一种粒子探测激光雷达用多波段通用接收光学镜头和粒子探测激光雷达的制作方法

本发明涉及一种粒子探测激光雷达用多波段通用接收光学镜头和粒子探测激光雷达，属于量子探测。

背景技术：

1、吸气式颗粒物检测仪是市面上主要的颗粒物探测手段，但由于其无法遥测以及实时感知的特点，使其在半导体生产中无法很好地对产线进行检测，也无法反应出颗粒物产生源，不利于帮助生产提高良品率。

2、而且吸气式颗粒物检测仪采用统计学原理对信号进行分析，无法明确分辨出颗粒物尺寸和数量，更多的是给一个统计数据，无法给工程师提供好的信息反馈，更多的是用于无尘车间中的颗粒物等级监测。

3、粒子探测激光雷具备非接触、高时空分辨率、可连续在线监测的优势，是当前颗粒物精细化探测的主流技术路径。但目前现有粒子探测激光雷达的接收光学系统大多为单波段专用设计，适用范围有限。

技术实现思路

1、本发明提供一种粒子探测激光雷达用多波段通用接收光学镜头和粒子探测激光雷达，可兼容多波段光源，实现全粒径范围检测，同时可以探测到颗粒物产生源以及空间实时分布。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种粒子探测激光雷达用多波段通用接收光学镜头，由沿入射光束传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜组成；

4、沿入射光束的传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面；

5、第一透镜为球面正透镜，第一物侧面为平面，第一像侧面为凸面；第二透镜为非球面负透镜，第二物侧面为凹面，第二像侧面为凹面；第三透镜为非球面正透镜，第三物侧面为凸面，第三像侧面为平面；

6、多波段通用接收光学镜头满足以下关系式：29.15/mm＜ttl/imgh/f＜30.76/mm以及2.01＜fno＜2.05；其中，ttl为第一物侧面至光学镜头的像面于光轴上的距离，imgh为光学镜头的有效成像圆的半径，f为光学镜头的有效焦距，fno为光学镜头的光圈数；

7、多波段通用接收光学镜头，能接收三个波段的回波信号并保证以平面波的形态传给单光子模块，保证信号的瞬时同步性，防止球差导致的信号峰值降低，暗噪声增加，脉宽增大，探测精度下降，提高信噪比，明确区分出暗噪声。

8、为了进一步提高探测效果，多波段通用接收光学镜头，满足以下关系式：

9、0.92＜|f12/f|＜59；其中，f12为第一透镜与第二透镜的组合焦距；

10、和/或，1mm＜r31＜0.49mm；其中，r31为第三物侧面于光轴处的曲率半径，r32为第三像侧面于光轴处的曲率半径；

11、和/或，1＜ct3/bf＜1.62；其中，ct3为第三透镜于所述光轴上的厚度，bf为所述第三透镜的像侧面至光学镜头的像面于所述光轴上的最小距离。

12、上述第二物侧面和第三物侧面均为非球面；和/或，第一透镜、第二透镜和第三透镜的材质均为k9玻璃。

13、为了进一步提高探测效果，第一物侧面的为平面，第一像侧面的曲率半径为58.137±0.003mm；第二物侧面的曲率半径为-30.029±0.003mm，第二像侧面的曲率半径为-14.296±0.003mm；第三物侧面的曲率半径为1.012±0.003mm，第三像侧面为平面。

14、进一步优选，第一透镜的中心厚度为21±0.01mm，第二透镜的中心厚度为13±0.01mm，第三透镜的中心厚度为7.6±0.01mm；第一透镜与第二透镜之间的中心间隔为36±0.01mm，第二透镜与第三透镜之间的中心间隔为22±0.01mm。

15、上述多波段通用接收光学镜头的有效焦距f＝58mm、光圈大小fno＝2.00、视场角fov＝23.9°、光学总长ttl＝108mm，工作波长：780-1550nm，适于na>0.2的多模光纤。

16、一种粒子探测激光雷达，包括：雷达壳体、激光发生器、准直镜、控制电路模块、单光子接收模块和计数统计模块；

17、雷达壳体为密闭防护腔体结构，激光发生器、准直镜、控制电路模块、单光子接收模块和计数统计模块均安装于雷达壳体的内部腔室中；

18、雷达壳体的侧壁开设有光学窗口，激光发生器的出光口正对准直镜的入光侧设置，准直镜的出光侧朝向光学窗口布置，经准直镜校准后的探测激光透过光学窗口向外发射；单光子接收模块的受光口与光学窗口正对设置；

