專利名稱：具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種脈沖激光雷達系統，特別涉及一種用于大氣探測的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其主要用于探測云層高度及氣溶膠密度等大氣參數。
用于大氣氣溶膠密度及云層高度測量的激光雷達系統，一般由脈沖激光光源、激光發射及接收單元、信號探測單元、數據采集及處理單元組成，激光束經發射光學單元射向大氣目標，接收單元收集來自云層、氣溶膠等大氣目標的后向散射光，經高速數據采集及處理單元處理后就可以對大氣目標的高度及密度分布進行定量監測。
目前常用的激光雷達系統一般以大脈沖能量(0.1-1.0焦耳)、低重復頻率(數十赫茲)的脈沖激光器作為光源，對測量現場附近的人群及飛機等有嚴重的安全問題，很難滿足對大氣目標長時間自動監測的要求。隨著相關配套單元技術的進展，采用低脈沖能量(1-50微焦耳)、高重復頻率(1-20千赫茲)的脈沖激光光源，擴束至人眼安全的強度后再射向大氣目標的微脈沖激光雷達系統，已日益獲得研究人員的關注.
如圖2所示，為已有技術的非共軸微脈沖激光雷達系統示意圖，其公開在IEEE“地球科學和遙感”論文集(Transactions on Geoscience andRemote Sensing.) 31(1)，48-55(1993)，論文題目為“微脈沖激光雷達”(Micro Pulse Lidar)，作者Jamcs D.Spinhirne。該系統的發射光學組件與接收光學組件采用獨立并行放置的非共軸設計，從激光二極管激勵(泵浦)的釹-四氟化釔鋰(Nd；YLF)激光器輸出的二倍頻(523nm)激光束經擴束、準直后射向大氣目標，來自目標的后向散射信號經卡塞格倫(Cassegrain)望遠鏡收集后，通過窄帶干涉濾光片去掉背景雜散光，所得的信號光聚焦后由雪崩光電二極管采集送入電腦處理，可以獲得大氣中云層及氣溶膠的空間分布數據。
但這種非共軸系統的限制在于1.需要獨立的發射光學組件，增加了整個測量系統的體積及重量，影響系統的機動性及可移動性測量性能2.更為嚴重的是這種非共軸設計不可避免的帶來接收與發射光學組件視場角的不匹配，其空間耦合面積隨視場角及空間探測距離而改變，這大大增加了數據處理的復雜性及還原真實大氣參數的難度。
如圖3所示，為另一已有技術的共軸微脈沖激光雷達系統示意圖，其公開在國際光學工程學會“激光雷達大氣監測”論文集(Proc.SPIE onLidar Atmosphereic Monitoring.)第3104卷.39-42(1997)，論文題目為“用于探測氣溶膠和云層的微脈沖激光雷達”作者是L.H.Hwang.Sandor Lokos.and Jin Kim.。該系統采用共軸設計，由一個施密特-卡塞格倫(Schmidt-Cassegrain)望遠鏡同時作為光信號發射器及接收器，激光二極管激勵(泵浦)的釹-四氟化釔鋰(Nd；YLF)激光器經KTP晶體倍頻后耦合進入望遠鏡，通過凸面第二反射鏡反射后經凹面主反射鏡射向大氣目標，返回的信號光被同一個望遠鏡收集，經濾波、聚焦后由雪崩光電二極管將探測信號輸入計算機，由計算機對多通道信號采集卡采集的數字信號進行處理、分析，獲得大氣參數。
這種系統的限制在于1.能量效率低激光器發射的高斯光束中心強度大，邊緣強度小，激光束在進入望遠鏡第二反射鏡時其中心部分由于孔徑遮擋不能有效射出望遠鏡，這樣損失的能量大約在30％-40％左右；2.對探測器的損傷，被第二反射鏡阻擋的激光沿原路返回，近軸光線射入探測器后將產生很強的背景信號，對高靈敏度的雪崩光電管的長期照射將造成探測器的永久疲勞與損傷，同時由于背景信號遠遠強于來自大氣目標的后向散射信號，這也增加了背景壓縮與信號處理的難度。
本發明的目的在于提供一種具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其是為了改善已有系統的技術限制，采用共軸設計改善非共軸系統數據處理及系統結構的復雜度，采用微光學波面整形器件來改善已有共軸系統的能量耦合效率，從而實現一種對人眼安全、能量效率高，系統結構輕便的微脈沖激光雷達系統。
