CN104142498A - 一种新型相干测风激光雷达扩束器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型相干测风激光雷达扩束器，属于激光雷达探测大气领域，包括一个输入镜1和一个输出镜2；输入镜为前表面为凹球面、后表面为平面的平凹透镜；输出镜为前表面为平面、后表面为凸球面的平凸透镜；入射光经过输入镜发散、扩束到达输出镜，经过输出镜对光束准直、压缩发散角，出光角度近似平行光出射。对比现有扩束器，本发明采用1个平凹透镜和1个平凸透镜的组合，减少了光能损失，提高了光能利用率和准直效果；使得该扩束器光学系统体积小、结构简单，光能利用率高，稳定性高，成本低，解决了现有扩束器镜片数较多、结构较复杂、光能损失严重等问题。

Description

一种新型相干测风激光雷达扩束器

技术领域

本发明涉及一种新型相干测风激光雷达扩束器，属于激光雷达探测大气领域。

技术背景

大气风场对大气物理、机场风场、航天器的发射和运行、温度、湿度的变化、天气预报等的研究具有重要影响。相干测风激光雷达是一种新型的测风手段，利用多普勒原理、外差探测技术，采用激光作为探测光源，向大气发射激光脉冲，接收大气(气溶胶粒子和大气分子)的后向散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速，其时间、空间分辨率高，探测得到的风速误差小，具有较高的机动性。

扩束器是相干测风激光雷达的重要组成部分，其性能决定了激光雷达的探测精度。扩束器是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。从激光器发出的激光束具有一定的发散角，通过扩束器的调节使激光光束变为准直(平行)光束，才能利用聚焦镜获得细小的高功率密度光斑；通过扩束器能改变光束直径以便用于不同的光学仪器设备。

相干测风激光雷达中，为了高精度探测的需要，系统孔径上需得到尽可能多的相干信号，发射比较大光束直径至大气中，为了降低望远镜的设计加工难度、削减成本，需要在激光器与望远镜之间加入扩束器，对激光束进行预扩束准直。大气(气溶胶粒子和大气分子)的后向散射信号通过望远镜后的光束直径比较大，为了配合其它的光学器件，如耦合器，需要在望远镜后加入缩束器(扩束器倒置)，减小光束直径。

现有扩束器镜片数较多、结构较复杂、且光能损失严重。

发明内容

本发明的目的是针对现有扩束器镜片数较多、结构较复杂、且光能损失严重的缺陷，提出一种新型相干测风激光雷达扩束器，最终得到一种体积紧凑、结构简单、光能损失少的相干测风激光雷达扩束器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种新型相干测风激光雷达扩束器，其特征在于：包括1个输入镜和1个输出镜；入射光经过输入镜发散、扩束到达输出镜，经过输出镜对光束准直、压缩发散角，出光角度近似平行光出射。

所述输入镜为前表面为凹球面、后表面为平面的平凹透镜；

所述输出镜为前表面为平面、后表面为凸球面的平凸透镜。

有益效果：

对比现有扩束器，本发明采用1个平凹透镜和1个平凸透镜组合，减少了光能损失，提高了光能利用率和准直效果；使得该扩束器光学系统体积小、结构简单，光能利用率高，稳定性高，成本低，解决了现有扩束器镜片数较多、结构较复杂、光能损失严重等问题。

附图说明

图1为本发明中的新型相干激光测风雷达扩束器的结构示意图；

图2为本发明中的新型相干激光测风雷达扩束器的原理示意图；

图3为本发明中的新型相干激光测风雷达扩束器的光路图；

图4为本发明中的新型相干激光测风雷达扩束器的调制传递函数(MTF)曲线图；

图5为本发明中的新型相干激光测风雷达扩束器的波前差图；

附图标记：1-输入镜、2-输出镜。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明的一种新型相干测风激光雷达扩束器由一个平凹透镜作为输入镜1和一个平凸透镜作为输出镜2组成，对激光器发射的光进行压缩发散角，准直扩束，减少了光能损失，提高了激光的利用率。该扩束器光学系统体积小、结构简单，光能利用率高，稳定性高，成本低。

如图2所示为扩束器的工作原理图，可以看出扩束器通常包括一个输入负透镜和一个输出正透镜。输入镜将一个虚焦点光束传送给输出镜，两个透镜是虚共焦结构。输入镜将入射的激光束聚焦在前焦平面上(虚焦点)，新的束腰ω'₀和发散角θ'为

${{\mathrm{\ω}}_0}^{\′}=\frac{f_1\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0}---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{{\mathrm{\ω}}_0}^{\′}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ω}\left(l\right)={\mathrm{\ω}}_0\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{l\λ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^2}\right)}^2}---\left(3\right)$

式中λ为入射激光波长，ω(l)为入射激光束在入射镜上光束半径，l是入射激光束腰与入射镜的距离，f₁是输入镜的焦距，ω₀是入射光束的束腰。因为ω₀'落在输出镜的后焦平面上，并且输出镜的焦距f₂大于输入镜的焦距，高斯光束将被扩束镜准直。准直倍率如下：

$T=\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}^{\′\′}}=T_1\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{l\λ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^2}\right)}^2}---\left(4\right)$

式中T₁＝f₂/f₁，θ是入射光束的发散角。经过扩束镜后，束腰ω₀″和发散角θ″为

${{\mathrm{\ω}}_0}^{\′\′}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{{\mathrm{\ω}}_0}^{\′}}{f}_2---\left(5\right)$

${\mathrm{\θ}}^{\′\′}=\frac{\mathrm{\θ}}{T}---\left(6\right)$

将(1)式代入(5)得到

ω₀″＝T₁ω(l)    (7)

从(4)至(7)式可以看出，扩束倍率和准直倍率不仅与扩束器的参数有关，还与激光束参数和扩束器透镜的位置有关。扩束器的功能是降低激光束的发散角，进而使激光器聚焦光斑更小。

根据相干测风激光雷达的总体要求：扩束器的扩束倍数为4倍，入射光的口径为3.5mm，出射光的口径为14mm，发散角约为0.3085°(半角)，波前差小于1/4λ，采用红外波段的材料，包括1片平凹透镜(1)和1片平凸透镜(2)，将激光器发射的光进行扩束，压缩发散角，出光角度近似平行光出射，控制扩束器的长度不超过50mm，每个透镜的边缘留有约2mm的装配余量，扩束器系统参数如表1所示，扩束器光路图如图3所示。该扩束器具有体积小、结构简单、有利于机械结构设计、无内部焦点、光能损失少等特点。

表1扩束器系统参数

大扩束倍数的光学系统，一般采用调制传递函数及波前差进行评价，调制传递函数(MTF)是评价光学系统的主要方法，如图4所示，调制传递函数曲线表明各个视场(0°、0.216°、±0.3085°)的弧矢(S)和子午(T)面的调制传递函数曲线已经和衍射极限(TS DIFF.LIMIT)曲线相重合，说明像差控制得很好。

波前差如图5所示，在0视场和1视场(单位：毫弧度mrad)的波前差均方根为0.0016个波长左右，远小于1/4个波长，满足相干测风激光雷达系统设计要求。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种新型相干测风激光雷达扩束器，其特征在于，包括一个输入镜1和一个输出镜2；入射光经过输入镜1发散、扩束到达输出镜，经过输出镜2对光束准直、压缩发散角，出光角度近似平行光出射。

2.根据权利要求1所述的一种新型相干测风激光雷达扩束器，其特征在于，所述输入镜1为前表面为凹球面、后表面为平面的平凹透镜；所述输出镜2为前表面为平面、后表面为凸球面的平凸透镜。