[發(fā)明專利]基于Scheimpflug原理的多波長偏振米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910223234.5
• 申請日: 2019-03-22
• 公開（公告）號: CN109917421B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 梅亮;孔政
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01N15/02;G01N15/06
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

1.一種基于Scheimpflug原理的多波長偏振米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述的多波長偏振米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光發(fā)射裝置、接收裝置和主控制器，所述激光發(fā)射裝置和所述接收裝置設(shè)置于連接板(45)的兩側(cè)，其中：

所述激光發(fā)射裝置包括設(shè)置于底板上的透鏡(1)、第一安裝支架(2)、透鏡安裝筒(3)、發(fā)射裝置第一二向色鏡(4)、發(fā)射裝置第一籠式立方體(5)、全反射鏡(6)、可調(diào)平臺調(diào)整架(7)、第二安裝支架(8)、遮光筒(9)、發(fā)射裝置第二二向色鏡(10)、旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)、探測器(12)、偏振分束器(13)、發(fā)射裝置第二籠式立方體(14)、LD I二極管激光器(15)、第一空心圓柱體(16)、第一xyz三軸位移平臺(17)、第二xyz三軸位移平臺(20)、零級半波片(21)、第二空心圓柱體(22)、LD II二極管激光器(23)、第三xyz三軸位移平臺(24)、LD III二極管激光器(25)、第一柱透鏡組(26)、第四xyz三軸位移平臺(33)、LD IV二極管激光器(34)和第二柱透鏡組(35)，其中，

所述透鏡安裝筒(3)通過所述第一安裝支架(2)固定在所述底板上，所述透鏡安裝筒(3)與所述遮光筒(9)垂直對接，兩者之間是連通、無遮擋的；

所述透鏡(1)安裝在所述透鏡安裝筒(3)的入口端，所述全反射鏡(6)安裝在所述遮光筒(9)內(nèi)且與水平線呈45度角，所述透鏡(1)的光軸與所述全反射鏡(6)的中心重合；

所述遮光筒(9)通過所述第二安裝支架(8)固定在所述底板上，所述全反射鏡(6)固定在所述可調(diào)平臺調(diào)整架(7)上，所述可調(diào)平臺調(diào)整架(7)固定在所述遮光筒(9)內(nèi)部，通過旋轉(zhuǎn)所述可調(diào)平臺調(diào)整架(7)上的兩個旋鈕對所述全反射鏡(6)的俯仰角、翻滾角進(jìn)行微調(diào)；

所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)設(shè)置在所述遮光筒(9)的出口端正下方，固定在底板上，所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)的左側(cè)面、上側(cè)面、下側(cè)面均為無遮擋面，因此與所述遮光筒(9)相通；

所述發(fā)射裝置第二二向色鏡(10)設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)中，并與水平線呈45度角，所述發(fā)射裝置第二二向色鏡(10)與所述全反射鏡(6)的傾斜方向相反；

所述全反射鏡(6)的中心與發(fā)射裝置第二二向色鏡(10)的中心的連線平行于底板，并且與透鏡(1)的主光軸互相垂直，通過所述透鏡安裝筒(3)、所述遮光筒(9)和所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)組成一個整體；

所述偏振分束器(13)固定在所述底板上，位于所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)正下方，所述偏振分束器(13)的中心位于全反射鏡(6)的中心與發(fā)射裝置第二二向色鏡(10)的中心連線的延長線上，所述偏振分束器(13)的反射面與該延長線成45度夾角并且平行于全反射鏡(6)的光學(xué)表面，所述偏振分束器(13)所在的發(fā)射裝置第二籠式立方體(14)的上側(cè)面、下側(cè)面、左側(cè)面和右側(cè)面均無遮擋，左側(cè)面的邊緣與探測器(12)相連接；

所述LD I二極管激光器(15)和所述LD II二極管激光器(23)的功率、發(fā)散角相同，其位置相互垂直并分別位于所述發(fā)射裝置第二籠式立方體(14)的右側(cè)面和下側(cè)面；

所述LDI二極管激光器(15)在近所述偏振分束器(13)的一端與所述第一空心圓柱體(16)相連接，所述第一空心圓柱體(16)在近所述偏振分束器(13)的一端與所述第一xyz三軸位移平臺(17)緊密連接，所述第一xyz三軸位移平臺(17)固定在底板上；

所述LD II二極管激光器(23)在近所述偏振分束器(13)的一端與所述第二空心圓柱體(22)相連接，所述第二空心圓柱體(22)在近所述偏振分束器(13)的一端與所述第二xyz三軸位移平臺(20)緊密連接，所述第二空心圓柱體(22)內(nèi)設(shè)置有零級半波片(21)，其旋轉(zhuǎn)角度為45度且緊固于所述第二空心圓柱體(22)內(nèi)，所述第二xyz三軸位移平臺(20)固定在所述底板上；

