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CN101216558B - 激光雷达发射与接收光路平行调整系统及方法 - Google Patents

激光雷达发射与接收光路平行调整系统及方法 Download PDF

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黄威
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Abstract

本发明公开了一种激光雷达发射与接收光路平行调整系统及方法，在接收望远镜镜筒上固定安装出射光方向与望远镜光轴方向平行的激光器，在激光器前方的光路中安装有对接镜、全反镜、接收望远镜镜筒前方安装的由一对直角棱镜组成的角反射器，从角反射器出射的激光束进入接收望远镜镜筒内，聚焦在接收望远镜主镜和副镜的组合焦平面上，聚焦的激光光斑经过90°转向镜转向后，在CCD上成像，在监视器上可以得到清晰的激光光斑图像。从光斑的形状可以判定光路是否平行并进行调整。结构简单，准确度比较高，已经成功的用于研制的激光雷达系统。

Description

激光雷达发射与接收光路平行调整系统及方法
技术领域
本发明属于一种激光雷达装置，具体是一种激光雷达发射与接收光路平行调整系统及方法。
背景技术
激光雷达根据发射与接收的光轴是否重合，分为非同轴系统和同轴系统。对于任何一个激光雷达系统，为了保证发射的激光光束在通过激光雷达盲区、过渡区以后全部进入激光雷达的接收视场内，必需保证发射的激光光束与接收望远镜的光轴平行。但是，由于温度变化、平台震动、激光器指向漂移或更换波长等原因，可能造成发射和接收光路的光轴发生偏离，不严格平行，引起信号测量误差。因此，激光雷达在设计上要保证激光发射单元和接收望远镜的机械与光学结构十分稳定，两光轴不因俯仰和方位的运动而发生改变，能够长时间内保持平行。同时，在激光雷达系统装调过程中，需要对发射激光光束与接收光学单元的光路平行进行严格的检测和调整；而且，在实验测量过程中也需要通过调整激光发射和接收光路平行调整装置进行定期检测和调整，保证发射和接收光路的光轴平行。
目前的光路调整可以根据激光雷达的回波信号强弱来调整，这种方法必须经验很丰富的工作人员操作，具有很强的主观性，而且准确性差；另外可以采用自动扫描方式调整光路，这种方法在光学与机械结构设计上较为复杂，而且造价昂贵；还可以通过发射激光光源自准直系统，即水准仪，它仅适合于长程，且精度不太高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CCD成像方式的激光雷达发射与接收光路平行调整系统及方法，结构上比较简单，准确度比较高，已经成功的用于研制的激光雷达系统。
本发明的技术方案是：
激光雷达发射与接收光路平行调整系统，包括有接收望远镜，其特征在于：在接收望远镜镜筒上固定安装出射光方向与望远镜光轴方向平行的激光器，在激光器前方的光路中安装有对接镜、反射镜、接收望远镜镜筒前方安装的由一对直角棱镜组成的角反射器，从角反射器出射的激光束进入接收望远镜镜筒内，聚焦在接收望远镜主镜和副镜的组合焦平面上，在所述的组合焦平面处安装有小孔光阑，在小孔光阑后安装有可移除的90°转向镜，聚焦的激光光斑经过90°转向镜转向后，在CCD上成像。
所述的激光雷达发射与接收光路平行调整系统，其特征在于所述的由一对直  角棱镜组成的角反射器安装在一个筒形架上，套装在望远镜筒的前端。
所述的激光雷达发射与接收光路平行调整系统，其特征在于所述90°转向镜的安装结构是：将其固定于滑块后，安置在槽型的导轨上以便于移除。
激光雷达发射与接收光路平行调整方法，其特征在于在接收望远镜镜筒上固定安装出射光方向与望远镜光轴方向平行的激光器，激光器的出射光经过对接镜、反射镜、接收望远镜镜筒前方安装的由一对直角棱镜组成的角反射器后，进入接收望远镜镜筒内，聚焦在接收望远镜主镜和副镜的组合焦平面处的小孔光阑后，聚焦的激光光斑经90°转向镜转向后，在CCD上成像，当光斑比较圆时，即表示发射的激光光束与接收望远镜光轴的平行；反之，则调节对接镜的位置，以改变激光发射的方向，使聚焦的激光光斑与接收望远镜主镜和副镜的组合焦平面重合，这样便完成了发射的激光光束与接收望远镜光轴的平行的调整。
角反射器由两块直角棱镜组成，平行调整精度为0.15mrad。激光束经发射系统射入该平行调整装置，而经平行调整装置后的出射光线总是与入射光线平行。此时，若出射光束射入接收望远镜系统小孔光阑正中心即焦平面上的焦点处，那么发射激光光束与接收激光光束平行；若光束偏离小孔光阑中心，那么只要调整激光发射系统的对接镜，使光束射入小孔光阑中心，调整即完毕，也就是说发射系统与接收系统平行度调整完毕。
平行度调整精度取决于光束质量。光斑比较圆(单横模)，调整平行度精度可以在0.2mrad，而接收望远镜视场一般设置在4mrad左右，故完全能满足全接收的要求。
本发明有三大特点：
1、解决调Q高功率激光束对铝膜的损伤问题，而且不影响发射光路。在平行调整装置的入口处放置一块反射镜，把大部分激光能量反射到其他方向，剩余很少的能量进入平行调整装置及望远镜系统，以确保在调整过程中平行调整装置及望远镜系统的膜层不受激光损伤，而反射镜的平行度为2″(0.01mrad)，又保证透过它的光束与发射光束平行。
2、采用CCD成像技术代替目镜成像。聚焦于一点的光斑经小孔光阑后，通过90°转向镜由CCD镜头，在监视器上可以得到清晰的激光光斑图像。这种通过监视器获得图像的方法比较直观，能够准确判断。
3、光路平行调整光路与接收光路通过90°转向镜切换工作。在小孔光阑与目镜之间设计有一个槽型的导轨结构，上面安装有90°转向镜。光路平行调整时，将90°转向镜装入，激光雷达进行测量时，90°转向镜移除。这样的设计，使光路平行调整与激光雷达探测互不影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2是收发光平行调整前后CCD上看到的光斑成像示意图，其中a是自然光通过望远镜在CCD上成像，b是光路调整完成前激光光斑在CCD上成像，c是光路调整完成后激光光斑在CCD上成像。
具体实施方式
激光雷达发射与接收光路平行调整系统，包括有接收望远镜，在接收望远镜镜筒上固定安装出射光方向与望远镜光轴方向平行的激光器，在激光器前方的光路中安装有对接镜、反射镜、接收望远镜镜筒前方安装的由一对直角棱镜组成的角反射器，从角反射器出射的激光束进入接收望远镜镜筒内，聚焦在接收望远镜主镜和副镜的组合焦平面上，在所述的组合焦平面处安装有小孔光阑，小孔光阑后安装有可移除的90°转向镜，聚焦的激光光斑经过90°转向镜转向后，在CCD上成像。
进行激光发射和接收光路平行调整时，首先使激光雷达呈水平放置，调整激光器的延迟时间，降低激光脉冲能量，以免激光脉冲能量太高，将激光光束方向调整装置损伤。
激光器输出激光光束经过对接镜和反射镜后，通过角反射器输出，聚焦在接收望远镜主镜和副镜的组合焦平面上，聚焦的激光光斑通过90°转向镜由CCD成像并在监视器上显示出激光光斑。调节对接镜的光调架的测微头旋钮以改变激光发射的方向，使聚焦的激光光斑与接收望远镜主镜和副镜的组合焦点重合，这样便完成了发射的激光光束与接收望远镜光轴的平行的调整。调整结束后，撤离角反射器、90°转向镜及CCD成像与监视装置，恢复激光器的Q-Switch延迟时间至最佳工作状态，激光雷达就可以进入等待测量状态。

