大氣探測激光雷達光學(xué)接收系統(tǒng)準直鏡設(shè)計?

李菁文， 趙一鳴， 劉 波， 李涼海， 于 勇

(北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

大氣探測激光雷達光學(xué)接收系統(tǒng)準直鏡設(shè)計?

李菁文， 趙一鳴， 劉 波， 李涼海， 于 勇

(北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

以大氣探測激光雷達系統(tǒng)為背景，介紹系統(tǒng)中準直鏡的設(shè)計方法。根據(jù)設(shè)計指標要求，計算滿足設(shè)計要求的準直鏡焦距范圍。設(shè)計三種不同型式的透射式準直鏡，分別計算不同距離處大氣回波信號經(jīng)準直鏡準直后的光束發(fā)散角及探測器上光斑尺寸。針對大氣探測激光雷達探測近距離目標時，不同波長回波光束經(jīng)準直鏡準直后發(fā)散情況嚴重這一特點，采用準直鏡離焦的方法。仿真結(jié)果表明，方法能夠使不同距離處三波長回波信號經(jīng)準直鏡準直后滿足光束口徑小于等于0.8倍探測器聚焦鏡口徑，光束發(fā)散角小于等于±1°的使用指標要求。

激光雷達； 接收系統(tǒng)； 準直鏡； 光學(xué)設(shè)計

引言

大氣探測激光雷達由激光發(fā)射子系統(tǒng)、激光器電源及控制子系統(tǒng)、信號接收子系統(tǒng)、掃描子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及信號處理子系統(tǒng)五部分組成。激光發(fā)射系統(tǒng)和回波信號接收系統(tǒng)采用離軸形式，有利于增加探測器的動態(tài)范圍，避免近距離強回波信號造成探測器飽和。信號接收子系統(tǒng)由望遠鏡、小孔光闌、準直鏡、分光鏡、濾光片和衰減片等后繼光學(xué)單元組成。經(jīng)過大氣氣溶膠粒子及大氣分子散射的激光雷達回波信號由望遠鏡接收，望遠鏡焦點處放置小孔光闌限制視場角?；夭ü馐?jīng)準直鏡準直成平行光，再經(jīng)過分光鏡分光，最終各個通道的光束經(jīng)過衰減片、濾光片到達光電倍增管[1，2]。

接收望遠鏡采用卡塞格林兩鏡系統(tǒng)，與望遠鏡相配合的準直鏡結(jié)構(gòu)和參數(shù)的選取，直接影響了最終到達光電探測器上的光束質(zhì)量[3]。本文依據(jù)目前研制的多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達系統(tǒng)，重點研究準直鏡的設(shè)計方法。

1 準直鏡設(shè)計指標要求與參數(shù)分析

1.1 準直鏡設(shè)計指標要求

準直鏡的主要作用是將望遠鏡接收的大氣后向散射光準直成平行光，便于后續(xù)光路的利用[4]。望遠鏡接收的后向散射光波長為355nm、532nm和1064nm三個波段，設(shè)計時要重點考慮色差對其性能的影響。根據(jù)設(shè)計指標要求，準直鏡到探測器的光程距離為500mm。在探測器聚焦鏡處，要求光束口徑小于等于0.8倍探測器聚焦鏡口徑。光路中的濾光片、分色鏡、偏振分光鏡在正常使用范圍內(nèi)對光束入射角度的要求是：濾光片光束入射角度≤±1°；分色鏡光束入射角度≤±1°；偏振分光鏡光束入射角度≤±1°。

準直鏡的設(shè)計目標是使其在滿足設(shè)計參數(shù)與望遠鏡參數(shù)相匹配基礎(chǔ)上，準直后的光束發(fā)散角及探測器聚焦鏡處光斑尺寸能夠滿足上述指標要求。

1.2 準直鏡參數(shù)分析

準直鏡的理想模型如圖1所示，其中y′為準直鏡物高的一半。u為望遠鏡像方孔徑角，即準直鏡物方孔徑角。根據(jù)系統(tǒng)尺寸要求，準直鏡的口徑為φ＝25.4mm。ω為準直鏡視場角，也即入射到濾光片、分光鏡和偏振分光鏡上的入射角。準直鏡最重要的參數(shù)就是焦距，它影響著最終到達探測器聚光鏡上的光束口徑和入射角度的大小。