所述LD II二極管激光器(23)的中心、所述偏振分束器(13)的中心、所述發(fā)射裝置第二二向色鏡(10)及全反射鏡(6)的中心位于一條直線上，并且平行于底板；

所述LD I二極管激光器(15)的中心與所述偏振分束器(13)的中心所在直線平行于底板，并且與LD II二極管激光器(23)的中心和所述偏振分束器(13)的中心連線互相垂直；

所述LD I二極管激光器(15)發(fā)射的光束絕大部分被所述偏振分束器(13)反射并從所述發(fā)射裝置第二籠式立方體(14)上側(cè)面射出，少量激光經(jīng)左側(cè)面出射并由探測器(12)探測；所述LD II二極管激光器(23)發(fā)射的光束絕大部分從所述偏振分束器(13)透射并從所述發(fā)射裝置第二籠式立方體(14)上側(cè)面射出，少量激光從左側(cè)面出射并由探測器(12)探測；所述偏振分束器(13)將兩束光束耦合，并由所述發(fā)射裝置第二籠式立方體(14)的上側(cè)面發(fā)射至所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)的無遮擋的下側(cè)面；

所述發(fā)射裝置第一籠式立方體(5)固定在底板上，位于所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)的左側(cè)，所述發(fā)射裝置第一籠式立方體(5)內(nèi)設(shè)置有發(fā)射裝置第一二向色鏡(4)，所述發(fā)射裝置第一二向色鏡(4)與發(fā)射裝置第二二向色鏡(10)反射面平行，所述發(fā)射裝置第一籠式立方體(5)的左側(cè)面、右側(cè)面和下側(cè)面均無遮擋；

所述LDIII二極管激光器(25)和所述LDIV二極管激光器(34)的位置相互垂直，分別位于所述發(fā)射裝置籠式立方體(5)的下側(cè)面和左側(cè)面；

所述LDIII二極管激光器(25)在近所述發(fā)射裝置籠式立方體(5)的一端緊固有第一柱透鏡組(26)，所述第一柱透鏡組(26)在近所述發(fā)射裝置第一籠式立方體(5)的一端與所述第三xyz三軸位移平臺(24)連接，所述第三xyz三軸位移平臺(24)固定在所述底板上；

所述LDIV二極管激光器(34)在近所述發(fā)射裝置第一籠式立方體(5)的一端緊固有第二柱透鏡組(35)，所述第二柱透鏡組(35)在近所述發(fā)射裝置籠式立方體(5)的一端與所述第四xyz三軸位移平臺(33)連接，所述第四xyz三軸位移平臺(33)固定在所述底板上；

所述LD IV二極管激光器(34)的中心、所述第二柱透鏡組(35)的中心、所述發(fā)射裝置第一二向色鏡(4)的中心、所述發(fā)射裝置第二二向色鏡(10)的中心在同一條直線上且連線平行于底板和透鏡(1)的光軸；

所述LDIII二極管激光器(25)的中心、第一柱透鏡組(26)的中心和所述發(fā)射裝置第一二向色鏡(4)的中心在同一條直線上且連線平行于底板，垂直于透鏡(1)的光軸；

所述LDIII二極管激光器(25)發(fā)射的光束通過所述第一柱透鏡組(26)以及所述發(fā)射裝置籠式立方體(5)的無遮擋的下側(cè)面，傳遞至所述發(fā)射裝置第一二向色鏡(4)并呈90度角反射；

所述LDIV二極管激光器(34)發(fā)射的光束通過所述第二柱透鏡組(35)以及所述發(fā)射裝置籠式立方體(5)的無遮擋的左側(cè)面，傳遞至所述發(fā)射裝置第一二向色鏡(4)并透射，所述發(fā)射裝置第一二向色鏡(4)將兩光束耦合，并由發(fā)射裝置籠式立方體(5)的無遮擋的右側(cè)面?zhèn)鬟f至所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)的無遮擋的左側(cè)面，進(jìn)入所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)，所述LD I二極管激光器(15)和所述LD II二極管激光器(23)耦合的光束與所述LDIII二極管激光器(25)和所述LDIV二極管激光器(34)耦合的光束，經(jīng)所述發(fā)射裝置第二二向色鏡(10)耦合，并由所述旋轉(zhuǎn)式籠式立方體平臺(11)的無遮擋的上側(cè)面?zhèn)鬟f至所述全反射鏡(6)，并由全反射鏡(6)反射至所述透鏡(1)，從而發(fā)射到大氣中；

所述接收裝置包括焦比F4牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡(44)、CMOS I圖像傳感器(36)、CMOS II圖像傳感器(37)、第一三角支撐架(39)、第二三角支撐架(38)、線偏振片(40)、接收裝置二向色鏡(41)、接收裝置籠式立方體(42)、調(diào)焦旋鈕(43)，其中，

