專利名稱：一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)工程中的激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種非同軸激光雷達(dá)的 三維掃描裝置。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)技術(shù)是目前國內(nèi)外普遍重視的研究內(nèi)容，在大氣參數(shù)和大氣污染
探測中具有重要應(yīng)用價值。激光雷達(dá)用于大氣參數(shù)和大氣污染探測，具有探測
范圍大、精度高、實時性好、能獲取三維空間分布數(shù)據(jù)等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中 具有不可替代的優(yōu)越性。
目前，采用激光雷達(dá)對大氣參數(shù)和大氣污染三維空間分布進(jìn)行探測， 一般 采用如下兩種方式
第一種方式如文獻(xiàn)"AML-1車載式大氣污染監(jiān)測激光雷達(dá)樣機研制，光學(xué) 學(xué)報，2004年24巻第8期1025-1031頁"中所描述的掃描測量方法。該方法中， 激光雷達(dá)除潛望式三維掃描系統(tǒng)外，多安裝在車載式或固定的實驗室內(nèi)，其大 氣參數(shù)和大氣污染三維空間分布探測是通過潛望式三維掃描系統(tǒng)實現(xiàn)。但該方 法中，激光雷達(dá)的發(fā)射激光束與接收望遠(yuǎn)鏡光軸的距離小于接收望遠(yuǎn)鏡的半徑， 這樣激光雷達(dá)的發(fā)射激光束在很近的距離就會進(jìn)入激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡的接收 視場內(nèi)，導(dǎo)致激光雷達(dá)的最大探測范圍較小。這是因為激光雷達(dá)的回波信號與 距離平方成反比。例如，在略去大氣衰減和雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響時，對相同大 氣情況，30000米處的回波信號將比80米處的回波信號小1.4"05倍。如此大 的回波信號強度差別，將給雷達(dá)系統(tǒng)信號接收部分帶來很高的技術(shù)難度，在現(xiàn) 有技術(shù)條件下，采用一個光電探測器及信號采集器是無法實現(xiàn)高精度、高距離 分辨率和高可靠性探測的。這是因為當(dāng)信號動態(tài)范圍如此大時，信號探測部分 難以保持其線性度，且在高速數(shù)據(jù)采集情況下，其信號模數(shù)轉(zhuǎn)換的高精度也是 難以實現(xiàn)的。
對于上述激光雷達(dá)難以進(jìn)行大距離范圍探測的問題，可采用增大潛望式三 維掃描機構(gòu)通光口徑，并且使激光雷達(dá)發(fā)射激光束與接收望遠(yuǎn)鏡光軸的距離大于接收望遠(yuǎn)鏡半徑的辦法來加以克服，但增大潛望式三維掃描機構(gòu)通光口徑又 將會使激光雷達(dá)的制造成本及體積大大增加。
第二種方式如文獻(xiàn)"小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計，西安理工大學(xué)學(xué)報，
2007年23巻第1期1-5頁"中所描述的掃描測量方法。該方法中，激光雷達(dá)的 激光光源和接收望遠(yuǎn)鏡一般直接連接固定在一起，或都固定在一個平臺上。其 大氣參數(shù)和大氣污染三維空間分布探測是通過三維轉(zhuǎn)動機構(gòu)直接使激光光源和 接收望遠(yuǎn)鏡一起進(jìn)行三維掃描轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，在進(jìn)行大范圍三維掃描測量時，激 光光源和接收望遠(yuǎn)鏡必須置于室外。由于一些高環(huán)境要求的激光光源和接收望 遠(yuǎn)鏡在惡劣環(huán)境中使用是不合適的，這樣激光雷達(dá)的應(yīng)用將受到環(huán)境限制。