[发明专利]基于Scheimpflug原理的多波长偏振米散射激光雷达系统

摘要

本发明属于激光技术应用技术领域，提供了基于Scheimpflug原理的多波长偏振米散射激光雷达系统，用于探测大气气溶胶的时空演变、大气中颗粒物的浓度、颗粒粒径大小、形状和粒子谱分布。该系统包括激光发射装置、接收装置、主控制器，激光发射装置和接收装置分别固定在连接板的两侧，其间距满足Scheimpflug成像原理。该系统采用四个二极管激光器作为光源，两个CMOS图像传感器分时探测，以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号，可以获取多个波长的激光雷达信号，与传统的脉冲式气溶胶激光雷达系统相比具有结构简单，操作方便，成本低，可靠性高等特点。

主权项

1.一种基于Scheimpflug原理的多波长偏振米散射激光雷达系统，其特征在于，所述的多波长偏振米散射激光雷达系统包括激光发射装置、接收装置和主控制器，所述激光发射装置和所述接收装置设置于连接板(45)的两侧，其中：所述激光发射装置包括设置于底板上的透镜(1)、第一安装支架(2)、透镜安装筒(3)、发射装置第一二向色镜(4)、发射装置第一笼式立方体(5)、全反射镜(6)、可调平台调整架(7)、第二安装支架(8)、遮光筒(9)、发射装置第二二向色镜(10)、旋转式笼式立方体平台(11)、探测器(12)、偏振分束器(13)、发射装置第二笼式立方体(14)、LD I二极管激光器(15)、第一空心圆柱体(16)、第一xyz三轴位移平台(17)、第二xyz三轴位移平台(20)、零级半波片(21)、第二空心圆柱体(22)、LD II二极管激光器(23)、第三xyz三轴位移平台(24)、LD III二极管激光器(25)、第一柱透镜组(26)、第四xyz三轴位移平台(33)、LD IV二极管激光器(34)和第二柱透镜组(35)，其中，所述透镜安装筒(3)通过所述第一安装支架(2)固定在所述底板上，所述透镜安装筒(3)与所述遮光筒(9)垂直对接，两者之间是连通、无遮挡的；所述透镜(1)安装在所述透镜安装筒(3)的入口端，所述全反射镜(6)安装在所述遮光筒(9)内且与水平线呈45度角，所述透镜(1)的光轴与所述全反射镜(6)的中心重合；所述遮光筒(9)通过所述第二安装支架(8)固定在所述底板上，所述全反射镜(6)固定在所述可调平台调整架(7)上，所述可调平台调整架(7)固定在所述遮光筒(9)内部，通过旋转所述可调平台调整架(7)上的两个旋钮对所述全反射镜(6)的俯仰角、翻滚角进行微调；所述旋转式笼式立方体平台(11)设置在所述遮光筒(9)的出口端正下方，固定在底板上，所述旋转式笼式立方体平台(11)的左侧面、上侧面、下侧面均为无遮挡面，因此与所述遮光筒(9)相通；所述发射装置第二二向色镜(10)设置在所述旋转式笼式立方体平台(11)中，并与水平线呈45度角，所述发射装置第二二向色镜(10)与所述全反射镜(6)的倾斜方向相反；所述全反射镜(6)的中心与发射装置第二二向色镜(10)的中心的连线平行于底板，并且与透镜(1)的主光轴互相垂直，通过所述透镜安装筒(3)、所述遮光筒(9)和所述旋转式笼式立方体平台(11)组成一个整体；所述偏振分束器(13)固定在所述底板上，位于所述旋转式笼式立方体平台(11)正下方，所述偏振分束器(13)的中心位于全反射镜(6)的中心与发射装置第二二向色镜(10)的中心连线的延长线上，所述偏振分束器(13)的反射面与该延长线成45度夹角并且平行于全反射镜(6)的光学表面，所述偏振分束器(13)所在的发射装置第二笼式立方体(14)的上侧面、下侧面、左侧面和右侧面均无遮挡，左侧面的边缘与探测器(12)相连接；所述LD I二极管激光器(15)和所述LD II二极管激光器(23)的功率、发散角相同，其位置相互垂直并分别位于所述发射装置第二笼式立方体(14)的右侧面和下侧面；所述LD I二极管激光器(15)在近所述偏振分束器(13)的一端与所述第一空心圆柱体(16)相连接，所述第一空心圆柱体(16)在近所述偏振分束器(13)的一端与所述第一xyz三轴位移平台(17)紧密连接，所述第一xyz三轴位移平台(17)固定在底板上；所述LD