阅读说明：本技术 一种三波长多通道激光雷达系统 (Three-wavelength multichannel laser radar system ) 是由 张帅 施奇兵 徐纬煜 叶丛雷 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三波长多通道激光雷达系统,包括：方舱和安装于方舱内的光学发射系统、接收分光系统、数据采集系统和工控机,所述的方舱的顶部设有天窗；所述的光学发射系统包括种子注入激光器、二倍频晶体模组、三倍频晶体模组、扩束器组和反射镜组；所述的接收分光系统包括望远镜、后继光学组件和分光组件；所述的数据采集系统包括采集卡和光电传感器组件,本发明克服了现有技术的不足,该系统各组件能稳定工作,且可发射三种不同波长的激光,并且通过接收分光系统分光后,分成六组,通过不同功能的滤光组件滤光后,实现了多通道的探测,可将水汽、气凝胶、云、颗粒和沙尘进行一体化观测。(The invention discloses a three-wavelength multichannel laser radar system, which comprises: the system comprises a shelter, an optical transmitting system, a receiving and light splitting system, a data acquisition system and an industrial personal computer, wherein the optical transmitting system, the receiving and light splitting system, the data acquisition system and the industrial personal computer are arranged in the shelter; the optical emission system comprises a seed injection laser, a frequency doubling crystal module, a frequency tripling crystal module, a beam expander set and a reflector set; the receiving light splitting system comprises a telescope, a subsequent optical component and a light splitting component; the data acquisition system comprises an acquisition card and a photoelectric sensor assembly, the defects in the prior art are overcome, each assembly of the system can stably work, can emit laser with three different wavelengths, is divided into six groups after being split by a receiving light splitting system, realizes multi-channel detection after being filtered by filtering assemblies with different functions, and can integrally observe water vapor, aerogel, cloud, particles and sand dust.)

一种三波长多通道激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体属于一种三波长多通道激光雷达系统。

背景技术

激光雷达(LIDAR，LIght Detection And Ranging)是以激光为光源，通过探测激光与大气相互作用产生的回波信号，来遥感大气，具备高精度距离分辨能力。激光与大气的相互作用，会产生包含气体原子、分子、大气气溶胶粒子和云等有关信息的辐射信号，利用相应的反演方法就可以从中得到关于气体原子、分子、大气气溶胶粒子和云等大气成分的信息。

同时激光雷达可以获得大气温度廓线、大气湿度廓线、臭氧廓线等信息，是气象、环保行业中不可缺少的监测设备，应用前景越来越广泛。

采用多波长发射，多通道探测，可以集合水汽和气溶胶(颗粒物、沙尘、云等)等多参数观测为一体。

发明内容

本发明的目的是提供一种三波长多通道激光雷达系统，克服了现有技术的不足。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种三波长多通道激光雷达系统，包括：方舱和安装于方舱内的光学发射系统、接收分光系统、数据采集系统和工控机，所述的方舱的顶部设有天窗；

所述的光学发射系统包括：种子注入激光器、二倍频晶体模组、三倍频晶体模组、扩束器组和反射镜组，所述的种子注入激光器发射的激光依次经过二倍频晶体模组、三倍频晶体模组、扩束器组、反射镜组和天窗进入大气，所述的种子注入激光器与工控机电连接；

所述的接收分光系统包括：望远镜、后继光学组件和分光组件，所述的后继光学组件设置于望远镜的后方，所述的将望远镜接收到的光线处理后传输给分光组件，所述的分光组件将准直后的激光分成六组光；

所述的数据采集系统包括采集卡和光电传感器组件，所述的光电传感器组件包括五个由滤光组件和光电倍增管构成的第一光电传感器和一个由滤光组件和雪崩光电二极管组成的第二光电传感器，六组光分别对应一个第一光电传感器或一个第二光电传感器，所述的第一光电传感器和第二光电传感器与采集卡电连接，所述的采集卡与工控机电连接。

其中，所述的种子注入激光器发射的激光经过二倍频晶体模组和三倍频晶体模组分成三束波长分别为355nm、532nm、1064nm的激光，所述的扩束器组包括三个扩束器，所述的反射镜组包括各由两个第三反射镜组成的三个反射组，每个反射组对应一个波长的激光和一个扩束器。