此 外，由于激光光源和接收望遠(yuǎn)鏡需一起進(jìn)行三維轉(zhuǎn)動，這對于大距離范圍探測 的激光雷達(dá)系統(tǒng)并不適合，因為大距離范圍探測激光雷達(dá)系統(tǒng)需較大口徑的接 收望遠(yuǎn)鏡和較大功率的激光器，而較大功率的激光器和大口徑接收望遠(yuǎn)鏡的重 量和體積多很大，這將直接要求實現(xiàn)激光光源和接收望遠(yuǎn)鏡高精度掃描的三維 轉(zhuǎn)動系統(tǒng)有很大的承載能力，并且具有很高的方位和俯仰掃描精度，因而其制 造費用將大大提高，并且轉(zhuǎn)動過程中大功率激光器的運行穩(wěn)定性也較難保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有大氣參數(shù)和大氣污染三維空間分布探 測激光雷達(dá)三維掃描裝置的局限性，提供一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷 達(dá)三維掃描裝置。該裝置在不增大潛望式三維掃描系統(tǒng)通光口徑的情況下，能 使激光雷達(dá)實現(xiàn)較大距離范圍的三維空間掃描測量，并且激光雷達(dá)的接收望遠(yuǎn) 鏡和激光光源都可安裝在實驗室內(nèi)，在測量時不需三維轉(zhuǎn)動。該裝置可以廣泛 用于大氣探測三維空間掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)中，尤其是對一些掃描要求高的激光 雷達(dá)系統(tǒng)中。
一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置，包括方位掃描機構(gòu)，
俯仰掃描機構(gòu)，以及光束平移機構(gòu)，其中
1)方位掃描機構(gòu)實現(xiàn)激光雷達(dá)探測方位掃描
方位掃描機構(gòu)包括一塊平面反射鏡和方位旋轉(zhuǎn)箱體，平面反射鏡置于方位 旋轉(zhuǎn)箱體中部，方位旋轉(zhuǎn)箱體的入射端口和出射端口即為方位掃描機構(gòu)的入射端口和出射端口，并且入射端口和出射端口分別與方位掃描機構(gòu)的入射光軸和 出射光軸垂直；方位旋轉(zhuǎn)箱體的入射端口光軸與出射端口光軸垂直，它們與平 面反射鏡的夾角都為45。，并都通過平面反射鏡反射面的中心點；平面反射鏡 對方位旋轉(zhuǎn)箱體入射端口與出射端口的投影直徑大小相等，并小于方位掃描機 構(gòu)的入射端口和出射端口 口徑；
2) 俯仰掃描機構(gòu)實現(xiàn)激光雷達(dá)探測俯仰掃描
俯仰掃描機包括一塊平面反射鏡和俯仰旋轉(zhuǎn)箱體，平面反射鏡置于俯仰旋 轉(zhuǎn)箱體中部，俯仰旋轉(zhuǎn)箱體的入射端口和出射端口即為俯仰掃描機構(gòu)的入射端 口和出射端口 ，并且入射端口和出射端口分別與俯仰掃描機構(gòu)的入射光軸和出 射光軸垂直；俯仰掃描機構(gòu)的入射端口光軸與出射端口光軸垂直，它們與平面 反射鏡的夾角都為45。，并都通過平面反射鏡反射面的中心點；平面反射鏡對 俯仰旋轉(zhuǎn)箱體入射端口與出射端口的投影直徑大小相等，并小于俯仰旋轉(zhuǎn)箱體 的入射端口和出射端口口徑。
3) 光束平移機構(gòu)為發(fā)射光束實現(xiàn)平移的機構(gòu)
光束平移機構(gòu)包括二塊平面反射鏡和光束平移盒，二塊平面反射鏡分別相 對安裝在光束平移盒的前后兩端，前端的反射鏡為入射光反射鏡，后端的反射 鏡為出射光反射鏡；二平面反射鏡的反射面為平行關(guān)系，并與兩平面反射鏡的 中心連線均成45。角；光束平移盒的下面板和上面板與兩平面反射鏡的中心連 線平行；光束平移盒下面板的前端在入射光反射鏡的投影位置有一光束平移盒 入射孔，該孔的幾何尺寸與入射光反射鏡的投影尺寸相同；光束平移盒上面板 的右端在出射光反射鏡的投影位置有一光束平移盒出射孔，該孔的幾何尺寸與 出射光反射鏡的投影尺寸相同；光束平移盒的入射光軸與入射反射鏡成45。角， 并通過入射反射鏡反射面的中心點和光束平移盒入射孔的中心點；光束平移機 構(gòu)的出射光軸與出射反射鏡成45。角，并通過出射反射鏡反射面的中心點和光 束平移盒出射孔的中心點；
所述方位掃描機構(gòu)安裝在激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡的上方，其通光口徑要求大 于激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡口徑，入射端口光軸與接收望遠(yuǎn)鏡光軸同軸，并且與方 位掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸同軸；
