一种激光雷达多波长相近的波分复用探测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种激光雷达多波长相近的波分复用探测系统。它包括透镜，两个偏振分束器‑格兰偏振棱镜，五片四分之一波片，四个会聚透镜，四个探测器，四个F‑P标准具，反射镜，四片环境光滤波片。它能将望远镜接收到的激光雷达回波中不超过4个波长组分的光能量分开探测。当回波中包含4个波长相近的组分时，每个波长的激光回波都会依其所含偏振分量的方向选择不同的路径行进最终到达指定的一个探测器而不会进入其他三个探测器，实现波分复用探测。本发明专利技术的优点在于：系统能够探测到激光雷达回波中混合的不超过四个相近波长的各组分的能量，探测效率高，不依赖各波长入射光的偏振态组成，可用于其他需要分离多个相近波长并探测各波长光能量的场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光雷达接收系统，具体涉及一种激光雷达多波长相近的波分复用探测系统。
技术介绍
激光雷达发射机时间上先后发射相近波长的激光脉冲，因为在时间上是分开的，所以接收机可以共用滤光片和探测器，探测电路先后输出信号即可。但是有时发射机会同时发射波长相近的激光脉冲(2个，3个，或4种波长)，接收机通过望远镜把这些波长的激光回波都收集起来了，但是因为波长相距很近，甚至不能用常规的分色片或光栅将其有效地分开。比如Raman激光雷达探测大气对流层温度，用532nm激光激发的纯转动Raman散射回波，需要获得其中高阶531.14nm，低阶528.76nm成分的强度，但它们波长相差只有2.38nm，而且是同时被激发的；再比如用354.7nm激光的激发纯转动Raman散射回波，需要获得其中高阶转动Raman354.07nm，低阶转动353.25nm成分的强度，但它们波长相差不到1.0nm，而且是同时被激发的；差分吸收激光雷达的探测波长与参考波长往往相差也不到1.0nm，两种光脉冲轮流发射没有问题，但是如果同时发射，其回波的分离、探测就必须采取必要措施加以解决。所以本专利技术解决的正是这类问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可以同时探测包含多个波长的激光雷达回波的波分复用单元技术，使得多波长激光脉冲不必由激光发射机先后顺次轮流发
射。为达到上述目的，本专利技术由透镜，偏振分束器-格兰偏振棱镜，五个四分之一波片，四个会聚透镜，四个探测器，四个F-P标准具，反射镜，四片环境光滤波片共同组成，将回波中的中心波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4的光组分分配给相应的探测器分别检测。格兰偏振棱镜反射水平(平行于纸面，以下表述同此)偏振光，可透过垂直(垂直于纸面，以下表述同此)偏振光。线偏振光以偏振方向与四分之一波片光轴成45°入射波片，透射光束变成圆偏振光，如果圆偏振光受到反射而再次从背面入射四分之一波片之后，又还原成线偏振光，但偏振方向与第一次入射时垂直。当平行光束入射F-P标准具，光束中与其中心波长相符的光组分透过F-P标准具，偏离中心波长的光组分会被F-P标准具反射出去。一种激光雷达多波长相近的波分复用探测系统包括，透镜1，第一偏振分束器-格兰偏振棱镜2和第二偏振分束器-格兰偏振棱镜3，第一四分之一波片6、第二四分之一波片7、第三四分之一波片8、第四四分之一波片9、第五四分之一波片4，第一会聚透镜24、第二会聚透镜25、第三会聚透镜18、第四会聚透镜19，第一探测器23、第二探测器22、第三探测器20、第四探测器21，第一F-P标准具12、第二F-P标准具13、第三F-P标准具10、第四F-P标准具11，反射镜5，第一环境光滤波片15、第二环境光滤光片14、第三环境光滤光片17、第四环境光滤光片16，其中：从望远镜焦点处发出的激光雷达回波，经过透镜1折射后变成平行光束，它包含四个波长相近的组分，即中心波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4的组分，下面我们以λi,i＝1,2,3,4代表中心波长在λi处的光组分；平行光束第一次经