其中，所述的反射组对其对应的波长的激光的反射率大于99％，阈值大于10J/cm²。

其中，所述的种子注入激光器为单脉冲能量大于100mJ的激光器，所述的扩束器扩束倍数大于5倍，透光效率≥95％。

其中，所述的望远镜口径不小于16英寸，所述的望远镜的主次镜镀膜针对接收通道对应波长的激光的反射率不小于90％。

其中，所述的后继光学组件包括光栅、第一反射镜和准直透镜，光栅将望远镜接收到的光线过滤后经第一反射镜反射至准直透镜，将发散的光信号进行准直，然后进入分光组件。

其中，所述的分光组件包括第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、偏振棱镜和第二反射镜，第一分光镜将来自于后继光学组件的光线分为第一路光和第二路光，第二路光到达第二分光镜被分成第三路光和第四路光，第三路光和第四路光分别进入两个第一光电传感器，第一路光到达第三分光镜被分成第五路光和第六路光，第五路光进入一个第二光电传感器，第六路光到达第三分光镜被分成第七路光和第八路光，第七路光进入一个第一光电传感器，第八路光到达第四分光镜被分成第九路光和第十路光，第九路光进入一个第一光电传感器，第十路光到达第二反射镜被反射到一个第一光电传感器。

其中，第一分光镜对660nm的光的反射率大于90％，对607nm的光透过率大于95％；第二分光镜对660nm的光反射率大于95％；第三分光镜对607nm的光透过率大于95％，对1064nm的光反射率大于90％；第四分光镜对607nm的光反射率大于95％，对532nm的光透过率大于95％；偏振棱镜为532nm偏振分光镜。

其中，第三路光对应的第一光电传感器的光通道为355nm信号通道，第四路光对应的第一光电传感器的光通道为660nm通道，第五路光对应的第二光电传感器的光通道为1064nm通道，第七路光对应的第一光电传感器的光通道为608nm通道，第九路光对应的第一光电传感器的光通道为532nm-S通道，第十路光对应的第一光电传感器的光通道为532nm-P通道。

其中，所述的滤光组件包括汇聚透镜及滤光片，其中滤光片带宽小于1nm，透过率大于50％。

其中，所述的种子注入激光器还包括能量监测模块和频率监测模块，所述的能量监测模块和频率监测模块与工控机电连接。

其中，所述的方舱的顶部设有天窗，所述的天窗上还安装有清洁除雾装置，所述的清洁除雾装置的清洁除雾面积不小于0.3平方米。

其中，所述的放舱内还安装有温控系统，所述的温控系统与工控机电连接。

其中，所述的方舱采用保温隔热材料，所述的方舱的厚度不小于75mm。

其中，所述的方舱采用保温隔热材料，所述的方舱的厚度为100mm。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：该系统可对方舱内温度进行控制，使各组件能在适宜的环境中工作，保证个组件的稳定性，且方舱使用隔热材料，使方舱具有较好的保温效果；该系统可发射三种不同波长的激光，并且通过接收分光系统分光后，分成六组，通过不同功能的滤光组件滤光后，实现了多通道的探测，可将水汽、气凝胶、云、颗粒和沙尘进行一体化观测。

附图说明

图1为本发明的系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种三波长多通道激光雷达系统包括方舱1和安装于方舱1内的光学发射系统、接收分光系统、数据采集系统和工控机16，方舱1的顶部设有天窗；光学发射系统发出的激光经天窗进入大气后产生的后向散射信号被接收分光系统接收，然后经处理和分光后进入数据采集系统，最后工控机16对数据采集系统采集的数据进行记录和处理。此外天窗上还安装有清洁除雾装置3，为激光的发射与接收提供必备条件，清洁除雾装置3的清洁除雾面积为0.5m²；放舱内还安装有温控系统2，温控系统2使用空调，由外接电源供电，可对放舱内的温度进行控制，为激光雷达系统的工作提供稳定的环境。

方舱1采用保温隔热材料，方舱1的厚度为100mm，使方舱1具有较好的保温效果。

该系统的光学发射系统包括：种子注入激光器4、二倍频晶体模组5、三倍频晶体模组6、扩束器组和反射镜组，种子注入激光器4为单脉冲能量大于100mJ的激光器，种子注入激光器4发射的激光依次经过二倍频晶体模组5、三倍频晶体模组6、扩束器组、反射镜组后，穿过天窗进入大气；二倍频晶体模组5和三倍频晶体模组6的型号为Surelite 619-2700和Surelite 619-2720，扩束器7扩束倍数大于5倍，透光效率≥95％；种子注入激光器4还包括能量监测模块41和频率监测模块42，种子注入激光器4、能量监测模块41和频率监测模块42与工控机16电连接。在种子注入激光器4发射激光的同时，能量监测模块41、频率监测模块42实时进行数据反馈，使工控机16能够实时了解种子注入激光器4的状态。

