李菁文， 趙一鳴， 劉 波， 李涼海， 于 勇

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

大氣探測(cè)激光雷達(dá)光學(xué)接收系統(tǒng)準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì)?

李菁文， 趙一鳴， 劉 波， 李涼海， 于 勇

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

以大氣探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)為背景，介紹系統(tǒng)中準(zhǔn)直鏡的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，計(jì)算滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的準(zhǔn)直鏡焦距范圍。設(shè)計(jì)三種不同型式的透射式準(zhǔn)直鏡，分別計(jì)算不同距離處大氣回波信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后的光束發(fā)散角及探測(cè)器上光斑尺寸。針對(duì)大氣探測(cè)激光雷達(dá)探測(cè)近距離目標(biāo)時(shí)，不同波長(zhǎng)回波光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后發(fā)散情況嚴(yán)重這一特點(diǎn)，采用準(zhǔn)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(zhǎng)回波信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后滿(mǎn)足光束口徑小于等于0.8倍探測(cè)器聚焦鏡口徑，光束發(fā)散角小于等于±1°的使用指標(biāo)要求。

激光雷達(dá)； 接收系統(tǒng)； 準(zhǔn)直鏡； 光學(xué)設(shè)計(jì)

引言

大氣探測(cè)激光雷達(dá)由激光發(fā)射子系統(tǒng)、激光器電源及控制子系統(tǒng)、信號(hào)接收子系統(tǒng)、掃描子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及信號(hào)處理子系統(tǒng)五部分組成。激光發(fā)射系統(tǒng)和回波信號(hào)接收系統(tǒng)采用離軸形式，有利于增加探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍，避免近距離強(qiáng)回波信號(hào)造成探測(cè)器飽和。信號(hào)接收子系統(tǒng)由望遠(yuǎn)鏡、小孔光闌、準(zhǔn)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(guò)大氣氣溶膠粒子及大氣分子散射的激光雷達(dá)回波信號(hào)由望遠(yuǎn)鏡接收，望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)處放置小孔光闌限制視場(chǎng)角。回波光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光，再經(jīng)過(guò)分光鏡分光，最終各個(gè)通道的光束經(jīng)過(guò)衰減片、濾光片到達(dá)光電倍增管[1，2]。

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

1 準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì)指標(biāo)要求與參數(shù)分析

1.1 準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

準(zhǔn)直鏡的主要作用是將望遠(yuǎn)鏡接收的大氣后向散射光準(zhǔn)直成平行光，便于后續(xù)光路的利用[4]。望遠(yuǎn)鏡接收的后向散射光波長(zhǎng)為355nm、532nm和1064nm三個(gè)波段，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮色差對(duì)其性能的影響。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，準(zhǔn)直鏡到探測(cè)器的光程距離為500mm。在探測(cè)器聚焦鏡處，要求光束口徑小于等于0.8倍探測(cè)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(duì)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(zhǔn)直鏡的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使其在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)參數(shù)與望遠(yuǎn)鏡參數(shù)相匹配基礎(chǔ)上，準(zhǔn)直后的光束發(fā)散角及探測(cè)器聚焦鏡處光斑尺寸能夠滿(mǎn)足上述指標(biāo)要求。

1.2 準(zhǔn)直鏡參數(shù)分析

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

圖1 準(zhǔn)直鏡理想模型

由幾何光學(xué)可推導(dǎo)出準(zhǔn)直鏡焦距f′與準(zhǔn)直后光束在探測(cè)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(cè)器聚光鏡上的光束口徑D＝15.6mm，對(duì)應(yīng)的入射角度范圍為0.26°～0.64°，準(zhǔn)直鏡焦距范圍為22.54mm～55.45mm。準(zhǔn)直鏡焦距值在此范圍內(nèi)選取能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖2 D、ω、f′三者關(guān)系圖

2 準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì)結(jié)果分析

準(zhǔn)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(zhǔn)直鏡。本文對(duì)三種透射式準(zhǔn)直鏡進(jìn)行了光學(xué)仿真設(shè)計(jì)，并對(duì)三種形式準(zhǔn)直鏡的性能進(jìn)行了分析比較。

對(duì)于非成像的激光雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)其光學(xué)系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)不同于成像系統(tǒng)。對(duì)準(zhǔn)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(lái)，只能通過(guò)光學(xué)仿真軟件分析經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡后的軸上光線(xiàn)與軸外光線(xiàn)的發(fā)散角大小來(lái)評(píng)價(jià)其性能。設(shè)計(jì)時(shí)，將532nm波長(zhǎng)定為中心主波長(zhǎng)，將其準(zhǔn)直性調(diào)到最佳，然后分析355nm和1064nm波長(zhǎng)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(jì)的三種透射式準(zhǔn)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(zhǔn)直鏡性能指標(biāo)