圖1 準直鏡理想模型

由幾何光學(xué)可推導(dǎo)出準直鏡焦距f′與準直后光束在探測器聚焦鏡處光束口徑D及光束入射角度ω的關(guān)系

其中光程L、孔徑角u、半物高y′均已知。D、ω、f′三者關(guān)系如圖2所示。為像差留出一定裕量，取入射到探測器聚光鏡上的光束口徑D＝15.6mm，對應(yīng)的入射角度范圍為0.26°～0.64°，準直鏡焦距范圍為22.54mm～55.45mm。準直鏡焦距值在此范圍內(nèi)選取能夠滿足設(shè)計需求。

圖2 D、ω、f′三者關(guān)系圖

2 準直鏡設(shè)計結(jié)果分析

準直鏡的形式可以為透射式或反射式。透射式主要包括平凸—平凸型、平凸—平凹型、三分離型三種形式[5]，反射式主要為離軸拋物面式?？紤]到接收系統(tǒng)尺寸要求和加工、裝調(diào)周期、成本等要求，本系統(tǒng)采用透射式準直鏡。本文對三種透射式準直鏡進行了光學(xué)仿真設(shè)計，并對三種形式準直鏡的性能進行了分析比較。

對于非成像的激光雷達系統(tǒng)，對其光學(xué)系統(tǒng)性能的評價不同于成像系統(tǒng)。對準直鏡性能影響最大的是色差[6]，但軸向色差與橫向色差不能直接與光學(xué)系統(tǒng)性能聯(lián)系起來，只能通過光學(xué)仿真軟件分析經(jīng)過準直鏡后的軸上光線與軸外光線的發(fā)散角大小來評價其性能。設(shè)計時，將532nm波長定為中心主波長，將其準直性調(diào)到最佳，然后分析355nm和1064nm波長光的發(fā)散情況。表1、表2、表3分別列出了用ZEMAX軟件設(shè)計的三種透射式準直鏡軸上、軸外光束發(fā)散角度與500mm光程處光束口徑大小。

表1 平凸—平凸型準直鏡性能指標

表2 平凸—平凹型準直鏡性能指標

表3 三分離型準直鏡性能指標

從表中的數(shù)據(jù)可以看出，三種形式準直鏡出射光束的發(fā)散角度和探測器聚焦鏡處光束口徑大小都滿足要求。但這只是針對物在無窮遠時，望遠鏡接收到的后向散射光的情況。而在實際探測中，往往更加關(guān)心近地面大氣分布情況，也就是說，望遠鏡接收的回波光束大多是有限物距的。所以有必要分析當(dāng)目標在有限距離時，光束經(jīng)過準直鏡后的出射情況。仿真結(jié)果示于圖3、圖4和圖5，分別分析了三種形式準直鏡物距為100m、300m、500m、800m、1km、5km和10km時的情況。

圖3 目標在不同距離時平凸—平凸型準直鏡出射光線情況

圖4 目標在不同距離時平凸—平凹型準直鏡出射光線情況

圖5 目標在不同距離時三分離型準直鏡出射光線情況

從圖中可以看出，當(dāng)物在有限距離時，望遠鏡接收的后向散射光經(jīng)準直鏡準直后的光束發(fā)散情況嚴重，入射到探測器上的光束口徑大小和入射角度已經(jīng)不能夠滿足使用要求。

針對這一問題，采用準直鏡離焦的方法平衡三個波長光束的發(fā)散情況。離焦量的選取要綜合考慮三波長光束發(fā)散情況，若離焦量過小，則不足以平衡1064nm光束的發(fā)散，而離焦量過大又會使355nm光束嚴重會聚。經(jīng)過多次仿真模擬，最終確定離焦量為5mm時結(jié)果比較理想，仿真計算結(jié)果示于圖6、圖7和圖8。