所述俯仰掃描機構(gòu)的入射端口與方位旋轉(zhuǎn)箱體的出射端口相連，兩個端口 的口徑相等；俯仰掃描機構(gòu)的入射光軸與方位掃描機構(gòu)的出射光軸同軸，并且與俯仰掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸同軸；俯仰掃描機構(gòu)隨方位掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動而一起轉(zhuǎn) 動，并且俯仰掃描機構(gòu)還能相對于方位掃描機構(gòu)進(jìn)行俯仰轉(zhuǎn)動。
所述光束平移機構(gòu)安裝在俯仰掃描機構(gòu)上方，光束平移機構(gòu)中的光束平移 盒的下面板與俯仰掃描機構(gòu)的出射端口相連，光束平移盒的入射光軸與俯仰掃 描機構(gòu)出射光軸同軸；光束平移機構(gòu)的入射反射鏡與光束平移機構(gòu)的出射反射 鏡的距離要求大于俯仰掃描機構(gòu)出射端口口徑的半徑，即，出射光反射鏡的投 影必須在俯仰掃描機構(gòu)的外部，光束平移機構(gòu)隨俯仰掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明裝置中，方位掃描機構(gòu)和俯仰掃描機構(gòu)一起構(gòu)成同軸三維掃描系統(tǒng)。 從同軸三維掃描系統(tǒng)出射的激光束通過光束平移機構(gòu)后，激光束將被平移到同 軸三維掃描系統(tǒng)的通光孔徑外，從而使同軸三維掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成非同軸三維掃 描系統(tǒng)。這樣，本裝置應(yīng)用于激光雷達(dá)系統(tǒng)，使同軸大氣探測激光雷達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn) 換成非同軸三維掃描大氣探測激光雷達(dá)系統(tǒng)，即激光雷達(dá)能實現(xiàn)較大距離范圍 的三維空間掃描測量，并且激光雷達(dá)的接收望遠(yuǎn)鏡和激光光源都可安裝在實驗 室內(nèi)，在測量時不需三維轉(zhuǎn)動。
有益效果
本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點
1) 本裝置用于同軸激光雷達(dá)系統(tǒng)中，能使激光雷達(dá)系統(tǒng)實現(xiàn)三維空間掃描 測量，并在不增大潛望式三維掃描系統(tǒng)通光口徑的情況下，能使同軸激光雷達(dá) 轉(zhuǎn)變成非同軸激光雷達(dá)，從而大大增加激光雷達(dá)的探測動態(tài)范圍，即在實現(xiàn)較 大距離范圍三維空間掃描測量同時，又能使探測盲區(qū)較小。
2) 采用本裝置的三維掃描非同軸激光雷達(dá)系統(tǒng)，其接收望遠(yuǎn)鏡和激光光源 都可安裝在實驗室內(nèi)，在測量時不需三維轉(zhuǎn)動。


圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)組成及光路示意圖，視圖角度為剖面。 其中l(wèi)一方位掃描機構(gòu)、2—俯仰掃描機構(gòu)、3—光束平移機構(gòu)、4一激光 雷達(dá)實驗室、5—激光雷達(dá)出射激光束、6—激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡、7—激光雷達(dá) 接收望遠(yuǎn)鏡光軸、8—方位旋轉(zhuǎn)箱體、9一方位掃描機構(gòu)的入射端口、 IO—方位 掃描機構(gòu)的出射端口、 ll一方位平面反射鏡、12—方位掃描機構(gòu)的入射光軸、13—方位掃描機構(gòu)的出射光軸、14一俯仰旋轉(zhuǎn)箱體、15—俯仰掃描機構(gòu)的入射 端口、 16俯仰掃描機構(gòu)的出射端口、 17—俯仰平面反射鏡、18—俯仰掃描機構(gòu) 的入射光軸、19一俯仰掃描機構(gòu)的出射光軸、20—光束平移盒、21—光束平移 盒入射孔、22—光束平移盒出射孔、23—光束平移機構(gòu)的入射光反射鏡、24— 光束平移機構(gòu)的出射光反射鏡、25—光束平移機構(gòu)的入射光軸、26—光束平移 機構(gòu)的出射光軸、27—光束平移盒的長對稱軸、28—發(fā)射激光束、29—激光雷 達(dá)回波信號光、30—俯仰掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸、31—方位掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1所示，本發(fā)明的一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝 置，由方位掃描機構(gòu)l，俯仰掃描機構(gòu)2，和光束平移機構(gòu)3三部分組成。其中， 方位掃描機構(gòu)1包括一塊方位平面反射鏡11及方位旋轉(zhuǎn)箱體8;俯仰掃描機構(gòu) 2包括一塊俯仰平面反射鏡17及俯仰旋轉(zhuǎn)箱體14;光束平移機構(gòu)3包括二塊平 面反射鏡23、 24及光束平移盒20。