表2 平凸—平凹型準(zhǔn)直鏡性能指標(biāo)

表3 三分離型準(zhǔn)直鏡性能指標(biāo)

從表中的數(shù)據(jù)可以看出，三種形式準(zhǔn)直鏡出射光束的發(fā)散角度和探測(cè)器聚焦鏡處光束口徑大小都滿(mǎn)足要求。但這只是針對(duì)物在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡接收到的后向散射光的情況。而在實(shí)際探測(cè)中，往往更加關(guān)心近地面大氣分布情況，也就是說(shuō)，望遠(yuǎn)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(biāo)在有限距離時(shí)，光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)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(zhǔn)直鏡物距為100m、300m、500m、800m、1km、5km和10km時(shí)的情況。

圖3 目標(biāo)在不同距離時(shí)平凸—平凸型準(zhǔn)直鏡出射光線(xiàn)情況

圖4 目標(biāo)在不同距離時(shí)平凸—平凹型準(zhǔn)直鏡出射光線(xiàn)情況

圖5 目標(biāo)在不同距離時(shí)三分離型準(zhǔn)直鏡出射光線(xiàn)情況

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

針對(duì)這一問(wèn)題，采用準(zhǔn)直鏡離焦的方法平衡三個(gè)波長(zhǎng)光束的發(fā)散情況。離焦量的選取要綜合考慮三波長(zhǎng)光束發(fā)散情況，若離焦量過(guò)小，則不足以平衡1064nm光束的發(fā)散，而離焦量過(guò)大又會(huì)使355nm光束嚴(yán)重會(huì)聚。經(jīng)過(guò)多次仿真模擬，最終確定離焦量為5mm時(shí)結(jié)果比較理想，仿真計(jì)算結(jié)果示于圖6、圖7和圖8。

圖6 離焦5mm時(shí)平凸—平凸型準(zhǔn)直鏡出射光線(xiàn)情況

從圖中可以看出，離焦5mm后，物距由近到遠(yuǎn)變化時(shí)，三種形式準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后的光線(xiàn)都能滿(mǎn)足指標(biāo)要求。從色差校正的角度來(lái)看，三分離型準(zhǔn)直鏡色差校正效果最好，其次為平凸—平凹型。從探測(cè)器聚焦鏡處光束口徑大小和發(fā)散角度大小來(lái)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(jià)格和裝調(diào)情況考慮，平凸—平凸型準(zhǔn)直鏡使用的玻璃材料價(jià)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(mǎn)足準(zhǔn)直光線(xiàn)指標(biāo)要求的前提下，選擇平凸—平凸型準(zhǔn)直鏡作為本激光雷達(dá)系統(tǒng)中的準(zhǔn)直鏡形式。

圖7 離焦5mm時(shí)平凸—平凹型準(zhǔn)直鏡出射光線(xiàn)情況

圖8 離焦5mm時(shí)三分離型準(zhǔn)直鏡出射光線(xiàn)情況

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以大氣探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)為背景，研究分析了光學(xué)接收處理系統(tǒng)中準(zhǔn)直鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)光學(xué)仿真模擬，設(shè)計(jì)了三種結(jié)構(gòu)形式的準(zhǔn)直鏡，并分析了距離從100m到無(wú)窮遠(yuǎn)處回波信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后的光束質(zhì)量。采用準(zhǔn)直鏡離焦的方法，得到了滿(mǎn)足大氣探測(cè)激光雷達(dá)從近處至無(wú)窮遠(yuǎn)處探測(cè)需求的準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì)結(jié)果。對(duì)三種形式準(zhǔn)直鏡進(jìn)行比較，最終確定在滿(mǎn)足準(zhǔn)直光線(xiàn)指標(biāo)要求的前提下，選擇平凸—平凸型作為雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)直鏡形式。仿真設(shè)計(jì)結(jié)果表明，準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì)方法正確、有效，對(duì)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真具有重大意義。

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

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

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

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

[5] 張 樂(lè).激光雷達(dá)發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)研究[D].國(guó)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(jì)[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(jì)工作。

趙一鳴 1983年生，博士，主要從事激光雷達(dá)遙感、偏振成像的理論及實(shí)驗(yàn)研究。

劉 波 1986年生，碩士，主要從事激光雷達(dá)，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?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

于 勇 1971年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)制導(dǎo)以及雷達(dá)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(xiàng)目(Z121100001412005)

2013-11-05 收修改稿日期：2013-12-04