專利名稱：多波長激光雷達的激光發射與接收光軸平行調整裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及大氣污染檢測技術領域，尤其是，一種用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達的激光發射與接收光軸平行調整裝置和調整方法。
圖1是激光雷達的一般原理方框圖。通常的激光雷達由發射系統，控制系統，信號檢測與處理系統和接收系統組成。
所述的激光發射系統包括激光器、發射望遠鏡等。其中，發射望遠鏡是用來改善激光發射信號的。激光經發射望遠鏡射向大氣，在大氣中傳輸時，受到大氣介質的衰減和散射。其中的后向散射信號返回到激光雷達。激光雷達接收系統包括接收望遠鏡、光電轉換和放大等部分。返回到激光雷達的激光散射信號被接收望遠鏡收集，經光電轉換放大等環節，再由信號檢測與處理系統分析和處理，得到我們所需要的大氣參數和過程信息。控制系統是控制激光的發射與接收的同步和水平、俯仰轉動等。
探測臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達是一種具有大功率激光發射能力的和大口徑(D＝1m孔徑)接收望遠鏡的、多波長(從紫外到紅外)的激光雷達，它的探測能力是很強的，是目前我國口徑最大的激光雷達。
圖2是探測臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的原理方框圖。圖中，所述的波長激光雷達包括接收望遠鏡(1)，光欄電機(2)，小孔光欄(3)，光閘葉片(4)，光欄電機(5)，準光鏡(6)，308nm光路(7)，355nm光路(8)，1060nm光路(9)，532nm光路(10)，偏振棱鏡(11)，532nm水平偏振(12)，532nm垂直偏振(13)，355nm發射望遠鏡(14)，532nm發射望遠鏡(15)，308nm發射望遠鏡(16)，1060nm發射望遠鏡(17)。
所述的多波長激光雷達有兩臺大功率激光器，其中Nd-YAG激光器輸出三個波長的激光，分別是1060nm、532nm和355nm；XeCl激光器輸出波長為308nm。這些激光經發射望遠鏡擴束并壓縮發散角射向大氣，接收望遠鏡是一個口徑為1米的卡塞格林式望遠鏡，焦點被側轉拉出，在焦點處有一個可調節的視場光闌。在近焦點處設置光閘，減少光閘的開關過渡時間。分光系統將激光雷達收集的不同波長的激光回波信息分離，并等向光電轉換器的光敏面上。其中308nm、355nm為紫外波段，采用微弱信號檢測技術(光子計數技術)進行檢測，532nm、1060nm采用模擬信號接收技術，并通過高速A/D轉換成數字信號進入計算機進行信號處理。532nm有三個通道接收，其中有兩個通道是用來檢測激光大氣偏振信息的。
控制部分包括光閘控制、激光觸發控制、接收信號同步控制、望遠鏡調焦控制、接收視場角控制(改變視場光闌)、濾光片選擇控制以及光軸平行調整。
圖3是本發明激光雷達的總體結構示意圖。圖中，主計算機(1)，激光電源(2)，激光器(3)，光學平臺(4)，發射望遠鏡(5)，調整鏡(6)，光學平臺(7)，監視器(8)，頂層樓板(9)，觀測圓頂房(10)，接收望遠鏡(11)，光學平臺(12)，分光與接收系統(13)，控制機柜(14)，光閘(15)。
其中，激光雷達的激光發射光軸與大氣回波信號接收光軸的平行是保證激光雷達接收信息正確與否的重要技術指標，也是光路調整中比較復雜的一項技術工作，若調整不好，會大大影響激光雷達的探測能力和探測結果的正確性。
已有的調整技術有以下幾種方法A.平行光成像法這種方法一般的應用對象是小型激光雷達。它采用專用設備(如平行光管)進行調整，它的一個基本要求就是平行光管的口徑要大于發射與接收光軸的軸距。對于大型的激光雷達這幾乎是不可能的。
