一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，包括收發(fā)一體同軸光纖束和施密特?卡塞格林望遠(yuǎn)鏡；所述收發(fā)一體同軸光纖束包括發(fā)射光纖和接收光纖，所述發(fā)射光纖由單根石英光纖組成，所述接收光纖由若干根石英光纖組成，收發(fā)一體同軸光纖束的前部分的發(fā)射光纖和接收光纖分開(kāi)，收發(fā)一體同軸光纖束的后部分發(fā)射光纖位于中心，外層若干根接收光纖以發(fā)射光纖為圓心均勻排列；所述收發(fā)一體同軸光纖束后端部分連接望遠(yuǎn)鏡。優(yōu)點(diǎn)：降低了成本，消除了球面像差的影響，對(duì)視場(chǎng)、近焦能力和便攜性有顯著提高，增強(qiáng)了激光雷達(dá)的穩(wěn)定性和緊湊性，可使激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀體積減小、重量減輕、結(jié)構(gòu)更加緊湊。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種激光能見(jiàn)度儀光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)，屬于激光能見(jiàn)度儀技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)是繼透射式、散射式能見(jiàn)度儀后出現(xiàn)的一種新型的能見(jiàn)度觀測(cè)工具，其主要通過(guò)直接探測(cè)激光與大氣相互作用的后向散射信號(hào)定量計(jì)算大氣能見(jiàn)度。其中，微脈沖激光雷達(dá)與傳統(tǒng)的激光雷達(dá)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、低發(fā)射能量、高時(shí)空分辨率等優(yōu)點(diǎn)，可以用于對(duì)云和氣溶膠的光學(xué)特性的空間分布進(jìn)行有效的探測(cè)。微脈沖激光雷達(dá)一般由激光發(fā)射模塊、光學(xué)接受模塊和信號(hào)采集與處理模塊三個(gè)部分組成。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外的微脈沖激光雷達(dá)的光學(xué)發(fā)射模塊和接收模塊的設(shè)計(jì)有兩種結(jié)構(gòu):非共軸與共軸。常見(jiàn)的收發(fā)非共軸系統(tǒng)如圖5所示，該激光雷達(dá)系統(tǒng)避免了發(fā)射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的干擾，但相對(duì)獨(dú)立的發(fā)射單元不僅增加了系統(tǒng)的成本，還影響系統(tǒng)的小型化。此外，非共軸系統(tǒng)需要嚴(yán)格保證發(fā)射和接收光路的平行，否則會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)失真，同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)還存在探測(cè)盲區(qū)和過(guò)渡區(qū)，需要校正幾何重疊因子，增加了數(shù)據(jù)處理的難度。
[0004]現(xiàn)有的基于同軸結(jié)構(gòu)的微脈沖激光雷達(dá)，體積較大，成本較高，限制了其應(yīng)用范圍。圖6為已有技術(shù)的基于光纖的共軸微脈沖激光雷達(dá)。該激光雷達(dá)通過(guò)收發(fā)一體的Y型光纖束，實(shí)現(xiàn)收發(fā)共軸。激光器發(fā)出的光耦合進(jìn)Y型光纖束的發(fā)射端，經(jīng)準(zhǔn)直、擴(kuò)束后由望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行發(fā)射，后向散射回波信號(hào)由望遠(yuǎn)鏡接收，聚焦耦合進(jìn)入接收光纖，經(jīng)窄帶濾光片濾除背景雜光后，通過(guò)光電倍增管探測(cè)信號(hào)并送入光子計(jì)數(shù)采集卡，最后將信號(hào)送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)并處理。其不足在于:該微脈沖激光雷達(dá)裝置仍存在體積較大，成本較高的問(wèn)題，在Y型收發(fā)一體的光纖束的設(shè)計(jì)上，各端口交接處，光的傳輸損耗較大，并且該裝置采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，必然存在近焦能力差、視野窄和球面像差等缺點(diǎn)，開(kāi)放式的鏡筒設(shè)計(jì)，使得維護(hù)保養(yǎng)也相對(duì)困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，降低了成本，消除了球面像差的影響，對(duì)視場(chǎng)、近焦能力和便攜性有顯著提高，增強(qiáng)了激光雷達(dá)的穩(wěn)定性和緊湊性，可使激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀體積減小、重量減輕、結(jié)構(gòu)更加緊湊。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)包括:收發(fā)一體同軸光纖束和施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡;所述收發(fā)一體同軸光纖束包括發(fā)射光纖和接收光纖，所述發(fā)射光纖由單根石英光纖組成，所述接收光纖由若干根石英光纖組成，收發(fā)一體同軸光纖束的前部分的發(fā)射光纖和接收光纖分開(kāi)，收發(fā)一體同軸光纖束的后部分發(fā)射光纖位于中心，外層若干根接收光纖以發(fā)射光纖為圓心均勻排列；所述收發(fā)一體同軸光纖束后端部分連接望遠(yuǎn)鏡。
