發(fā)射的光進行壓縮發(fā)散角，準(zhǔn)直擴束，減少了光能損失，提高了激光的利用率。該擴束器光學(xué)系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡單，光能利用率高，穩(wěn)定性高，成本低。

如圖2所示為擴束器的工作原理圖，可以看出擴束器通常包括一個輸入負透鏡和一個輸出正透鏡。輸入鏡將一個虛焦點光束傳送給輸出鏡，兩個透鏡是虛共焦結(jié)構(gòu)。輸入鏡將入射的激光束聚焦在前焦平面上(虛焦點)，新的束腰ω'₀和發(fā)散角θ'為

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