B.恒星成像法大型的激光雷達有的采用恒星成像的方法進行光軸平行調整。這種方法的基本要求是激光雷達能夠轉動，并能夠瞄準或跟蹤恒星。
C.激光打靶法該方法有兩種，其中一種也要求激光雷達能夠轉動，比如將激光雷達置于水平狀態，使激光雷達的發射激光能夠打到遠處的反射靶上。另一種是在激光發射或接收光路中，設置一熒光靶面，采用激光雷達本身的激光器打靶，再用CCD攝像檢測。
上述幾種調整方法都比較復雜，并存在著以下幾個問題A.對結構設計、加工精度要求高，調整時，系統的聯動性很強，各個環節相互影響，因此需要來回地反復調整。
B.可視性差。調整時參考光源的光很微弱，如恒星成像法，有的光源瞬間就消失，如打靶法(激光雷達的激光為脈沖光，最長也只有幾十個毫微秒)。
C.可操作性差，特別是對大型激光雷達，調整周期長，并需要多人合作。
D.整機價格較高，為保證光學調整的精度，整機結構精度要求較高，如水平、俯仰轉向機構。
由于以上問題，所以激光雷達光軸一旦調整好后，必須馬上固定，不能再隨意更改光路設計中的任一環節，如增減接收通道等，否則不能確保激光發射和接收光軸的平行性。
因此，本發明的目的在于，設計了一種新型的光軸平行調整裝置和方法，該裝置可以采用可見的、連續的和準直的調整激光光源，因此可視性強，結構簡單，容易操作，調整精度高，穩定性也好。
圖1表示一般激光雷達工作原理的示意框圖；圖2表示用于探測大氣臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的工作原理的框圖；圖3表示用于探測大氣臭氧和平流層氣溶膠多波長激光雷達的總體結構示意圖；圖4表示用于本發明多波長激光雷達的光軸平行調整裝置的示意圖；下面將結合附圖對本發明用于多波長激光雷達的激光發射與接收光軸平行調整裝置以及調整方法進行詳細的說明。
圖4所示的多波長激光雷達的光軸平行調整裝置，其中包括半導體激光器(1)，準分子激光器(2)，308nm發射望遠鏡(3)，氦氖激光器(6)，YAG激光器(7)，1060nm、532nm、355nm發射望遠鏡(6)，出射垂直折光鏡，共4塊(7)，等腰棱鏡(8)，接收主鏡(9)，接收副鏡(10)，接收轉向折光鏡(11)，視場光欄(12)，準光鏡(13)，可移動的光軸平行調整折光鏡(14)，聚光鏡(15)，CCD探頭(16)，監視器(17)，分光系統(用于多波長多通道的光電接收轉換大氣回波信號)(18)。其中，1.可見的、連續的、準直的調整光源(半導體激光器)(1)作用(1)調整激光器和激光雷達各光學元件時，用于準直指向和定位指示。
(2)替代激光雷達中的Nd-YAG激光或XeCl準分子激光調整雷達發射與接收兩軸平行2.XeCl準分子激光器(2)XeCl激光器輸出波長為308m激光。3.發射望遠鏡(308nm)(3)用于對激光進行擴束，并壓縮和改善激光發散角。4.可見的、連續的、準直的調整光源(He-Ne激光)(4)作用(1)調整激光器和激光雷達各光學元件時，用于準直指向和定位指示。
(2)替代激光雷達中的Nd-YAG激光或XeCl準分子激光調整雷達發射與接收兩軸平行5.YAG激光器(5)，輸出波長為1060nm、532nm、355nm。6.發射望遠鏡(用于1060nm、532nm、355nm)(6)用于對激光進行擴束，并壓縮和改善激光發散角。7.出射垂直折光鏡(7)至少具有水平、俯仰轉角兩個自由度的調整功能，它有兩種作用，一是轉向，二是調整光軸平行。8.等腰棱鏡(DI-0°)(8)將發射光路的調整光源發出的光導入接收光路，實現激光雷達本身的全光程的各光學元件的調整與定位，同時包括光軸平行調整。9.接收望遠鏡主鏡(9)激光雷達的接收天線，接收并會聚大氣回波光信號。10.接收望遠鏡副鏡(作用與6相同)(10)11.接收轉向折光鏡(11)主光路轉向。12.視場光闌(12)位于接收主鏡的焦點處，光闌可限制接收視場角和來自主光路外的不同方向的雜散光。