过第一格兰偏振棱镜2，其中的水平偏振光被第一格兰偏振棱镜2反射，进入第一四分之一波片6并且变成圆偏振光，然后进入第一F-P标准具12，圆偏振光中的λ1成分穿透第一F-P标准具12，到达第一会聚透镜24，最终被第一探测器23检测到；而圆偏振光束中λ2、λ3、λ4组分会被第一F-P标准具12反射，再次透过第一四分之一波片6，圆偏振光变为线偏振光，偏振方向旋转90°成为垂直偏振光，从而透过第一格兰偏振棱镜2，到达第三四分之一波片8，再变成圆偏振光，这里圆偏振光遭遇第三F-P标准具10，圆偏振光束中的λ4光组分穿透第三F-P标准具10，从而经过第三环境光滤波片17、第三会聚透镜18后被第三探测器20所检测；圆偏振光束中的λ2、λ3组分光则被第三F-P标准具10反射，再次透过第三四分之一波片8变成水平偏振光，被第一格兰偏振棱镜2反射，并射向第二格兰偏振棱镜3，再被第二格兰偏振棱镜3反射，穿过第二四分之一波片7后变成圆偏振光，这里的圆偏振光遭遇第二F-P标准具13，其中的λ2组分光全部透过第二F-P标准具13，经过第二环境光滤波片14和第二会聚透镜25，最终被第二探测器22检测到；而第二四分之一波片7后的圆偏振光中的λ3组分光被第二F-P标准具13反射回来，再次经过第二四分之一波片7，变成垂直偏振光，因而它变得可以穿过第二格兰偏振棱镜3，到达并又穿过第四四分之一波片9，变成圆偏振光，该圆偏振光中的λ3组分光透过第四F-P标准具11，经过第四环境光滤波片16和第四会聚透镜19，而被第四探测器21检测到；最初从透镜1通过的平行光束中的垂直偏振方向光组分透过第一格兰棱镜2到达第二格兰棱镜3；它会透过第二格兰偏振棱镜3，到达第五四分之一波片4，穿过第五四分之一波片4之后变成圆偏振光，此圆偏振光被反射镜5反射回来，再次穿过四分之一波片4，还原成线偏振光，但是偏振方向旋转90°变成水平偏振态，此水平偏振光束被第二格兰偏振棱镜3
反射，经过第四四分之一波片9后变成圆偏振光，圆偏振光中的λ3光组分第四透过F-P标准具11，经过第四环境光滤光片16和第四会聚透镜19，最终被第四探测器21检测；圆偏振光中的剩余部分包含λ1、λ2、λ4三种组分光，被第四F-P标准具11沿原路反射回来，再次从背面透过第四四分之一波片9，圆偏振光又还原成线偏振光，偏振方向旋转90°变成垂直偏振方向，垂直偏振光透过第二格兰偏振棱镜3，到达对面的第二四分之一波片7，变成圆偏振光，圆偏振光入射第二F-P标准具13，圆偏振光中λ2组分光全部透过第二F-P标准具13，剩余部分圆偏振光包含λ1、λ4光组分，被第二F-P标准具13反射回来，再次从背面透过第二四分之一波片7变成线偏振光，偏振方向旋转90°变成水平偏振光，遭遇第二格兰偏振棱镜3之后，被第二格兰偏振棱镜3反射，向第一格兰偏振棱镜2方向行进，遇到第一格兰偏振棱镜2后被它反射，然后穿过第三四分之一波片8，变成圆偏振光，入射到第三F-P标准具10，圆偏振光中λ4光组分完全透过第三F-P标准具10，经过第三环境光滤波片17和第三会聚透镜18后，被第三探测器20检测到。剩余部分是λ1光组分的圆偏振光，被第三F-P标准具10反射回来，从背面在此穿过第三四分之一波片8，变成线偏振光，且偏振方向旋转90°变成垂直偏振光，然后再次遭遇到第一格兰偏振棱镜2，透过第一格兰偏振棱镜2，然后穿过第一四分之一波片6，变成圆偏振光，此圆偏振光入射第一F-P标准具12，圆偏振光中的λ1光组分透过第一F-P标准具12，再经过第一环境光滤波片15和第一会聚透镜24，最终被第一探测器23检测到。所述的四个F-P标准具10、11、12、13的F-P标准具反射谱的半高全宽FWHM大于被探测光波长的波长范围且小于最小波长间隔Δλmin＝|λi-λj|i,j＝1,2,3,4，F-P标准具的自由光谱范围FSR理论上最好大于最大波长间隔Δ
λmax＝|λi-λj|i,j＝1,2,3,4，实际中只要能保证一个F-P标准具只透过一种光组分而反射其他光组分即可。