所述方位旋轉(zhuǎn)箱體8為一個520mmX520mmX520mm的立方箱體，其底板 和右側(cè)板的中部各開有430mm直徑的圓孔，分別作為方位掃描機構(gòu)1的入射端 口 9和出射端口 10。方位平面反射鏡11安裝在方位旋轉(zhuǎn)箱體8的中部，與底板 及右側(cè)板的夾角都為45、方位平面反射鏡11的反射面為一橢圓，長短軸分別 約為594mm和420mm。方位平面反射鏡11的反射面對方位旋轉(zhuǎn)箱體8的底板 和右側(cè)板的投影都為直徑為420mm的圓，并且都與方位掃描機構(gòu)1的入射端口 9和出射端口 10同心。方位掃描機構(gòu)1的入射端口 9的中心與方位平面反射鏡 11反射面中心的連線，構(gòu)成方位掃描機構(gòu)1的入射光軸12。入射光軸12與激 光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡光軸7同軸。方位掃描機構(gòu)1的出射端口 10的中心與方位平 面反射鏡11反射面中心的連線，構(gòu)成為方位掃描機構(gòu)1的出射光軸13。
所述俯仰旋轉(zhuǎn)箱體14為一個520mmX520mmX520mm的立方箱體，其左 側(cè)板和上面板的中部都開有430mm直徑的圓孔，分別作為俯仰掃描機構(gòu)2的入 射端口 15和出射端口 16。俯仰平面反射鏡17安裝在俯仰旋轉(zhuǎn)箱體14的中部， 與左側(cè)板及上面板的夾角都為45Q。俯仰平面反射鏡17的反射面為一橢圓，其長短軸分別約為594mm和420mm。俯仰平面反射鏡17的反射面對俯仰旋轉(zhuǎn)箱 體14的左側(cè)板和上面板的投影都為直徑為420mm的圓，并且都與俯仰掃描機 構(gòu)2的入射端口 15和出射端口 16同心。俯仰掃描機構(gòu)2的入射端口 15的中心 與俯仰平面反射鏡17反射面中心的連線，構(gòu)成俯仰掃描機構(gòu)2的入射光軸18; 俯仰掃描機構(gòu)2出射端口 16的中心與俯仰平面反射鏡17反射面中心的連線， 構(gòu)成俯仰掃描機構(gòu)2的出射光軸19。
顯然，方位掃描機構(gòu)的出射光軸13與俯仰掃描機構(gòu)的入射光軸18處于同 一直線上。
所述光束平移盒20為一個380mm(長)X45mm (寬)X45mm (高)的長方 體盒，其下面板左端和上面板右端均開有直徑為30mm的圓孔，其中，下面板 圓孔稱為光束平移盒入射孔21，上面板右端圓孔稱為光束平移盒出射孔22。光 束平移機構(gòu)3的入射光反射鏡23、光束平移機構(gòu)3的出射光反射鏡24的反射面 均為橢圓形，長短軸分別約為42.4mm和30mm，相對，入射光反射鏡23安裝 在光束平移盒的左端，出射光反射鏡24安裝在光束平移盒20的右端。入射光 反射鏡23、出射光反射鏡24的反射面間中心距離為290mm。 二平面反射鏡與 光束平移盒的長對稱軸27均成45Q角。其中，入射光反射鏡23對下面板的投影 為一直徑為30mm的圓，該圓與光束平移盒入射孔21重合；出射光反射鏡24 對上面板的投影也為一直徑為30mm的圓，該圓與光束平移盒出射孔22重合。 光束平移機構(gòu)3的入射反射鏡23反射面的中心點和光束平移盒入射孔21的中 心點構(gòu)成入射光軸25，并與入射光反射鏡23成45。角。光束平移機構(gòu)3的出射 光軸26與出射光反射鏡24成45°角，并且通過出射光反射鏡24反射面的中心 點和光束平移盒出射孔22的中心點。其中，出射光反射鏡24的投影必須在俯 仰掃描機構(gòu)2右邊緣的外部，如圖1所示。光束平移盒的長對稱軸27與光束平 移盒20兩平面反射鏡的中心連線重合。
所述方位掃描機構(gòu)1能進(jìn)行方位掃描轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動范圍為-180° ~+180° ，角 速度>5° /秒，掃描精度為0.08。。方位掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸31與方位掃描機構(gòu) 的入射光軸12同軸。