為實現本發明的目的，我們提出一種基于微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其主要包括一固體激光器，其由激光二極管激勵，并輸出一倍頻激光束；一光信號擴束器，其將所述激光器輸出的倍頻光信號進行擴束和準直，并輸出高斯光強分布的平行光信號；一微光學波面整形器，將光信號擴束器輸出的高斯光束變換成平頂中空環形光束；一臺同時作為光學信號發射器及接收器的望遠鏡，一方面將經過聚焦的平頂中空環形激光束射向大氣目標；另一方面將來自探測目標的后向散射光信號收集聚焦；一窄帶干涉濾光片，其濾掉由望遠鏡接收下來的光信號中其它波長的背景雜散光，并輸出一后向散射探測光信號；一高靈敏度的光子計數雪崩光電二極管，完成后向散射探測光信號的光電信號轉換；一數據采集及處理單元，其完成轉換后的電信號的采集、模數轉換、存儲及數據處理工作。
所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，還包括一個偏振分束器，其可通過聚焦的平頂中空環形激光束，而將望遠鏡接收的信號光束轉向窄帶干涉濾光片，使收發光學系統采用共軸設計。
所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其所述的固體激光器是一低脈沖能量、高重復頻率的激光二極管激勵的固體激光器，其脈沖重復頻率在1-20千赫茲，脈沖能量在1-50微焦耳之間。
所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，還包括一透鏡，其F數與望遠鏡的F數相匹配，該透鏡將輸入的環形光束進行聚焦后送入發射光學單元，使其具有很高的能量耦合效率。
所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其所述的微光學波面整形器放置在傅里葉變換透鏡的前焦面上。
所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其所述的收發望遠鏡為施密特-卡塞格倫望遠鏡。
本發明給出的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其主要優點如下(1)系統采用共軸設計，由一個Schmidt-Casegrain望遠鏡同時作為發射與接收光學單元，減小了整個系統的體積與重量，提高了系統的機動性能，可以實現多區域的可移動測量；(2)解決了非共軸系統存在的接收光學單元與發射光學單元空間耦合視場角的失匹配問題，改善了數據處理的復雜度及精確度；(3)用新型的微光學波面整形器作為波前變換器件，將激光的高斯光強分布變換成平頂中空環形光強分布，大大提高了激光光源與發射望遠鏡的能量耦合效率，消除了其它共軸激光雷達系統中強背景噪聲對高靈敏度探測器長時間照射所產生的損傷；(4)采用低脈沖能量、高重復頻率的激光光源，擴束至人眼安全的微脈沖后發射向大氣目標，消除了常用高能量激光雷達系統對測量現場附近人群及飛機的安全隱患，可以滿足長期、全自動大氣測量的要求。
下面結合附圖就本發明的最佳實施例詳細說明如下
圖1為本發明采用微光波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統示意圖；圖2為已有技術1的非共軸微脈沖激光雷達系統示意圖；圖3為已有技術2的共軸微脈沖激光雷達系統示意圖；圖4為激光器輸出的高斯光束強度分布圖；圖5為高斯光束經過微光學波面整形器變換后產生的平頂中空環形激光束的強度分布圖；圖6為微光學波面整形元件的表面位相分布圖。
本發明提出的采用微光波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統的結構如圖1所示，含有一臺由激光二極管激勵的脈沖固體激光器1，產生一倍頻激光束經擴束器2擴束準直后，產生的平行光束入射到放置在傅里葉變換透鏡前焦面上的微光學波面整形器3上，由波面整形器將高斯光強分布的激光束變換成平頂中空環形光束，然后進入傅里葉變換透鏡，聚焦后通過偏振分束器5直接送入望遠鏡6，由望遠鏡進一步擴束變成對人眼安全的微脈沖后射向大氣目標。由大氣目標返回的后向散射光經同一個望遠鏡6接收后，由偏振分束器5將信號光束轉向探測單元，先通過窄帶干涉濾光片7濾掉背景雜散光，再聚焦到光子計數雪崩光電二極管8上進行光電信號轉換，轉換后的電信號由安裝在電腦處理器9中的多通道信號采集卡進行采集、模數變換及存儲，最后由計算機進行數字信號處理得到大氣中氣溶膠密度分布及云層高度分布等大氣參數。