所述的第一四分之一波片6、第二四分之一波片7、第三四分之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光雷达多波长相近的波分复用探测系统，包括，透镜(1)，第一偏振分束器‑格兰偏振棱镜(2)和第二偏振分束器‑格兰偏振棱镜(3)，第一四分之一波片(6)、第二四分之一波片(7)、第三四分之一波片(8)、第四四分之一波片(9)、第五四分之一波片(4)，第一会聚透镜(24)、第二会聚透镜(25)、第三会聚透镜(18)、第四会聚透镜(19)，第一探测器(23)、第二探测器(22)、第三探测器(20)、第四探测器(21)，第一F‑P标准具(12)、第二F‑P标准具(13)、第三F‑P标准具(10)、第四F‑P标准具(11)，反射镜(5)，第一环境光滤波片(15)、第二环境光滤光片(14)、第三环境光滤光片(17)、第四环境光滤光片(16)，其特征在于：从望远镜焦点处发出的激光雷达回波，经过透镜(1)折射后变成平行光束，它包含四个波长相近的组分，即中心波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4的组分，下面我们以λi代表中心波长在λi处的光组分；平行光束第一次经过第一格兰偏振棱镜(2)，其中的水平偏振光被第一格兰偏振棱镜(2)反射，进入第一四分之一波片(6)并且变成圆偏振光，然后进入第一F‑P标准具(12)，圆偏振光中的λ1成分穿透第一F‑P标准具(12)，到达第一会聚透镜(24)，最终被第一探测器(23)检测到；而圆偏振光束中λ2、λ3、λ4组分会被第一F‑P标准具(12)反射，再次透过第一四分之一波片(6)，圆偏振光变为线偏振光，偏振方向旋转90°成为垂直偏振光，从而透过第一格兰偏振棱镜(2)，到达第三四分之一波片(8)，再变成圆偏振光，这里圆偏振光遭遇第三F‑P标准具(10)，圆偏振光束中的λ4光组分穿透第三F‑P标准具(10)，从而经过第三环境光滤波片(17)、第三会聚透镜(18)后被第三探测器(20)所检测；圆偏振光束中的λ2、λ3组分光则被第三F‑P标准具(10)反射，再次透过第三四分之一波片(8)变成水平偏振光，被第一格兰偏振棱镜(2)反射，并射向第二格兰偏振棱镜(3)，再被第二格兰偏振棱镜(3)反射，穿过第二四分之一波片(7)后变成圆偏振光，这里的圆偏振光遭遇第二F‑P标准具(13)，其中的λ2组分光全部透过第二F‑P标准具(13)，经过第二环境光滤波片(14)和第二会聚透镜(25)，最终被第二探测器(22)检测到；而第二四分之一波片(7)后的圆偏振光中的λ3组分光被第二F‑P标准具(13)反射回来，再次经过第二四分之一波片(7)，变成垂直偏振光，因而它变得能够穿过第二格兰偏振棱镜(3)，到达并又穿过第四四分之一波片(9)，变成圆偏振光，该圆偏振光中的λ3组分光透过第四F‑P标准具(11)，经过第四环境光滤波片(16)和第四会聚透镜(19)，而被第四探测器(21)检测到；最初从透镜(1)通过的平行光束中的垂直偏振方向光组分透过第一格兰棱镜(2)到达第二格兰棱镜(3)；它会透过第二格兰偏振棱镜(3)，到达第五四分之一波片(4)，穿过第五四分之一波片(4)之后变成圆偏振光，此圆偏振光被反射镜(5)反射回来，再次穿过四分之一波片(4)，还原成线偏振光，但是偏振方向旋转90°变成水平偏振态，此水平偏振光束被第二格兰偏振棱镜(3)反射，经过第四四分之一波片(9)后变成圆偏振光，圆偏振光中的λ3组分第四透过F‑P标准具(11)，经过第四环境光滤光片(16)和第四会聚透镜(19)，最终被第四探测器(21)检测；圆偏振光中的剩余部分包含λ1、λ2、λ4三种组分光，被第四F‑P标准具(11)沿原路反射回来，再次从背面透过第四四分之一波片(9)，圆偏振光又还原成线偏振光，偏振方向旋转90°变成垂直偏振方向，垂直偏振光透过第二格兰偏振棱镜(3)，到达对面的第二四分之一波片(7)，变成圆偏振光，圆偏振光入射第二F‑P标准具(13)，圆偏振光中λ2组分光全部透过第二F‑P标准具(13)，剩余部分圆偏振光包含λ1、λ4光组分，被第二F‑P标准具(13)反射回来，再次从背面透过第二四分之一波片(7)变成线偏振光，偏振方向旋转90°变成水平偏振光，遭遇第二格兰偏振棱镜(3)之后，被第二格兰偏振棱镜(3)反射，向第一格兰偏振棱镜(2)方向行进，遇到第一格兰偏振棱镜(2)后被它反射，然后穿过第三四分之一波片(8)，变成圆偏振光，入射到第三F‑P标准具(10)，圆偏振光中λ4光组分完全透过第三F‑P标准具(10)，经过第三环境光滤波片(17)和第三会聚透镜(18)后，被第三探测器(20)检测到。剩余部分是λ1光组分的圆偏振光，被第三F‑P标准具(10)反射回来，从背面在此穿过第三四分之一波片(8)，变成线偏振光，且偏振方向旋转90°变成垂直偏振光，然后再次遭遇到第一格兰偏振棱镜(2)，透过第一格兰偏振棱镜(2)，然后穿过第一四分之一波片(6)，变成圆偏振光，此圆偏振光...