所述俯仰掃描機構(gòu)2能進(jìn)行俯仰掃描轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動范圍為-90° ~+90° ，角 速度〉5° /秒，掃描精度為0.08。，其中，所述0°方向是指俯仰平面反射鏡 17與方位平面反射鏡11平行時的方向。俯仰掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸30與俯仰掃描機構(gòu)的入射光軸18同軸。
本發(fā)明裝置的工作過程如下
本發(fā)明的一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置使用時，其 方位掃描機構(gòu)1的功能是實現(xiàn)方位掃描，俯仰掃描機構(gòu)2的功能是實現(xiàn)俯仰掃 描，光束平移機構(gòu)3的功能是實現(xiàn)發(fā)射激光束平移。
大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置安裝在激光雷達(dá)實驗室4
的頂面上部。激光雷達(dá)系統(tǒng)安裝在激光雷達(dá)實驗室內(nèi)部，激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射出
激光束5，其光斑直徑為10mm、發(fā)散角為l.Omrad。激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡6的 口徑為400mm，接收視場為1.2mrad。
激光雷達(dá)出射激光束5沿激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡光軸7，通過方位旋轉(zhuǎn)箱體8 的方位掃描機構(gòu)1的入射端口 9進(jìn)入方位掃描機構(gòu)1中，并從方位掃描機構(gòu)1 的出射端口 10出射。其中，在方位掃描機構(gòu)1中傳輸?shù)募す馐环轿黄矫娣瓷?鏡11進(jìn)行90G反射，方位平面反射鏡11反射前的激光束與方位掃描機構(gòu)1的入 射光軸12同軸，方位平面反射鏡11反射后的激光束與方位掃描機構(gòu)1的出射 光軸13同軸。從方位掃描機構(gòu)1的出射端口 10出射的激光束，通過俯仰旋轉(zhuǎn) 箱體14的俯仰掃描機構(gòu)入射端口 15進(jìn)入俯仰掃描機構(gòu)2，并從俯仰掃描機構(gòu)2 的出射端口 16出射。其中，在俯仰掃描機構(gòu)2中傳輸?shù)募す馐桓┭銎矫娣瓷?鏡17進(jìn)行卯°反射，俯仰平面反射鏡17反射前的激光束與俯仰掃描機構(gòu)2的入 射光軸18同軸，俯仰平面反射鏡17反射后的激光束與俯仰掃描機構(gòu)2的出射 光軸19同軸。從俯仰掃描機構(gòu)出射端口 16出射的激光束，通過光束平移盒20 的光束平移盒入射孔21進(jìn)入光束平移機構(gòu)3，并從光束平移盒出射孔22出射。 其中，在光束平移機構(gòu)3中傳輸?shù)募す馐謩e被光束平移機構(gòu)的入射光反射鏡 23和出射光反射鏡24進(jìn)行90G反射，入射光反射鏡23反射前的激光束與光束 平移機構(gòu)的入射光軸25同軸，出射光反射鏡24反射后的激光束與光束平移機 構(gòu)的出射光軸26同軸，在入射光反射鏡23和出射光反射鏡24之間傳輸?shù)募す?束與光束平移盒的長對稱軸27同軸。從光束平移盒出射孔22出射的激光束即 是激光雷達(dá)激光束通過本發(fā)明裝置后的發(fā)射激光束28。發(fā)射激光束與光束平移 機構(gòu)的出射光軸26同軸，該激光束射向大氣，并將被光束路徑上的大氣散射， 其后向散射光29將經(jīng)過俯仰掃描機構(gòu)的出射端口 16進(jìn)入俯仰掃描機構(gòu)，然后 經(jīng)俯仰掃描機構(gòu)的俯仰平面反射鏡17和方位掃描機構(gòu)的方位平面反射鏡11的反射到達(dá)激光雷達(dá)的接收望遠(yuǎn)鏡6，并被激光雷達(dá)接收。