种子注入激光器4发射的激光经过二倍频晶体模组5和三倍频晶体模组6分成三束波长分别为355nm、532nm、1064nm的激光，扩束器组包括三个扩束器7，反射镜组包括各由两个第三反射镜10组成的三个反射组，第三反射镜10安装于二维调节座11上，二维调节座11与工控机16电连接，通过工控机16可对第三反射镜的位置进行调节，反射组对其对应的波长的激光的反射率大于99％，阈值大于10J/cm²，每个反射组对应一个波长的激光和一个扩束器7。

而接收分光系统包括：望远镜8、后继光学组件和分光组件，望远镜8采用卡塞格林系统，具备主动散热系统，望远镜口径为16英寸，望远镜8的主镜镀膜针81和次镜镀膜针82对接收通道对应波长的激光的反射率不小于90％；后继光学组件设置于望远镜8的后方，后继光学组件包括光栅20、第一反射镜21和准直透镜22，第一反射镜安装于三维调节座12上，三维调节座12与工控机16电连接，通过工控机16可对第一反射镜21的位置进行调节，以取得较好的反射效果。光栅20将望远镜8接收到的光线过滤后较强的太阳光被抑制，经第一反射镜21反射至准直透镜22，将发散的光信号进行准直，然后进入分光组件，分光组件将准直后的激光分成六组光。

分光组件包括第一分光镜23、第二分光镜24、第三分光镜25、第四分光镜26、偏振棱镜27和第二反射镜28，且第一分光镜23、第二分光镜24、第三分光镜25、第四分光镜26、偏振棱镜27和第二反射镜28分别安装于二维调节座11上，二维调节座11与工控机16电连接。数据采集系统包括采集卡9和光电传感器组件，光电传感器组件包括五个由滤光组件30和光电倍增管31构成的第一光电传感器和一个由滤光组件30和雪崩光电二极管32组成的第二光电传感器，滤光组件30包括汇聚透镜及滤光片，滤光片带宽小于1nm，透过率大于50％。

六组光分别对应一个第一光电传感器或一个第二光电传感器，第一光电传感器和第二光电传感器与采集卡9电连接，采集卡9与工控机16电连接。

分光组件的第一分光镜23将来自于准直透镜22的光线分为第一路光和第二路光，第二路光到达第二分光镜24被分成第三路光和第四路光，第三路光和第四路光分别进入两个第一光电传感器，第一光电传感器将光信号转换为数字信号，数字信号由采集卡9采集，然后采集卡9将数据传输至工控机16进行分析处理；第一路光到达第三分光镜25被分成第五路光和第六路光，第五路光进入一个第二光电传感器，第二光电传感器将光信号转换为数字信号，数字信号由采集卡9采集，然后采集卡9将数据传输至工控机16进行分析处理；第六路光到达第三分光镜25被分成第七路光和第八路光，第七路光进入一个第一光电传感器，第一光电传感器将光信号转换为数字信号，数字信号由采集卡9采集，然后采集卡9将数据传输至工控机16进行分析处理；第八路光到达第四分光镜26被分成第九路光和第十路光，第九路光进入一个第一光电传感器，第一光电传感器将光信号转换为数字信号，数字信号由采集卡9采集，然后采集卡9将数据传输至工控机16进行分析处理；第十路光到达第二反射镜2828被反射到一个第一光电传感器，第一光电传感器将光信号转换为数字信号，数字信号由采集卡9采集，然后采集卡9将数据传输至工控机16进行分析处理；多组数据最终由采集卡9到工控机16，然后通过相应的算法进行反演得到一系列大气参数。

第一分光镜23对660nm的光的反射率大于90％，对607nm的光透过率大于95％；第二分光镜24对660nm的光反射率大于95％；第三分光镜25对607nm的光透过率大于95％，对1064nm的光反射率大于90％；第四分光镜26对607nm的光反射率大于95％，对532nm的光透过率大于95％；偏振棱镜27为532nm偏振分光镜。

被分光组件分成的六组光分别指第三路光、第四路光、第五路光、第七路光、第九路光和第十路光。其中，第三路光对应的第一光电传感器的光通道为355nm信号通道，第四路光对应的第一光电传感器的光通道为660nm通道，第五路光对应的第二光电传感器的光通道为1064nm通道，第七路光对应的第一光电传感器的光通道为608nm通道，第九路光对应的第一光电传感器的光通道为532nm-S通道，第十路光对应的第一光电传感器的光通道为532nm-P通道。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。