面向无人机的轻小型离轴四反射式激光雷达光学接收装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了面向无人机的轻小型离轴四反射式激光雷达光学接收装置。该接收装置主要面向水深测量激光雷达(LiDAR)，包括离轴四反射式接收光路物镜、单透镜结构深水信号通道目镜、惠更斯结构浅水信号通道目镜和惠更斯结构水表面信号通道目镜。该接收装置主光学孔径D＝22mm，F#10，接收视场角优于50mrad，有效焦距f

【技术实现步骤摘要】
面向无人机的轻小型离轴四反射式激光雷达光学接收装置


[0001]本专利技术涉及激光雷达领域，特别涉及面向无人机的轻小型中等相对孔径的水深测量激光雷达光学接收装置。
技术背景
[0002]目前，就无人机载水深测量激光雷达而言，其光学接收装置有如下缺陷：1.多为透射式系统，其光学透过率低。如专利CN201610821346.7一种激光雷达光学接收装置及激光雷达测距方法。再如专利CN110764073A公开了一种激光雷达镜头，虽然是一种高分辨率镜头，但过多的镜片使光学接收装置厚度过大，导致光学接收效率低。2.激光雷达主光学孔径多为中等视场中等孔径，体积大，重量重，不适合无人机挂载。如专利CN201410177032.9激光雷达光学接收装置和CN201621054857.2一种激光雷达光学接收装置。
[0003]针对水深测量激光雷达光学接收装置的以上缺陷，本专利技术提出了面向无人机的轻小型离轴四反射式激光雷达光学接收装置，其包括离轴四反射式光学接收物镜和合理结构目镜。该装置D＝22mm，F#10，接收视场角优于50mrad，有效焦距f
’
＝220mm。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开了面向无人机的轻小型离轴四反射式激光雷达光学接收装置。
[0005]本专利技术采用以下技术方案实现：本专利技术的物镜镜头采用离轴四反射式物镜，其中主镜曲率半径为R1，副镜曲率半径为R2，第三镜曲率半径R3＝∞，第四镜曲率半径为R4。主镜、副镜、第四镜用于调节光线，第三镜用于转像，使得像面平行与主光轴。主镜顶点到副镜顶点的距离为d1，副镜顶点到第三镜顶点距离为d2，第三镜顶点距离到第四镜顶点距离为d3。第四镜与目镜镜片的第一面距离为d4。
[0006]另外，在接收镜头焦平面处，放置视场光阑，用于分离深水信号、浅水信号和水表面信号。视场光阑为一面中心有开孔的反射镜，其反射区域直径为D1，开孔区域直径为D2。反射区域将深水信号反射，使其进入深水信号通道。开孔区域通过浅水和水表面信号，使其进入浅水和水表面共用信号通道。深水信号通道采用单片非球面凸平透镜，其凸面曲率半径为R5；浅水信号通道采用惠更斯目镜，其两个凸面曲率半径分别为R6、R7，两个目镜镜片距离为d5；水表面信号通道采用惠更斯目镜，其两个凸面曲率半径分别为R7、R8，两个目镜的间距为d6。
[0007]本专利技术的有益效果如下：采用一种小孔径长焦离轴四反射式物镜，提高了水深测量激光雷达的接收效率，提升激光雷达最大测深能力，同时可实现水深测量激光雷达的小型化。
附图说明
[0008]图1为光学接收装置结构示意图
[0009]图2为光学接收装置物镜结构示意图
[0010]图3为光学接收装置整体光路结构示意图
[0011]图4为光学接收装置物镜MTF曲线示意图
具体实施方式
[0012]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。
[0013]结合图1，说明本专利技术的光学接收装置结构示意图。a为物镜，包括a1为物镜的主镜、a2为物镜的副镜、a3为物镜的第三镜、a4为物镜的第四镜。b为高峰值功率脉冲激光器，c为电机扫描系统，d为电源装置及伺服电机驱动电路，e为光电探测器，f为采样电路，h1为深水信号通道目镜，h2为浅水信号通道目镜，h3为水表面信号通道目镜。
[0014]结合图2，说明本专利技术的整体接收装置的光路结构，其中深水信号通道采用望远式接收系统，浅水信号通道采用聚焦望远式接收系统。深水信号通道用PMT类型探测器接收，浅水信号通道和水表面信号通道均采用APD类型探测器接收。
[0015]结合图3，说明本专利技术的光学接收装置物镜结构示意图，反应了光线在物镜中的传播关系。设β1为副镜放大率，β2为第三镜放大率，β3为第四镜放大率，各个镜片的曲率半径应当满足如下关系：
[0016][0017]物镜镜片间距应当满足如下关系：
[0018][0019]本专利技术的第三镜离轴角为73.866
°
，副镜离轴量为12.5mm。
[0020]结合图4，说明本专利技术在空间频率80lp/mm处，MTF值均大于0.4，可较好区分深浅水信号。
[0021]结合图1和图2，说明面向无人机的轻小型离轴四反射式激光雷达光学接收装置的工作过程如下：
[0022](1)b高峰值功率脉冲激光器发射激光信号给反射镜，反射给c电机扫描系统,然后激光信号透过空气和水面进入水体，到达水底，反射回来。
[0023](2)反射回来的激光回波信号被a1主镜反射给a2副镜，再反射给a3第三镜，再反射给a4第四镜，最后反射到g1第一光阑，深水回波信号反射给h1深水信号通道,浅水和水表面信号透过g1第一光阑到达g2第二光阑，浅水回波信号反射给h2浅水信号通道，水表面回波信号透过g2第二光阑到达h3水表面信号通道。
[0024](3)进入h1、h2和h3的激光回波信号分别被PMT、APD和APD探测器接收和处理，然后传输给f采样电路，最后将采样的数字信号存储起来。
[0025]尽管已描述了本专利技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本专利技术范围的所有变更和修改。
[0026]显然，本领域的技术人员可以对本专利技术进行各种改动和变型而不脱离本专利技术的精神和范围。这样，倘若本专利技术的这些修改和变型属于本专利技术权利要求及其等同技术的范围
之内，则本专利技术也意图包括这些改动和变型在内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向无人机的轻小型离轴四反射式激光雷达光学接收装置，其包括接收光路物镜、高峰值功率脉冲激光器、电机扫描系统、电源装置及伺服电机驱动电路、光电探测器、采样电路、深水信号通道目镜，浅水信号通道目镜，水表面信号通道目镜；该接收装置的特征在于所述的接收光路物镜，是一种离轴四反射式物镜，包括主镜、副镜、第三镜和第四镜；该接收装置的特征在于深水信号通道目镜是一种单透镜结构目镜，用镜架固定于底板的光学平台；该接收装置特征在于浅水信号通道目镜和水表面信号通道目镜是一种惠更斯结构目镜，用镜架固定于底板的光学平台。2.根据权利要求1所述的面向无人机的轻小型离轴四反射式激光雷达光学接收装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：周国清，胡皓程，徐嘉盛，周祥，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：