[實用新型]一種基于Y型光纖束的共軸微脈沖激光雷達(dá)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420131468.X
• 申請日: 2014-03-22
• 公開（公告）號: CN203745642U
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張?zhí)焓?/a>;呂立慧;方武;董云升;范廣強(qiáng);陳臻懿;亓少帥
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種激光雷達(dá)的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于Y型光纖束的共軸微脈沖激光雷達(dá)裝置。

背景技術(shù)

微脈沖激光雷達(dá)不僅能夠?qū)Υ髿鈿馊苣z特性進(jìn)行實時、全天候的監(jiān)測，與傳統(tǒng)激光雷達(dá)相比，還具有結(jié)構(gòu)緊湊、低發(fā)射能量、高時空分辨率等特點，能夠?qū)υ坪蜌馊苣z的光學(xué)特性的空間分布進(jìn)行有效的探測。微脈沖激光雷達(dá)一般由激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元和信號探測與采集單元3部分組成。

目前國內(nèi)外常用的微脈沖激光雷達(dá)的光學(xué)發(fā)射單元和接收單元常采用分置非共軸設(shè)計。圖3為一已有發(fā)明技術(shù)的基于光纖的非共軸微脈沖激光雷達(dá)，其公開在中國知識產(chǎn)權(quán)局，發(fā)明名稱為“一種半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見度儀”，發(fā)明公告號CN101581786，卷期號A25-46，發(fā)明人唐磊、岳斌等。該激光雷達(dá)采用收發(fā)分置離軸結(jié)構(gòu)，從脈沖半導(dǎo)體激光器發(fā)出的905nm激光經(jīng)耦合透鏡耦合進(jìn)第一耦合光纖，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束、準(zhǔn)直后射向大氣，后向散射回波信號經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡接收進(jìn)入第二耦合光纖，通過光電倍增管探測采集數(shù)據(jù)送入計算機(jī)處理。

這種收發(fā)分置非共軸系統(tǒng)避免了發(fā)射信號對接收信號的干擾，但相對獨立的發(fā)射單元不僅增加了系統(tǒng)的成本，還影響了整個系統(tǒng)的小型化；收發(fā)分置非共軸系統(tǒng)的另一個問題就是要調(diào)節(jié)發(fā)射和接收光路使之嚴(yán)格平行，否則將會出現(xiàn)測量誤差；此外，由于收發(fā)單元不共軸，存在探測盲區(qū)和過渡區(qū)，需要對幾何重疊因子進(jìn)行校正，增加了數(shù)據(jù)處理的難度。

如圖4所示，為另一已有技術(shù)的共軸微脈沖激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖。該激光雷達(dá)公開在“大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報”第1卷。47-52(2006)，論文題目為“掃描式微脈沖激光雷達(dá)的研制和應(yīng)用”，作者是張大毛、徐赤東等。該激光雷達(dá)利用與光軸成45°的全反射鏡的方法實現(xiàn)收發(fā)共軸設(shè)計。半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG激光器發(fā)射的532nm激光經(jīng)擴(kuò)束后，由全反射鏡反射至望遠(yuǎn)鏡次鏡背面，再由一全反射鏡反射使激光從望遠(yuǎn)鏡中心發(fā)出。后向散射回波信號被同一望遠(yuǎn)鏡接收并聚焦在微孔光闌中心，通過透鏡和窄帶干涉濾光片到達(dá)探測器。最終由計算機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，獲得大氣參數(shù)。

該激光雷達(dá)的不足在于：仍然存在收發(fā)光路的調(diào)平問題，增加的全反射鏡不僅增加了光路調(diào)節(jié)的復(fù)雜度，而且鏡子的調(diào)節(jié)架容易因溫度變化和機(jī)械振動等因素產(chǎn)生微量形變，很難保證收發(fā)光軸始終平行。因此系統(tǒng)機(jī)械穩(wěn)定性和可移動性不能滿足激光雷達(dá)常規(guī)運行需求。

目前存在的問題是在微脈沖激光雷達(dá)的體積較大、成本較高，很難得到推廣應(yīng)用。在實際安裝中，設(shè)計要求調(diào)節(jié)發(fā)射光路和接收光路嚴(yán)格平行，這給光路的調(diào)節(jié)帶來一定的難度，且激光雷達(dá)機(jī)械穩(wěn)定性和可移動性不能滿足激光雷達(dá)常規(guī)運行要求。

本實用新型具體是涉及一種通過一收發(fā)一體的Y型光纖束實現(xiàn)收發(fā)共軸的微脈沖激光雷達(dá)，實現(xiàn)接收的后向散射回波信號與發(fā)射信號的同軸接收，不僅降低了成本，提高了雷達(dá)結(jié)構(gòu)的緊湊性，而且有效解決了傳統(tǒng)激光雷達(dá)發(fā)射和接收光路的調(diào)節(jié)問題，避免了幾何重疊因子的影響，減小了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度。其主要用于大氣水平能見度的測量。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種基于收發(fā)一體的Y型光纖束的新型共軸微脈沖激光雷達(dá)，包括固體激光器、光束耦合器、收發(fā)一體Y型光纖束、準(zhǔn)直透鏡、卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡、窄帶干涉濾光片與后繼信號信號探測與采集單元，實現(xiàn)接收的后向散射回波信號與發(fā)射信號的同軸接收，以解決傳統(tǒng)非同軸激光雷達(dá)系統(tǒng)體積較大、成本較高、發(fā)射和接收光路的調(diào)節(jié)要求嚴(yán)格，以及系統(tǒng)機(jī)械穩(wěn)定性和可移動性不能滿足激光雷達(dá)常規(guī)運行需要等難題。

為解決上述問題，本實用新型的方案為：一種基于Y型光纖束的共軸微脈沖激光雷達(dá)裝置，包括：固體激光器、光束耦合器、收發(fā)一體Y型光纖束、準(zhǔn)直透鏡、卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡、濾光片與信號探測與采集單元。所述收發(fā)一體Y型光纖束的發(fā)射端A端由單根芯徑為400nm的石英光纖組成，接收端B端由8根芯徑為200nm的石英光纖組成，收發(fā)端C端發(fā)射光纖位于中心，外層8根接收光纖以發(fā)射光纖為圓心均勻排列。其中，在固體激光器出射光束的后繼光路上依次設(shè)置有光束耦合器、Y型光纖束的發(fā)射光纖、準(zhǔn)直透鏡。固體激光器出射光束經(jīng)光束耦合器耦合進(jìn)所述的Y型光纖束的發(fā)射端A，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后導(dǎo)入所述卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡，后向散射回波信號經(jīng)同一望遠(yuǎn)鏡接收聚集進(jìn)入Y型光纖束的收發(fā)端C的外層接收光纖，由接收光纖束傳輸并經(jīng)窄帶干涉濾光片濾除背景雜散光后進(jìn)入所述的信號探測和采集單元。