所述第一三角支撐架(39)的斜邊和所述第二三角支撐架(38)的斜邊分別作為所述CMOS I圖像傳感器(36)和所述CMOS II圖像傳感器(37)支撐邊，所述第一三角支撐架(39)和所述第二三角支撐架(38)一直角邊分別固定在所述接收裝置籠式立方體(42)上側(cè)面和左側(cè)面上，使得所述CMOS I圖像傳感器(36)和所述CMOS II圖像傳感器(37)均與所述焦比F4牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡(44)的光軸呈45度夾角設(shè)置；

所述接收裝置籠式立方體(42)的上側(cè)面、下側(cè)面和左側(cè)面無遮擋，所述線偏振片(40)固定在所述第一三角支撐架(39)的直角邊內(nèi)表面上，位于所述接收裝置籠式立方體(42)的上側(cè)面上方；所述接收裝置二向色鏡(41)與所述焦比F4牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡(44)的光軸呈45度夾角，設(shè)置在所述接收裝置籠式立方體(42)內(nèi)；所述CMOS I圖像傳感器(36)與所述接收裝置二向色鏡(41)的傾斜方向相反，所述接收裝置籠式立方體(42)的下側(cè)面與所述調(diào)焦旋鈕(43)連接，所述調(diào)焦旋鈕(43)設(shè)置于所述焦比F4牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡(44)側(cè)壁上；

所述焦比F4牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡(44)的光軸與透鏡(1)所在的光軸的距離為d₁＝806mm，滿足沙氏成像原理；所述焦比F4牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡(44)通過可調(diào)節(jié)旋鈕(46)固定在所述連接板(45)上，該可調(diào)節(jié)旋鈕(46)對所述焦比F4牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡(44)的俯仰角進(jìn)行0°～1°角度調(diào)節(jié)；

所述激光發(fā)射裝置的后向散射信號由所述焦比F4牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡(44)接收，通過所述接收裝置二向色鏡(41)分離，所述LD I二極管激光器(15)和LDII二極管激光器(23)的后向散射信號由所述接收裝置二向色鏡(41)透射，并經(jīng)過所述線偏振片(40)，進(jìn)而通過所述CMOS I圖像傳感器(36)探測，所述LDIII二極管激光器(25)和所述LDIV二極管激光器(34)的后向散射信號由接收裝置二向色鏡(41)反射，并由所述CMOSⅡ圖像傳感器(37)探測；

所述主控制器包括：計算機、第一溫控驅(qū)動板(27)、第二溫控驅(qū)動板(28)、第一LD電流驅(qū)動板(18)、第二LD電流驅(qū)動板(19)、第三LD電流驅(qū)動板(29)、第四LD電流驅(qū)動板(30)、約翰遜計數(shù)器(32)，其中

所述計算機作為各溫控驅(qū)動板、各LD電流驅(qū)動板和CMOS圖像傳感器的上位機，用以對各驅(qū)動閉環(huán)控制和采集圖像數(shù)據(jù)；

所述第一溫控驅(qū)動板(27)、所述第二溫控驅(qū)動板(28)、所述第一LD電流驅(qū)動板(18)、所述第二LD電流驅(qū)動板(19)、所述第三LD電流驅(qū)動板(29)、所述第四LD電流驅(qū)動板(30)和所述約翰遜計數(shù)器(32)均設(shè)置于所述激光發(fā)射裝置的底板上不影響光束傳遞的位置；

所述第一溫控驅(qū)動板(27)與所述LD I二極管激光器(15)和所述LD II二極管激光器(23)連接，用以控制所述LD I二極管激光器(15)和所述LD II二極管激光器(23)的溫度，所述第一溫控驅(qū)動板(27)與所述計算機連接，并且雙向通信；

所述第二溫控驅(qū)動板(28)與所述LD III二極管激光器(25)和所述LD IV二極管激光器(34)連接，用以控制所述LD III二極管激光器(25)和所述LD IV二極管激光器(34)的溫度，所述第二溫控驅(qū)動板(28)與所述計算機連接，并且雙向通信；

所述第一LD電流驅(qū)動板(18)、所述第二LD電流驅(qū)動板(19)、所述第三LD電流驅(qū)動板(29)、所述第四LD電流驅(qū)動板(30)分別對應(yīng)與所述LD I二極管激光器(15)、LD II二極管激光器(23)、LD III二極管激光器(25)和LD IV二極管激光器(34)相連接，以分別驅(qū)動各二極管激光器，所述第一LD電流驅(qū)動板(18)、所述第二LD電流驅(qū)動板(19)、所述第三LD電流驅(qū)動板(29)、所述第四LD電流驅(qū)動板(30)與所述計算機連接，并且雙向通信；

所述約翰遜計數(shù)器(32)與所述CMOS I圖像傳感器(36)和所述CMOS II圖像傳感器(37)連接，用以對所述CMOS I圖像傳感器(36)和所述CMOS II圖像傳感器(37)的觸發(fā)信號進(jìn)行分頻，被分頻的信號用以控制各二極管激光器的強度開關(guān)。