[0007]進(jìn)一步的，所述施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡由準(zhǔn)直透鏡、球面主鏡、球面副鏡、非球面施密特校正板組成。
[0008]進(jìn)一步的，所述收發(fā)一體同軸光纖束的后部分的收發(fā)光纖的光纖頭位于施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)位置。
[0009]進(jìn)一步的，所述接收光纖采用8根芯徑為40μπι，數(shù)值孔徑為0.22的石英光纖，所述發(fā)射光纖采用單根芯徑為ΙΟμπι，數(shù)值孔徑為0.11的石英光纖。
[0010]進(jìn)一步的，所述發(fā)射光纖和接收光纖的前端分別設(shè)有光纖輸入接口和光纖輸出接口，接口設(shè)在系統(tǒng)外殼上。
[0011 ]進(jìn)一步的，所述收發(fā)一體同軸光纖束長(zhǎng)度為20-30cm。
[0012]進(jìn)一步的，所述準(zhǔn)直透鏡與光纖數(shù)值孔徑匹配，光束發(fā)散角為0.5mrad，使望遠(yuǎn)鏡發(fā)射出環(huán)形光束。
[0013]本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果:
[0014]I)本實(shí)用新型采用收發(fā)同軸光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)光纖直接連接外部器件，無(wú)需進(jìn)行光路調(diào)整，有效解決了非同軸激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀受幾何重疊因子影響的不足，并避免了發(fā)射與接收光路調(diào)平問(wèn)題。該系統(tǒng)的引入可使激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀體積減小、重量減輕、結(jié)構(gòu)更加緊湊；
[0015]2)本實(shí)用新型收發(fā)同軸光學(xué)系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)尾端分別有光纖輸入接口和輸出接口，可以分別與激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)和后續(xù)信號(hào)探測(cè)與處理系統(tǒng)相連組成易拆卸的能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x器；
[0016]3)本實(shí)用新型收發(fā)同軸光學(xué)系統(tǒng)，采用施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，其具有以下優(yōu)點(diǎn):結(jié)合反射鏡和光學(xué)透鏡雙方優(yōu)勢(shì)并消除其弊端，高銳度和較開(kāi)闊的視場(chǎng)，焦比一般約為f/ΙΟ，封閉設(shè)計(jì)降低空氣氣流對(duì)光線(xiàn)的擾動(dòng)，非常緊湊和便攜，在所有望遠(yuǎn)鏡類(lèi)型中近焦能力最好。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖；
[0018]圖2-1是本實(shí)用新型光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)圖；
[0019]圖2-2是本實(shí)用新型光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)后端設(shè)計(jì)圖；
[0020]圖3-1是收發(fā)一體同軸光纖束收發(fā)端光纖結(jié)構(gòu)圖；
[0021 ]圖3-2是收發(fā)一體同軸光纖束結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖4是基于該新型光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)的微脈沖激光雷達(dá)示意圖；
[0023]圖5是已有技術(shù)的非共軸微脈沖激光雷達(dá)示意圖；
[0024]圖6是已有技術(shù)的基于光纖的共軸微脈沖激光雷達(dá)示意圖。
[0025]圖中的I是光纖輸入接口，2是收發(fā)一體同軸光纖束，3是光纖輸出接口，4是望遠(yuǎn)鏡，5是外殼，6是準(zhǔn)直透鏡，7是球面主鏡，8是球面副鏡，9是非球面施密特校正板，10是微脈沖激光器，11是光束耦合器，12是本系統(tǒng)，13是聚焦透鏡，14是濾光片，15是光電倍增管，16是光子計(jì)數(shù)采集卡，17是計(jì)算機(jī)，A是發(fā)射端光纖，B是接收端光纖，C是收發(fā)端光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0027]如圖1、2和3所示，一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)包括:收發(fā)一體同軸光纖束2和施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡4;所述收發(fā)一體同軸光纖束2包括發(fā)射光纖和接收光纖，所述發(fā)射光纖由單根芯徑為40μπι，數(shù)值孔徑為0.22的石英光纖組成，所述接收光纖由8根芯徑為ΙΟμπι，數(shù)值孔徑為0.11的石英光纖組成，收發(fā)一體同軸光纖束2的前部分的發(fā)射光纖和接收光纖分開(kāi)，收發(fā)一體同軸光纖束2的后部分發(fā)射光纖位于中心，外層若干根接收光纖以發(fā)射光纖為圓心均勻排列;所述收發(fā)一體同軸光纖束2后端部分連接所述望遠(yuǎn)鏡4。
