基于望遠鏡陣列的大氣遙感激光雷達光學(xué)接收裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達，特別是基于望遠鏡陣列的大氣遙感激光雷達光學(xué)接收裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣遙感激光雷達技術(shù)是一種主動式的實時探測技術(shù)，其基本原理是向目標(biāo)大氣 發(fā)射一束高質(zhì)量的激光，利用望遠鏡等裝置接收多種粒子后向散射的回波信號，通過光學(xué) 元件和電子器件對回波信號進行分析對比，最終反演出大氣中粒子的種類，濃度，運動狀態(tài) 和溫度等有用信息。激光雷達技術(shù)的主要難點在于回波信號的強度太弱，使得其對激光器 脈沖能量，望遠鏡接收面積，光學(xué)元件和電子器件等都有很高的要求，進而導(dǎo)致激光雷達系 統(tǒng)成本很高。如果要在現(xiàn)有的激光雷達基礎(chǔ)上進一步增加回波信號的強度或者擴大有效探 測范圍，常采用的方法有：加大激光器脈沖能量；使用口徑更大的望遠鏡；應(yīng)用性能更加優(yōu) 良的光電探測器等。鑒于一般激光雷達采用的都是高脈沖能量的激光器，如果想在已有激 光器條件下繼續(xù)增加脈沖能量，并且保證發(fā)射激光的脈寬、Jitter時間等參數(shù)都符合激光 雷達的要求，其成本會急劇上升，而且高能量激光帶來的危險系數(shù)也隨之加大。激光雷達系 統(tǒng)采用的光電探測器性能都非常優(yōu)越，暫時很難有較大的突破。因此，增加接收面積成為繼 續(xù)提高激光雷達性能最直接，也是最簡便的方法。但是大口徑望遠鏡的加工難度遠遠高于 小口徑望遠鏡，故其價格是小口徑望遠鏡的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，而且大口徑望遠鏡的尺寸也 存在上限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服激光雷達中單個望遠鏡接收面積小的困難，提出一種基于望 遠鏡陣列的激光雷達光學(xué)接收裝置，通過多個相同望遠鏡陣列的方式加大激光雷達系統(tǒng)的 接收面積。
[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0005] 本發(fā)明基于望遠鏡陣列的大氣遙感激光雷達，包括激光器、望遠鏡陣列、視場光 闌、準(zhǔn)直透鏡、反射棱鏡、后續(xù)光路處理模塊、光電探測器；望遠鏡陣列中各望遠鏡相對于激 光器發(fā)射出的激光旋轉(zhuǎn)對稱分布，各望遠鏡的光軸與出射激光光軸互相平行且等距，使得 重疊因子相同。
[0006] 激光器發(fā)射的激光入射到某一目標(biāo)區(qū)域大氣，由該區(qū)域中粒子后向散射生成的回 波信號被望遠鏡陣列中各望遠鏡同時接收，形成多個相對于發(fā)射激光旋轉(zhuǎn)對稱分布的接收 光路；每個光路被各自光路上的視場光闌濾除視場外的背景光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后變?yōu)槠叫泄猓?再由同一個反射棱鏡將上述所有光路中方向不同的平行光轉(zhuǎn)折匯聚為方向相同的反射光， 通過后續(xù)光路處理模塊進行濾波、再匯聚，最后被光電探測器同時接收。
[0007] 所述的望遠鏡陣列可以由兩個望遠鏡組成，稱為雙望遠鏡陣，同理還可以根據(jù)探 測需要設(shè)置三望遠鏡陣列、四望遠鏡陣列甚至多望遠鏡陣列。
[0008] 所述的望遠鏡陣列包括n個望遠鏡，n多2 ;若n = 2時，對應(yīng)的反射棱鏡是等腰直 角棱鏡；若n多3時，對應(yīng)的反射棱鏡要求是底面為正n邊形的等腰棱錐，底邊D和腰H之 間需要滿足