13.準光鏡(13)將主光路光束變成平行光束，形成分光系統的基準光束。14.可移動的光軸平行調整折光鏡(14)調兩軸時用于光路轉向，雷達觀測時，把此鏡撤出光路外。15.聚光鏡(15)與準光鏡焦距相等，用于將準光鏡后的平行光束還原接收望遠鏡的焦點。16.CCD探頭(16)放置在聚光鏡的焦點上，用于檢測光軸平行的誤差。17.監視器(17)用于光軸平行誤差顯示。18.分光系統(18)本發明的激光發射與接收光軸平行調整方法的基本原理是，在激光發射部分的激光器后增設一臺輔助激光器，這臺激光器所發射的光是連續的、可見的，如氦氖激光器、大功率半導體激光器等，并使該輔助激光器發射的激光與激光雷達中Nd-YAG激光器和XeCl準分子激光器發射的激光同軸，并分別以He-Ne激光代替Nd-YAG激光或以半導體激光代替XeCl準分子激光，經過出射垂直折光鏡發射，通過放置在接收主鏡平臺(此平臺經過高精度的研磨，平臺面與主鏡中心光軸垂直)上的等腰棱鏡(DI-0°)到接收主鏡、副鏡、45°反射鏡，直達接收系統的焦點處成像，像點再經過準光鏡，可轉動的反射鏡、聚光鏡，到達CCD接收器光敏面上(CCD接收器放置點是事先調整接收系統時放在接收望遠鏡焦點的共軛處)通過顯示器可看到像點，如與原接收光軸的位置重合，便證明兩光軸已調整好了。
上述調整的調整精度在很大程度上取決于等腰棱鏡(DI-0°)的精度(系統誤差)。這種方法解決了前面所述的復雜的技術問題，使光軸平行調整變得簡單、快捷，并且由于可視性強，對接收光路焦點后的其它光學元件的調整和定位也變得非常方便，大大降低了整機結構的復雜程度，降低了整機研制費用。
具體技術方案與實施例探測臭氧與平流層氣溶膠多波長激光雷達是一個具有大口徑(D＝1m)接收望遠鏡的、多臺激光器發射的和多波長多通道接收的激光雷達，它的接收望遠鏡有3噸，接收光路垂直固定，這種新型的光軸平行調整裝置如圖4所示。各部分元器件的作用如前所述。
在接收望遠鏡的主鏡機械結構上，預先加工了一個供光軸平行調整的基準面平臺，這個面的精度要求很高，在接收望遠系統調整時，要將接收望遠系統的光軸與這個基準面垂直。
在發射激光器后分別設置一臺有連續的、可見光輸出的氦氖激光器或半導體激光器，在每個發射望遠鏡前設置一塊45°反射調整鏡和調整架，調整架至少要有俯仰和水平兩個角度的調整機構。
等腰棱鏡(DI-0°能保證入射光和出射光有高精度的平行)是一塊能進行發射和接收導光的條型等腰棱鏡，長度有380mm。
在準直鏡后面的光路中，設置一個可移動的，復位精度很高的平面反射鏡，并在其反射光路中設置一與準直鏡同焦距的聚光鏡，形成一個與接收望遠系統共軛的焦點，在此焦點處設置一個CCD攝影接收器，該CCD攝影接收器不需要鏡頭。
在接收望遠鏡初調時，使用另一氦氖激光器調整其接收望遠系統，并調整CCD的位置，使接收光路焦點在監視器上的映像顯示在熒光屏的中央位置上，固定CCD接收器，并用記號筆在監視器熒光屏上留下標記。
光軸平行調整的操作如圖4所示
這里以YAG激光器輸出激光(波長355nm)為例，敘述其臭氧激光雷達發射系統和接收系統兩光軸平行的調整方法，其它波長的光軸平行調整的方法完全相同。
1.調整輔助激光器—氦氖激光器，使氦氖激光器發出的激光穿透YAG激光器的工作物質—YAG激光晶體棒，使氦氖激光器與YAG激光器同軸2.在接收主鏡平臺上放置一塊高精度條狀的等腰棱鏡(DI-0°)，并將氦氖激光導入接收光學系統。
3.推入可移動的光軸平行調整折光鏡，打開CCD插頭電源，打開監視器，使氦氖激光器聚焦在CCD探頭的光敏面上，監視器顯示出氦氖激光的像4.調整355nm波長的出射垂直折光鏡，使氦氖激光在監視器上顯示的像與原主光路焦點的像(標記)重合。
5.移走放在接收主鏡平臺上的條型等腰棱鏡(DI-0°)，并將可移動的光軸平行調整折光鏡從分光光路中移開，關掉CCD、監視器、氦氖激光電源。調整結束。