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达多波长相近的波分复用探测系统，包括，透镜(1)，第一偏振分束器-格兰偏振棱镜(2)和第二偏振分束器-格兰偏振棱镜(3)，第一四分之一波片(6)、第二四分之一波片(7)、第三四分之一波片(8)、第四四分之一波片(9)、第五四分之一波片(4)，第一会聚透镜(24)、第二会聚透镜(25)、第三会聚透镜(18)、第四会聚透镜(19)，第一探测器(23)、第二探测器(22)、第三探测器(20)、第四探测器(21)，第一F-P标准具(12)、第二F-P标准具(13)、第三F-P标准具(10)、第四F-P标准具(11)，反射镜(5)，第一环境光滤波片(15)、第二环境光滤光片(14)、第三环境光滤光片(17)、第四环境光滤光片(16)，其特征在于：从望远镜焦点处发出的激光雷达回波，经过透镜(1)折射后变成平行光束，它包含四个波长相近的组分，即中心波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4的组分，下面我们以λi代表中心波长在λi处的光组分；平行光束第一次经过第一格兰偏振棱镜(2)，其中的水平偏振光被第一格兰偏振棱镜(2)反射，进入第一四分之一波片(6)并且变成圆偏振光，然后进入第一F-P标准具(12)，圆偏振光中的λ1成分穿透第一F-P标准具(12)，到达第一会聚透镜(24)，最终被第一探测器(23)检测到；而圆偏振光束中λ2、λ3、λ4组分会被第一F-P标准具(12)反射，再次透过第一四分之一波片(6)，圆偏振光变为线偏振光，偏振方向旋转90°成为垂直偏振光，从而透过第一格兰偏振棱镜(2)，到达第三四分之一波片(8)，再变成圆偏振光，这里圆偏振光遭遇第三F-P标准具(10)，圆偏振光束中的λ4光组分穿透第三F-P标准具(10)，从而经过第三环境光滤波片(17)、第三会聚透镜(18)后被第三探测器(20)所检测；圆偏振光束中的λ2、λ3组分光则被第三F-P标准具(10)反射，再次透过第
\t三四分之一波片(8)变成水平偏振光，被第一格兰偏振棱镜(2)反射，并射向第二格兰偏振棱镜(3)，再被第二格兰偏振棱镜(3)反射，穿过第二四分之一波片(7)后变成圆偏振光，这里的圆偏振光遭遇第二F-P标准具(13)，其中的λ2组分光全部透过第二F-P标准具(13)，经过第二环境光滤波片(14)和第二会聚透镜(25)，最终被第二探测器(22)检测到；而第二四分之一波片(7)后的圆偏振光中的λ3组分光被第二F-P标准具(13)反射回来，再次经过第二四分之一波片(7)，变成垂直偏振光，因而它变得能够穿过第二格兰偏振棱镜(3)，到达并又穿过第四四分之一波片(9)，变成圆偏振光，该圆偏振光中的λ3组分光透过第四F-P标准具(11)，经过第四环境光滤波片(16)和第四会聚透镜(19)，而被第四探测器(21)检测到；最初从透镜(1)通过的平行光束中的垂直偏振方向光组分透过第一格兰棱镜(2)到达第二格兰棱镜(3)；它会透过第二格兰偏振棱镜(3)，到达第五四分之一波片(4)，穿过第五四分之一波片(4)之后变成圆偏振光，此圆偏振光被反射镜(5)反射回...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪光烈，周艳波，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31