[0010] 進一步地，所述的反射棱鏡的反射面均鍍增反膜。
[0011] 本發(fā)明的有益效果：
[0012] 本發(fā)明用望遠鏡陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光雷達中的單個望遠鏡，利用旋轉(zhuǎn)對稱分布的接 收光路，結(jié)合與望遠鏡對應(yīng)的反射棱鏡，保持各個望遠鏡出射的回波信號到光電探測器的 光程相同，同一大氣區(qū)域回波信號被同步探測，使得望遠鏡陣列等價于單個更大口徑的望 遠鏡，從而以一種較低成本的方式加大激光雷達系統(tǒng)的接收面積，增加激光雷達系統(tǒng)的回 波信號強度和有效探測范圍。
【附圖說明】
[0013] 圖1是基于雙望遠鏡陣列的激光雷達系統(tǒng)示意圖；
[0014] 圖2是基于雙望遠鏡陣列激光雷達系統(tǒng)俯視圖；
[0015] 圖3是適用于雙望遠鏡陣列激光雷達系統(tǒng)中的反射棱鏡示意圖；
[0016] 圖4是基于三望遠鏡陣列的激光雷達系統(tǒng)俯視圖；
[0017] 圖5是適用于三望遠鏡陣列激光雷達系統(tǒng)中的反射棱鏡示意圖；
[0018] 圖6是基于四望遠鏡陣列的激光雷達系統(tǒng)俯視圖；
[0019]圖7是基于多望遠鏡陣列的激光雷達系統(tǒng)俯視圖；
[0020]圖8是適用于四望遠鏡陣列激光雷達系統(tǒng)中的反射棱鏡示意圖。
[0021] 其中1為激光器，2為望遠鏡，3為望遠鏡副鏡，4為視場光闌，5為準(zhǔn)直透鏡，6為反 射棱鏡，7為后續(xù)光路處理模塊，8為光電探測器，9為發(fā)射激光光束。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步的分析。
[0023] 基本的激光雷達方程是
[0025] 式中P(r)表示回波信號強度，C表示系統(tǒng)常數(shù)，包括發(fā)射激光的能量，系統(tǒng)的透過 率等，Y(r)是發(fā)射激光與望遠鏡視場的重疊因子，(r)表示后向散射系數(shù)，T 2(r)指大氣 消光系數(shù)，A是望遠鏡的有效接收面積。從上式可以看出，回波信號強度與接收面積成正比， 通過增加接收面積來加大有效探測距離是很多激光雷達系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。
[0026] 圖1表示了雙望遠鏡陣列作為接收器件的大氣遙感激光雷達系統(tǒng)示意圖。圖中激 光器1向目標(biāo)大氣中發(fā)射一束高質(zhì)量的激光，經(jīng)過大氣中多種粒子的消光、散射、吸收等作 用之后，后向散射回波信號分別由兩個望遠鏡2同時接收，并經(jīng)望遠鏡副鏡3反射的回波信 號被視場光闌4濾除視場之外的背景光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡5后變?yōu)槠叫泄?，再由反射棱鏡6將來 自兩個望遠鏡2的方向相反的回波信號變?yōu)榉较蛳嗤姆瓷涔?，通過后續(xù)處理光路模塊7 進行濾波，匯聚，最后被光電探測器8記錄。由式（2)得到雙望遠鏡陣列的激光雷達方程為
[0028] 為了達到增加接收面積的目的，需要將兩個望遠鏡等價于一個更大口徑的望遠 鏡，要求滿足的條件有
[0029] Y: (r) = Y2 (r), (4)
[0030] 同時還要求來自不同望遠鏡的、經(jīng)過同一區(qū)域大氣后向散射的兩束回波信號同時 到達光電探測器，則式（3)變?yōu)?br>[0032] 在雙望遠鏡陣列的基礎(chǔ)上，還可以衍生出三望遠鏡陣列、四望遠鏡陣列等多望遠 鏡陣列激光雷達系統(tǒng)，如圖4、圖6和