Claims (4)

1.激光雷达发射与接收光路平行调整系统，包括有接收望远镜，其特征在于：在接收望远镜镜筒上固定安装出射光方向与望远镜光轴方向平行的激光器，在激光器前方的光路中安装有对接镜、反射镜、接收望远镜镜筒前方安装的由一对直角棱镜组成的角反射器，从角反射器出射的激光束进入接收望远镜镜筒内，聚焦在接收望远镜主镜和副镜的组合焦平面上，在所述的组合焦平面处安装有小孔光阑，在小孔光阑后安装有可移除的90°转向镜，聚焦的激光光斑经过90°转向镜转向后，在CCD上成像。
2.根据权利要求1所述的激光雷达发射与接收光路平行调整系统，其特征在于所述的由一对直角棱镜组成的角反射器安装在一个筒形架上，套装在接收望远镜镜筒的前端。
3.根据权利要求1所述的激光雷达发射与接收光路平行调整系统，其特征在于所述90°转向镜的安装结构是：将其固定于滑块后，安置在槽型的导轨上以便于移除。
4.激光雷达发射与接收光路平行调整方法，其特征在于在接收望远镜镜筒上固定安装出射光方向与接收望远镜光轴方向平行的激光器，激光器的出射光经过对接镜、反射镜、接收望远镜镜筒前方安装的由一对直角棱镜组成的角反射器后，进入接收望远镜镜筒内，聚焦在接收望远镜主镜和副镜的组合焦平面处的小孔光阑后，聚焦的激光光斑经90°转向镜转向后，在CCD上成像，当光斑比较圆时，即表示发射的激光光束与接收望远镜光轴的平行；反之，则调节对接镜的位置，以改变激光发射的方向，使聚焦的激光光斑与接收望远镜主镜和副镜的组合焦平面重合，这样便完成了发射的激光光束与接收望远镜光轴的平行的调整。 
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