光束平移機構(gòu)3安裝在俯仰掃描機構(gòu)2上，隨俯仰掃描機構(gòu)2的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn) 動。俯仰掃描機構(gòu)2與方位掃描機構(gòu)1相連，隨方位掃描機構(gòu)1的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。 俯仰掃描機構(gòu)2能相對于方位掃描機構(gòu)1進(jìn)行俯仰轉(zhuǎn)動。當(dāng)俯仰掃描機構(gòu)2繞 俯仰掃描機構(gòu)轉(zhuǎn)動軸30轉(zhuǎn)動一俯仰角時，激光雷達(dá)出射激光束如上述描述的一 樣，經(jīng)過方位掃描機構(gòu)l、俯仰掃描機構(gòu)2和光束平移機構(gòu)3后射向被測大氣， 但此時通過大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置后的發(fā)射激光束28 的出射方向也將隨俯仰掃描機構(gòu)2轉(zhuǎn)動同樣的俯仰角度。方位掃描機構(gòu)1繞方 位掃描機構(gòu)轉(zhuǎn)動軸31轉(zhuǎn)動一方位角時，激光雷達(dá)出射激光束如上述描述的一樣， 經(jīng)過方位掃描機構(gòu)1、俯仰掃描機構(gòu)2和光束平移機構(gòu)3后射向被測大氣，并且 此時通過大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置后的發(fā)射激光束28的 出射方向也將隨方位掃描機構(gòu)1轉(zhuǎn)動同樣的方位角度。方位掃描機構(gòu)1繞方位 掃描機構(gòu)轉(zhuǎn)動軸能進(jìn)行-180° +180°范圍轉(zhuǎn)動，俯仰掃描機構(gòu)2繞俯仰掃描機 構(gòu)轉(zhuǎn)動軸能進(jìn)行-90° +90°范圍轉(zhuǎn)動，因而應(yīng)用本裝置的激光雷達(dá)系統(tǒng)能進(jìn)行 大氣參數(shù)和大氣污染三維空間分布的掃描探測。同時，激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用本裝 置后，射向被測大氣的激光束光軸與俯仰掃描機構(gòu)2的出射光軸19的間距為 290mm，即發(fā)射激光束與激光雷達(dá)接收視場光軸的距離大于激光雷達(dá)的接收通 光口徑的半徑，因而此時的激光雷達(dá)成為非同軸激光雷達(dá)系統(tǒng)。由此可知，利 用本裝置后，激光雷達(dá)能實現(xiàn)大氣參數(shù)和大氣污染的非同軸光學(xué)三維掃描測量。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員和研究人員可以對本發(fā)明的大口徑光學(xué)潛望式非 同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范 圍。這樣，尚若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)范 圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置，其特征在于包括方位掃描機構(gòu)，俯仰掃描機構(gòu)，以及光束平移機構(gòu)，其中1)方位掃描機構(gòu)實現(xiàn)激光雷達(dá)探測方位掃描方位掃描機構(gòu)包括一塊平面反射鏡和方位旋轉(zhuǎn)箱體，平面反射鏡置于方位旋轉(zhuǎn)箱體中部，方位旋轉(zhuǎn)箱體的入射端口和出射端口即為方位掃描機構(gòu)的入射端口和出射端口，并且入射端口和出射端口分別與方位掃描機構(gòu)的入射光軸和出射光軸垂直；方位旋轉(zhuǎn)箱體的入射端口光軸與出射端口光軸垂直，它們與平面反射鏡的夾角都為45°，并都通過平面反射鏡反射面的中心點；平面反射鏡對方位旋轉(zhuǎn)箱體入射端口與出射端口的投影直徑大小相等，并小于方位掃描機構(gòu)的入射端口和出射端口口徑；2)俯仰掃描機構(gòu)實現(xiàn)激光雷達(dá)探測俯仰掃描俯仰掃描機包括一塊平面反射鏡和俯仰旋轉(zhuǎn)箱體，平面反射鏡置于俯仰旋轉(zhuǎn)箱體中部，俯仰旋轉(zhuǎn)箱體的入射端口和出射端口即為俯仰掃描機構(gòu)的入射端口和出射端口，并且入射端口和出射端口分別與俯仰掃描機構(gòu)的入射光軸和出射光軸垂直；俯仰掃描機構(gòu)的入射端口光軸與出射端口光軸垂直，它們與平面反射鏡的夾角都為45°，并都通過平面反射鏡反射面的中心點；平面反射鏡對俯仰旋轉(zhuǎn)箱體入射端口與出射端口的投影直徑大小相等，并小于俯仰旋轉(zhuǎn)箱體的入射端口和出射端口口徑；3)光束平移機構(gòu)為發(fā)射光束實現(xiàn)平移的機構(gòu)光束平移機構(gòu)包括二塊平面反射鏡和光束平移盒，二塊平面反射鏡分別相對安裝在光束平移盒的前后兩端，前端的反射鏡為入射光反射鏡，后端的反射鏡為出射光反射鏡；二平面反射鏡的反射面為平行關(guān)系，并與兩平面反射鏡的中心連線均成45°角；光束平移盒的下面板和上面板與兩平面反射鏡的中心連線平行；光