圖6 離焦5mm時平凸—平凸型準直鏡出射光線情況

從圖中可以看出，離焦5mm后，物距由近到遠變化時，三種形式準直鏡準直后的光線都能滿足指標要求。從色差校正的角度來看，三分離型準直鏡色差校正效果最好，其次為平凸—平凹型。從探測器聚焦鏡處光束口徑大小和發(fā)散角度大小來看，最優(yōu)的也是三分離型，平凸—平凸型和平凸—平凹型性能基本相同。但是從成本價格和裝調(diào)情況考慮，平凸—平凸型準直鏡使用的玻璃材料價格最低，并且兩片鏡片完全相同，最易于裝調(diào)。綜合考慮諸情況，在滿足準直光線指標要求的前提下，選擇平凸—平凸型準直鏡作為本激光雷達系統(tǒng)中的準直鏡形式。

圖7 離焦5mm時平凸—平凹型準直鏡出射光線情況

圖8 離焦5mm時三分離型準直鏡出射光線情況

3 結(jié)束語

本文以大氣探測激光雷達系統(tǒng)為背景，研究分析了光學(xué)接收處理系統(tǒng)中準直鏡的光學(xué)設(shè)計方法。通過光學(xué)仿真模擬，設(shè)計了三種結(jié)構(gòu)形式的準直鏡，并分析了距離從100m到無窮遠處回波信號經(jīng)準直鏡準直后的光束質(zhì)量。采用準直鏡離焦的方法，得到了滿足大氣探測激光雷達從近處至無窮遠處探測需求的準直鏡設(shè)計結(jié)果。對三種形式準直鏡進行比較，最終確定在滿足準直光線指標要求的前提下，選擇平凸—平凸型作為雷達系統(tǒng)的準直鏡形式。仿真設(shè)計結(jié)果表明，準直鏡設(shè)計方法正確、有效，對激光雷達光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計仿真具有重大意義。

[1] 李洪敬，鮑 森，陳 敏.直接探測大氣激光雷達的系統(tǒng)設(shè)計[J].南京曉莊學(xué)院學(xué)報，2007，5(3)：25～28.

[2] 徐赤東，紀玉峰.MPL～AI/T型微脈沖激光雷達的研制與應(yīng)用[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2008，3(5)：337～339.

[3] 杜其成，徐赤東，紀玉峰.透射式同軸微脈沖激光雷達研制[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2007，2(5)：358～360.

[4] 王玉詔.純轉(zhuǎn)動拉曼-米散色激光雷達大氣溫度及氣溶膠探測技術(shù)研究[D].北京理工大學(xué)，2010，39～49.

[5] 張 樂.激光雷達發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2004，24～33.

[6] 蕭澤新，安連生.工程光學(xué)設(shè)計[M](第二版).北京：電子工業(yè)出版社，2002，55～59.

李菁文 1988年生，碩士，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計工作。

趙一鳴 1983年生，博士，主要從事激光雷達遙感、偏振成像的理論及實驗研究。

劉 波 1986年生，碩士，主要從事激光雷達，紅外光學(xué)系統(tǒng)研究工作。

李涼海 1965年生，研究員，主要研究方向為雷達系統(tǒng)設(shè)計。

于 勇 1971年生，博士，研究員，主要研究方向為雷達制導(dǎo)以及雷達系統(tǒng)。

Design of Collimating Lens for Optical Receiving System of Atmosphere Measurement Lidar

Li Jingwen， Zhao Yiming， Liu Bo， Li Lianghai， Yu Yong

The design method of collimating lens is introduced，which is installed in the Lidar system for atmospheric measurement.The focal length range of collimating lens based on the requirements of design is calculated.Three different models of transmission type collimating lens are designed，and the divergence of light and the size of light spot when different distance atmospheric echo signals are collimated by the collimating lens are calculated.When the Lidar detects the near distance targets，the divergence of different lights corresponding to emitted wavelength through the collimating lens is severe.Thus a method of collimating lens defocused is advanced.The simulation results indicate that this method can make the light beams of three-wavelength echos at different distances collimated by the collimating lens satisfy the requirements of index，which the diameter of light beam is less than or equal to point eight times the diameter of focus lens，the divergence of light beam is less than or equal to positive or negative one degree.

Lidar； Receiving system； Collimating lens； Optical design

TN249

A

CN11-1780(2014)02-0032-05

北京市科委資助項目(Z121100001412005)

2013-11-05 收修改稿日期：2013-12-04