[0028]本實(shí)施例中，所述施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡4由準(zhǔn)直透鏡6、球面主鏡7、球面副鏡8、非球面施密特校正板9組成。
[0029]本實(shí)施例中，所述收發(fā)一體同軸光纖束2的后部分的收發(fā)光纖的光纖頭位于施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)位置。
[0030]本實(shí)施例中，所述發(fā)射光纖和接收光纖的前端分別設(shè)有光纖輸入接口I和光纖輸出接口 2，接口設(shè)在系統(tǒng)外殼上。
[0031]本實(shí)施例中，所述收發(fā)一體同軸光纖束長(zhǎng)度為20-30cm。
[0032]本實(shí)施例中，所述準(zhǔn)直透鏡6與光纖數(shù)值孔徑匹配，光束發(fā)散角為0.5mrad，使望遠(yuǎn)鏡發(fā)射出環(huán)形光束。
[0033]如圖4所示，基于該實(shí)用新型光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)的微脈沖激光雷達(dá)示例。微脈沖激光器10出射光束經(jīng)光束耦合器11耦合，通過(guò)本系統(tǒng)12的光纖輸入接口 I進(jìn)入發(fā)射端光纖A，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直、擴(kuò)束后導(dǎo)入所述的施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，后向散射回波信號(hào)經(jīng)同一望遠(yuǎn)鏡接收聚焦進(jìn)入收發(fā)端光纖C的8根外層接收光纖，通過(guò)光纖輸出接口 3傳輸，并經(jīng)過(guò)聚焦透鏡13聚焦和窄帶干涉濾光片14濾除背景雜散光后進(jìn)入信號(hào)探測(cè)和采集單元。
[0034]本實(shí)施例中，所述的信號(hào)探測(cè)與采集單元由光電倍增管15、光子計(jì)數(shù)采集卡16和計(jì)算機(jī)17組成，光子計(jì)數(shù)采集卡采集光電倍增管探測(cè)的信號(hào)，最終傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)的存儲(chǔ)和后續(xù)分析。
[0035]本實(shí)施例中，所述的收發(fā)一體同軸光纖束光纖輸入接口I與光束親合器以及發(fā)射端光纖A相連，收發(fā)光纖C與望遠(yuǎn)鏡4相連，光纖輸出接口 3與信號(hào)探測(cè)與采集單元以及接收端光纖B相連。
[0036]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，包括收發(fā)一體同軸光纖束和施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡;所述收發(fā)一體同軸光纖束包括發(fā)射光纖和接收光纖，所述發(fā)射光纖由單根石英光纖組成，所述接收光纖由若干根石英光纖組成，收發(fā)一體同軸光纖束的前部分的發(fā)射光纖和接收光纖分開(kāi)，收發(fā)一體同軸光纖束的后部分發(fā)射光纖位于中心，外層若干根接收光纖以發(fā)射光纖為圓心均勻排列;所述收發(fā)一體同軸光纖束后端部分連接所述望遠(yuǎn)鏡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，所述施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡由準(zhǔn)直透鏡、球面主鏡、球面副鏡、非球面施密特校正板組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，所述收發(fā)一體同軸光纖束的后部分的收發(fā)光纖的光纖頭位于施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)位置。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，所述接收光纖采用8根芯徑為40μπι，數(shù)值孔徑為0.22的石英光纖，所述發(fā)射光纖采用單根芯徑為ΙΟμπι，數(shù)值孔徑為0.11的石英光纖。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，所述發(fā)射光纖和接收光纖的前端分別設(shè)有光纖輸入接口和光纖輸出接口，接口設(shè)在系統(tǒng)外殼上。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，所述收發(fā)一體同軸光纖束長(zhǎng)度為20_30cmo7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型的光學(xué)同軸收發(fā)系統(tǒng)，其特征是，所述準(zhǔn)直透鏡與光纖數(shù)值孔徑匹配，光束發(fā)散角為0.5mrad，使望遠(yuǎn)鏡發(fā)射出環(huán)形光束。
【文檔編號(hào)】G01S7/483GK205608177SQ201620422956
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】常建華, 李紅旭, 朱玲嬿, 戴 峰, 李寒寒
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)