束平移盒下面板的前端在入射光反射鏡的投影位置有一光束平移盒入射孔，該孔的幾何尺寸與入射光反射鏡的投影尺寸相同；光束平移盒上面板的右端在出射光反射鏡的投影位置有一光束平移盒出射孔，該孔的幾何尺寸與出射光反射鏡的投影尺寸相同；光束平移盒的入射光軸與入射反射鏡成45°角，并通過入射反射鏡反射面的中心點和光束平移盒入射孔的中心點；光束平移機構(gòu)的出射光軸與出射反射鏡成45°角，并通過出射反射鏡反射面的中心點和光束平移盒出射孔的中心點；所述方位掃描機構(gòu)安裝在激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡的上方，其通光口徑要求大于激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡口徑，入射端口光軸與接收望遠(yuǎn)鏡光軸同軸，并且與方位掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸同軸；所述俯仰掃描機構(gòu)的入射端口與方位旋轉(zhuǎn)箱體的出射端口相連，兩個端口的口徑相等；俯仰掃描機構(gòu)的入射光軸與方位掃描機構(gòu)的出射光軸同軸，并且與俯仰掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸同軸；俯仰掃描機構(gòu)隨方位掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動而一起轉(zhuǎn)動，并且俯仰掃描機構(gòu)還能相對于方位掃描機構(gòu)進(jìn)行俯仰轉(zhuǎn)動；所述光束平移盒安裝在俯仰掃描機構(gòu)上方，光束平移盒的下面板與俯仰掃描機構(gòu)的出射端口相連，光束平移盒的入射光軸與俯仰掃描機構(gòu)出射光軸同軸；光束平移盒入射反射鏡與光束平移盒出射反射鏡的距離要求大于俯仰掃描機構(gòu)出射端口口徑的半徑，即，出射光反射鏡的投影在必須在俯仰掃描機構(gòu)的外部，光束平移機構(gòu)隨俯仰掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝 置，其特征在于，所述方位掃描機構(gòu)能夠以方位掃描機構(gòu)的入射光軸作為轉(zhuǎn)動 軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動范圍為-180° ~+180° ，角速度>5° /秒。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝 置，其特征在于，所述俯仰掃描機構(gòu)能夠以俯仰掃描機構(gòu)的入射光軸作為轉(zhuǎn)動 軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動范圍為-90° ~+90° ，角速度>5° /秒，其中，所述0°方 向是指俯仰平面反射鏡與方位平面反射鏡平行時的方向。
全文摘要
一種大口徑光學(xué)潛望式非同軸激光雷達(dá)三維掃描裝置，包括方位掃描機構(gòu)，俯仰掃描機和光束平移機構(gòu)。方位掃描機構(gòu)安裝在激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡的上方，入射端口光軸與接收望遠(yuǎn)鏡光軸同軸，且與方位掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸同軸。俯仰掃描機構(gòu)的入射端口與方位旋轉(zhuǎn)箱體的出射端口相連，兩端口口徑相等；俯仰掃描機構(gòu)的入射光軸與方位掃描機構(gòu)的出射光軸同軸，并且與俯仰掃描機構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸同軸。光束平移盒安裝在俯仰掃描機構(gòu)上方，光束平移盒下面板與俯仰掃描機構(gòu)的出射端口相連，光束平移盒的入射光軸與俯仰掃描機構(gòu)出射光軸同軸。該裝置在不增大潛望式三維掃描系統(tǒng)通光口徑的情況下，使激光雷達(dá)實現(xiàn)較大距離范圍的三維空間掃描測量，接收望遠(yuǎn)鏡和激光光源在測量時不需轉(zhuǎn)動。
文檔編號G01S17/95GK101576620SQ20091008619
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月8日
發(fā)明者倪國強, 張寅超, 天 藍(lán), 陳思穎 申請人:北京理工大學(xué)