II二极管激光器(23)在近所述偏振分束器(13)的一端与所述第二空心圆柱体(22)相连接，所述第二空心圆柱体(22)在近所述偏振分束器(13)的一端与所述第二xyz三轴位移平台(20)紧密连接，所述第二圆柱体(22)内设置有零级半波片(21)，其旋转角度为45度且紧固于所述第二圆柱体(22)内，所述第二xyz三轴位移平台(20)固定在所述底板上；所述LD II二极管激光器(23)的中心、所述偏振分束器(13)的中心、所述发射装置第二二向色镜(10)及全反射镜(6)的中心位于一条直线上，并且平行于底板；所述LD I二极管激光器(15)的中心与所述偏振分束器(13)的中心所在直线平行于底板，并且与LD II二极管激光器(23)的中心和所述偏振分束器(13)的中心连线互相垂直；所述LD I二极管激光器(15)发射的光束绝大部分被所述偏振分束器(13)反射并从所述发射装置第二笼式立方体(14)上侧面射出，少量激光经左侧面出射并由探测器(12)探测；所述LD II二极管激光器(23)发射的光束绝大部分从所述偏振分束器(13)透射并从所述发射装置第二笼式立方体(14)上侧面射出，少量激光从左侧面出射并由探测器(12)探测；所述偏振分束器(13)将两束光束耦合，并由所述发射装置第二笼式立方体(14)的上侧面发射至所述旋转式笼式立方体平台(11)的无遮挡的下侧面；所述发射装置第一笼式立方体(5)固定在底板上，位于所述旋转式笼式立方体平台(11)的左侧，所述发射装置第一笼式立方体(5)内设置有发射装置第一二向色镜(4)，所述发射装置第一二向色镜(4)与发射装置第二二向色镜(10)反射面平行，所述发射装置第一笼式立方体(5)的左侧面、右侧面和下侧面均无遮挡；所述LD III二极管激光器(25)和所述LD IV二极管激光器(34)的位置相互垂直，分别位于所述发射装置笼式立方体(5)的下侧面和左侧面；所述LD III二极管激光器(25)在近所述发射装置笼式立方体(5)的一端紧固有第一柱透镜组(26)，所述第一柱透镜组(26)在近所述发射装置第一笼式立方体(5)的一端与所述第三xyz三轴位移平台(24)连接，所述第三xyz三轴位移平台(24)固定在所述底板上；所述LD IV二极管激光器(34)在近所述发射装置第一笼式立方体(5)的一端紧固有第二柱透镜组(35)，所述第二柱透镜组(35)在近所述发射装置笼式立方体(5)的一端与所述第四xyz三轴位移平台(33)连接，所述第四xyz三轴位移平台(33)固定在所述底板上；所述LD IV二极管激光器(34)的中心、所述第二柱透镜组(35)的中心、所述发射装置第一二向色镜(4)的中心、所述发射装置第二二向色镜(10)的中心在同一条直线上且连线平行于底板和透镜(1)的光轴；所述LD III二极管激光器(25)的中心、第一柱透镜组(26)的中心和所述发射装置第一二向色镜(4)的中心在同一条直线上且连线平行于底板，垂直于透镜(1)的光轴；所述LD III二极管激光器(25)发射的光束通过所述第一柱透镜组(26)以及所述发射装置笼式立方体(5)的无遮挡的下侧面，传递至所述发射装置第一二向色镜(4)并呈90度角反射；所述LD IV二极管激光器(34)发射的光束通过所述第二柱透镜组(35)以及所述发射装置笼式立方体(5)的无遮挡的左侧面，传递至所述发射装置第一二向色镜(4)并透射，所述发射装置第一二向色镜(4)将两光束耦合，并由发射装置笼式立方体(5)的无遮挡的右侧面传递至所述旋转式笼式立方体平台(11)的无遮挡的左侧面，进入所述旋转式笼式立方体平台(11)，所述LD I二极管激光器(15)和所述LD II二极管激光器(23)耦合的光束与所述LD III二极管激光器(25)和所述LD IV二极管激光器(34)耦合的光束，经所述发射装置第二二向色镜(10)耦合，并由所述旋转式笼式立方体平台(11)的无遮挡的上侧面传递至所述全反射镜(6)，并由全反射镜(6)反射至所述透镜(1)，从而发射到大气中；所述接收装置包括焦比F4牛顿反射式望远镜(44)、CMOS I图像传感器(36)、CMOS