[实用新型]一种基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种激光雷达的技术领域，特别涉及一种基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置。

背景技术

微脉冲激光雷达不仅能够对大气气溶胶特性进行实时、全天候的监测，与传统激光雷达相比，还具有结构紧凑、低发射能量、高时空分辨率等特点，能够对云和气溶胶的光学特性的空间分布进行有效的探测。微脉冲激光雷达一般由激光发射单元、光学接收单元和信号探测与采集单元3部分组成。

目前国内外常用的微脉冲激光雷达的光学发射单元和接收单元常采用分置非共轴设计。图3为一已有发明技术的基于光纤的非共轴微脉冲激光雷达，其公开在中国知识产权局，发明名称为“一种半导体激光雷达能见度仪”，发明公告号CN101581786，卷期号A25-46，发明人唐磊、岳斌等。该激光雷达采用收发分置离轴结构，从脉冲半导体激光器发出的905nm激光经耦合透镜耦合进第一耦合光纤，经望远镜扩束、准直后射向大气，后向散射回波信号经接收望远镜接收进入第二耦合光纤，通过光电倍增管探测采集数据送入计算机处理。

这种收发分置非共轴系统避免了发射信号对接收信号的干扰，但相对独立的发射单元不仅增加了系统的成本，还影响了整个系统的小型化；收发分置非共轴系统的另一个问题就是要调节发射和接收光路使之严格平行，否则将会出现测量误差；此外，由于收发单元不共轴，存在探测盲区和过渡区，需要对几何重叠因子进行校正，增加了数据处理的难度。

如图4所示，为另一已有技术的共轴微脉冲激光雷达结构示意图。该激光雷达公开在“大气与环境光学学报”第1卷。47-52(2006)，论文题目为“扫描式微脉冲激光雷达的研制和应用”，作者是张大毛、徐赤东等。该激光雷达利用与光轴成45°的全反射镜的方法实现收发共轴设计。半导体泵浦的Nd:YAG激光器发射的532nm激光经扩束后，由全反射镜反射至望远镜次镜背面，再由一全反射镜反射使激光从望远镜中心发出。后向散射回波信号被同一望远镜接收并聚焦在微孔光阑中心，通过透镜和窄带干涉滤光片到达探测器。最终由计算机对采集的数据进行分析、处理，获得大气参数。

该激光雷达的不足在于：仍然存在收发光路的调平问题，增加的全反射镜不仅增加了光路调节的复杂度，而且镜子的调节架容易因温度变化和机械振动等因素产生微量形变，很难保证收发光轴始终平行。因此系统机械稳定性和可移动性不能满足激光雷达常规运行需求。

目前存在的问题是在微脉冲激光雷达的体积较大、成本较高，很难得到推广应用。在实际安装中，设计要求调节发射光路和接收光路严格平行，这给光路的调节带来一定的难度，且激光雷达机械稳定性和可移动性不能满足激光雷达常规运行要求。

本实用新型具体是涉及一种通过一收发一体的Y型光纤束实现收发共轴的微脉冲激光雷达，实现接收的后向散射回波信号与发射信号的同轴接收，不仅降低了成本，提高了雷达结构的紧凑性，而且有效解决了传统激光雷达发射和接收光路的调节问题，避免了几何重叠因子的影响，减小了数据处理的复杂程度。其主要用于大气水平能见度的测量。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于收发一体的Y型光纤束的新型共轴微脉冲激光雷达，包括固体激光器、光束耦合器、收发一体Y型光纤束、准直透镜、卡塞格林式望远镜、窄带干涉滤光片与后继信号信号探测与采集单元，实现接收的后向散射回波信号与发射信号的同轴接收，以解决传统非同轴激光雷达系统体积较大、成本较高、发射和接收光路的调节要求严格，以及系统机械稳定性和可移动性不能满足激光雷达常规运行需要等难题。

为解决上述问题，本实用新型的方案为：一种基于Y型光纤束的共轴微脉冲激光雷达装置，包括：固体激光器、光束耦合器、收发一体Y型光纤束、准直透镜、卡塞格林式望远镜、滤光片与信号探测与采集单元。所述收发一体Y型光纤束的发射端A端由单根芯径为400nm的石英光纤组成，接收端B端由8根芯径为200nm的石英光纤组成，收发端C端发射光纤位于中心，外层8根接收光纤以发射光纤为圆心均匀排列。其中，在固体激光器出射光束的后继光路上依次设置有光束耦合器、Y型光纤束的发射光纤、准直透镜。固体激光器出射光束经光束耦合器耦合进所述的Y型光纤束的发射端A，经过准直透镜后导入所述卡塞格林式望远镜，后向散射回波信号经同一望远镜接收聚集进入Y型光纤束的收发端C的外层接收光纤，由接收光纤束传输并经窄带干涉滤光片滤除背景杂散光后进入所述的信号探测和采集单元。