如圖1所示，從激光二極管激勵(泵浦)的脈沖釹-釔鋁石榴石(Nd；YAG)固體激光1輸出的二倍頻(532mm)激光束，其脈沖能量為25微焦耳、脈沖重復頻率為1KHz。該激光束進入擴束器2進行擴束和準直后，產生一平行激光束，該平行激光束是一高斯分布的光束，其光強分布狀態見圖4所示，然后，該光束入射到放置在傅里葉變換透鏡前焦面上的微光學波面整形器3上，該波面整形器的表面相位分布見圖6，由波面整形器將高斯光強分布的激光束變換成平頂中空環形光束，其分布見圖5，從圖5可以看出，經微光學波面整形器3整理后的光強分布是一具有一定厚度的圓柱形，為了保證激光束與望遠鏡6有較高的耦合效率，選擇與望遠鏡F數相匹配的聚集透鏡對變換后的環形光束進行聚焦后送入望遠鏡，由望遠鏡進一步擴束變成對人眼安全的微脈沖后射向大氣目標。由大氣目標返回的后向散射光經同一個望遠鏡6接收后，由偏振分束器5將信號光束轉向探測單元，先通過中心波長為532nm、帶通寬度為0.5nm的窄帶干涉濾光片7濾掉背景雜散光，再聚焦到光子計數雪崩光電二極管8上進行光電信號轉換，轉換后的電信號由安裝在電腦處理器9中的高速多通道信號采集卡進行采集、模數變換及存儲，最后由電腦處理器對獲得的時間分辨信號進行數字信號處理，得到大氣中氣溶膠密度分布及云層高度分布等大氣參數。采用該輕便激光雷達系統進行空間多角度掃瞄及多點移動測量，即可獲得大空間范圍、三維全場的大氣參數分布數據。
雖然本發明已給出具體實施例如上，然其并非用以限定本發明，任何熟悉此項技術的人員，在不脫離本發明的精神的范圍內，可做出各種的變動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其中主要包括一固體激光器，其由激光二極管激勵，并輸出一倍頻激光束；一光信號擴束器，其將所述激光器輸出的倍頻光信號進行擴束和準直，并輸出高斯光強分布的平行光信號；一微光學波面整形器，將光信號擴束器輸出的高斯光束變換成平頂中空環形光束；一臺同時作為光學信號發射器及接收器的望遠鏡，一方面將經過聚焦的平頂中空環形激光束射向大氣目標；另一方面將來自探測目標的后向散射光信號收集聚焦；一窄帶干涉濾光片，其濾掉由望遠鏡接收下來的光信號中其它波長的背景雜散光，并輸出一后向散射探測光信號；一高靈敏度的光子計數雪崩光電二極管，完成后向散射探測光信號的光電信號轉換；一數據采集及處理單元，其完成轉換后的電信號的采集、模數轉換、存儲及數據處理工作。
2.如權利要求1所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其中還包括一個偏振分束器，其可通過聚焦的平頂中空環形激光束，而將望遠鏡接收的信號光束轉向窄帶干涉濾光片，使收發光學系統采用共軸設計。
3.如權利要求1所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其中所述的固體激光器是一低脈沖能量、高重復頻率的激光二極管激勵的固體激光器，其脈沖重復頻率在1-20千赫茲，脈沖能量在1-50微焦耳之間。
4.如權利要求1所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其中還包括一透鏡，其F數與望遠鏡的F數相匹配，該透鏡將輸入的環形光束進行聚焦后送入發射光學單元，使其具有很高的能量耦合效率。
5.如權利要求1所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其中所述的微光學波面整形器放置在傅里葉變換透鏡的前焦面上。
6.如權利要求1所述的具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其中所述的收發望遠鏡為施密特-卡塞格倫望遠鏡。
全文摘要
一種具有微光學波面整形器的共軸微脈沖激光雷達系統，其用于大氣及云層測量，包含有一固體激光器，輸出倍頻激光束經擴束、準直后，由微光學波面整形器將高斯光強分布變換成平頂中空環形光束，與望遠鏡高效耦合后變成低強度的擴束微脈沖射向大氣目標，從大氣目標返回的后向散射信號由同一個望遠鏡收集，經窄帶干涉濾光片濾掉背景雜散光后，通過光電二極管將探測信號送入電腦處理器，進行模數轉換及數據處理，得到大氣參數分布。
文檔編號G01S17/10GK1392421SQ0112198
公開日2003年1月22日 申請日期2001年6月20日 優先權日2001年6月20日
發明者鄭玉臣, 朱建華, 郭永康 申請人:香港城市大學