II图像传感器(37)、第一三角支撑架(39)、第二三角支撑架(38)、线偏振片(40)、接收装置二向色镜(41)、接收装置笼式立方体(42)、调焦旋钮(43)，其中，所述第一三角支撑架(39)的斜边和所述第二三角支撑架(38)的斜边分别作为所述CMOS I图像传感器(36)和所述CMOS II图像传感器(37)支撑边，所述第一三角支撑架(39)和所述第二三角支撑架(38)一直角边分别固定在所述接收装置笼式立方体(42)上侧面和左侧面上，使得所述CMOS I图像传感器(36)和所述CMOS II图像传感器(37)均与所述焦比F4牛顿反射式望远镜(44)的光轴呈45度夹角设置；所述接收装置笼式立方体(42)的上侧面、下侧面和左侧面无遮挡，所述线偏振片(40)固定在所述第一三角支撑架(39)的直角边内表面上，位于所述接收装置笼式立方体(42)的上侧面上方；所述接收装置二向色镜(41)与所述焦比F4牛顿反射式望远镜(44)的光轴呈45度夹角，设置在所述接收装置笼式立方体(42)内；所述CMOS I图像传感器(36)与所述接收装置二向色镜(41)的倾斜方向相反，所述接收装置笼式立方体(42)的下侧面与所述调焦旋钮(43)连接，所述调焦旋钮(43)设置于所述焦比F4牛顿反射式望远镜(44)侧壁上；所述焦比F4牛顿反射式望远镜(44)的光轴与透镜(1)所在的光轴的距离为d₁＝806mm，满足沙氏成像原理；所述焦比F4牛顿反射式望远镜(44)通过可调节旋钮(46)固定在所述连接板(45)上，该可调节旋钮(46)对所述焦比F4牛顿反射式望远镜(44)的俯仰角进行0°～1°角度调节；所述激光发射装置的后向散射信号由所述焦比F4牛顿反射式望远镜(44)接收，通过所述接收装置二向色镜(41)分离，所述LD I二极管激光器(15)和LD II二极管激光器(23)的后向散射信号由所述接收装置二向色镜(41)透射，并经过所述线偏振片(40)，进而通过所述CMOS I图像传感器(36)探测，所述LD III二极管激光器(25)和所述LD IV二极管激光器(34)的后向散射信号由接收装置二向色镜(41)反射，并由所述CMOSⅡ图像传感器(37)探测；所述主控制器包括：计算机、第一温控驱动板(27)、第二温控驱动板(28)、第一LD电流驱动板(18)、第二LD电流驱动板(19)、第三LD电流驱动板(29)、第四LD电流驱动板(30)、约翰逊计数器(32)，其中所述计算机作为各温控驱动板、各LD电流驱动板和CMOS图像传感器的上位机，用以对各驱动闭环控制和采集图像数据；所述第一温控驱动板(27)、所述第二温控驱动板(28)、所述第一LD电流驱动板(18)、所述第二LD电流驱动板(19)、所述第三LD电流驱动板(29)、所述第四LD电流驱动板(30)和所述约翰逊计数器(32)均设置于所述激光发射装置的底板上不影响光束传递的位置；所述第一温控驱动板(27)与所述LD I二极管激光器(15)和所述LD II二极管激光器(23)连接，用以控制所述LD I二极管激光器(15)和所述LD II二极管激光器(23)的温度，所述第一温控驱动板(27)与所述计算机连接，并且双向通信；所述第二温控驱动板(28)与所述LD III二极管激光器(25)和所述LD IV二极管激光器(34)连接，用以控制所述LD III二极管激光器(25)和所述LD IV二极管激光器(34)的温度，所述第二温控驱动板(28)与所述计算机连接，并且双向通信；所述第一LD电流驱动板(18)、所述第二LD电流驱动板(19)、所述第三LD电流驱动板(29)、所述第四LD电流驱动板(30)分别对应与所述LD I二极管激光器(15)、LD II二极管激光器(23)、LD III二极管激光器(25)和LD IV二极管激光器(34)相连接，以分别驱动各二极管激光器，所述第一LD电流驱动板(18)、所述第二LD电流驱动板(19)、所述第三LD电流驱动板(29)、所述第四LD电流驱动板(30)与所述计算机连接，并且双向通信；所述约翰逊计数器(32)与所述CMOS I图像传感器(36)和所述CMOS II图像传感器(37)连接，用以对所述CMOS I图像传感器(36)和所述CMOS II图像传感器(37)的触发信号进行分频，被分频的信号用以控制各二极管激光器的强度开关。