這種方法非常快捷，并為今后光軸平行調整的自動化打下了技術基礎。由于采用了輔助激光器，其可視性很強，當移開可轉動的折光鏡后，分光光路的調整與更改變得非常方便、安全，也使整機的機械結構變得簡單了。
權利要求
1.一種用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達的激光發射與接收光軸平行調整裝置，其特征在于，所述的裝置包括半導體激光器(1)，準分子激光器(2)，308nm發射望遠鏡(3)，氦氖激光器(6)，YAG激光器(7)，1060nm、532nm、355nm發射望遠鏡(6)，出射垂直折光鏡，共4塊(7)，等腰棱鏡(8)，接收主鏡(9)，接收副鏡(10)，接收轉向折光鏡(11)，視場光欄(12)，準光鏡(13)，可移動的光軸平行調整折光鏡(14)，聚光鏡(15)，CCD探頭(16)，監視器(17)和分光系統(用于多波長多通道的光電接收轉換大氣回波信號)(18)。
2.如權利要求1所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達的激光發射與接收光軸平行調整裝置的特征方法，其特征在于，所述的方法是在激光發射部分的激光器后增設一臺輔助激光器，這臺激光器所發射的光是連續的、可見的，如氦氖激光器、大功率半導體激光器等，并使該輔助激光器發射的激光與激光雷達中Nd-YAG激光器和XeCl準分子激光器發射的激光同軸，并分別以He-Ne激光代替Nd-YAG激光或以半導體激光代替XeCl準分子激光，經過出射垂直折光鏡發射，通過放置在接收主鏡平臺(此平臺經過高精度的研磨，平臺面與主鏡中心光軸垂直)上的等腰棱鏡(DI-0°)到接收主鏡、副鏡、45°反射鏡，直達接收系統的焦點處成像，像點再經過準光鏡，可轉動的反射鏡、聚光鏡，到達CCD接收器光敏面上(CCD接收器放置點是事先調整接收系統時放在接收望遠鏡焦點的共軛處)通過顯示器可看到像點，如與原接收光軸的位置重合，便證明兩光軸已調整好了。
3.如權利要求2所述的用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達的激光發射與接收光軸平行調整裝置的特征方法，其特征在于，所述的方法是1.調整輔助激光器—氦氖激光器，使氦氖激光器發出的激光穿透YAG激光器的工作物質—YAG激光晶體棒，使氦氖激光器與YAG激光器同軸2.在接收主鏡平臺上放置一塊高精度條狀的等腰棱鏡(DI-0°)，并將氦氖激光導入接收光學系統。3.推入可移動的光軸平行調整折光鏡，打開CCD插頭電源，打開監視器，使氦氖激光器聚焦在CCD探頭的光敏面上，監視器顯示出氦氖激光的像4.調整355nm波長的出射垂直折光鏡，使氦氖激光在監視器上顯示的像與原主光路焦點的像(標記)重合5.移走放在接收主鏡平臺上的條型等腰棱鏡(DI-0°)，并將可移動的光軸平行調整折光鏡從分光光路中移開，關掉CCD、監視器、氦氖激光電源，調整結束。
全文摘要
本發明涉及用于探測大氣中臭氧和平流層氣溶膠的多波長激光雷達的激光發射與接收光軸平行調整裝置和調整方法,該裝置由半導體激光器,準分子激光器,多個發射望遠鏡,氦氖激光器,YAG激光器,,出射垂直折光鏡,,等腰棱鏡,接收主鏡,接收副鏡,接收轉向折光鏡,視場光欄,準光鏡,可移動的光軸平行調整折光鏡,聚光鏡,CCD探頭,監視器和分光系統組成,調整裝置結構簡單,方法快捷,精度高,可視性強易操作。
文檔編號G01S17/00GK1340699SQ0012364
公開日2002年3月20日 申請日期2000年8月24日 優先權日2000年8月24日
發明者鄭斯平, 王文明, 王淑芳, 夏其林, 王亞男 申請人:中國科學院大氣物理研究所
專業數控銑床產品供應商
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