19、控制电路模块的驱动控制端与激光发生器的驱动输入端电连接；

20、控制电路模块的探测调控端与单光子接收模块的控制输入端电连接；

21、单光子接收模块的脉冲信号输出端与计数统计模块的探测信号输入端电连接；

22、激光发生器的同步信号输出端与计数统计模块的计时基准输入端电连接；

23、计数统计模块的统计数据输出端与控制电路模块的数据接收端电连接；

24、上述计数统计模块：用于统计量子探测器接收到的量子信号，整理成数量信息。

25、单光子接收模块包括沿后向散射回波的入射光路依次设置的多波段通用接收光学镜头和量子探测器；

26、多波段通用接收光学镜头与量子探测器的中心离轴布置；

27、多波段通用接收光学镜头的入光侧正对光学窗口设置，构成单光子接收模块的受光口，量子探测器的供电控制端构成单光子接收模块的控制输入端、与控制电路模块的探测调控端电连接；量子探测器的电脉冲输出端构成单光子接收模块的脉冲信号输出端、与计数统计模块的探测信号输入端电连接。

28、量子探测器可识别出ir=3.9510-15 w的能量信号，如国盾qcd 600b-s。

29、上述粒子探测激光雷达，还包括云台模块，云台模块包括固定基座以及转动平台，转动平台可相对固定基座进行水平方位与俯仰角度的转动；雷达壳体安装在转动平台的承载面上，转动平台可带动雷达壳体及其内部的激光发生器、控制电路模块、单光子接收模块和计数统计模块同步转动，实现对不同空间方向的扫描式粒子探测；控制电路模块的扫描控制端与转动平台的控制输入端电连接；转动平台的角度反馈端与控制电路模块的位置采集端电连接。

30、云台模块：可对检测区域进行三维扫描，形成空间颗粒物浓度分布图。

31、上述激光发生器所用波长为：1550nm、1064nm和/或780nm。可根据需求选择一个或两个以上光源进行探测。

32、不同激光发生器（激光光源）波长对应不同的粒子探测，1550nm波段用于探测5um尺寸以上颗粒物；1064nm和780nm波段用于探测1um-5um尺寸颗粒。

33、本粒子探测激光雷达以大气光散射理论为物理基础，结合飞行时间测距原理与单光子弱光探测技术，通过发射脉冲激光与大气颗粒物相互作用产生后向散射回波；回波经多波段光学镜头汇聚后，由量子探测器完成单光子级光电转换；再通过脉冲幅度甄别与计数统计反演颗粒物的粒径与数量，结合激光飞行时间计算空间距离，最终实现待测区域内颗粒物粒径分布、数量浓度与空间分布的定量探测。

34、一种利用上述粒子探测激光雷达进行粒子探测的方法方法，包括如下步骤：

35、步骤 1：脉冲激光发射与计时基准同步：

36、控制电路模块向激光发生器输出驱动触发信号，激光发生器接收信号后发射设定波长、重复频率与脉宽的脉冲探测激光，脉冲探测激光光束经准直镜校准后从雷达壳体的光学窗口射出，沿探测方向向大气中传输；与此同时，激光发生器同步输出一路同步触发信号至计数统计模块，计数统计模块以该信号为时间零点启动内部计时单元，为后续飞行时间测距提供统一的时间基准；

37、步骤 2：颗粒物后向散射回波生成：

38、脉冲探测激光在大气传输路径中，与不同粒径的气溶胶颗粒物发生光散射作用：当颗粒物粒径远小于激光波长时，散射以瑞利散射为主；当颗粒物粒径与激光波长相当时，散射以米氏散射为主；散射光中沿激光入射反方向传播的部分形成后向散射回波，沿原传输路径反向传回雷达端； 若采用多波长探测方案，不同波长激光对应不同的粒径敏感区间；多波段通用接收光学镜头可同时适配全部探测波长的散射回波接收，保障宽粒径范围的探测覆盖能力；

39、步骤 3：回波光汇聚与单光子光电转换（单光子接收模块内部流程）：

40、后向散射回波经光学窗口进入雷达壳体内部后，首先入射至多波段通用接收光学镜头：镜头对入射的各波段散射回波进行汇聚校正，使不同波长的回波光均沿光路聚焦于像方焦平面处；量子探测器的光敏面精确设置在该像方焦平面上，汇聚后的回波光入射至光敏面；量子探测器工作在单光子探测模式下，可识别单个光子的入射事件，并将每一次光子入射转换为一个对应幅度的纳秒级电脉冲信号，实现极微弱散射回波的高灵敏度光电转换；探测过程中，控制电路模块可向量子探测器输出调控信号，调节其雪崩偏置电压与工作增益，以适配不同环境光强、不同探测距离下的灵敏度需求；

41、步骤 4：脉冲信号统计与粒径、距离解算：

42、量子探测器输出的原始电脉冲信号传输至计数统计模块；计数统计模块内置多阈值幅度甄别电路，依据 “颗粒物粒径越大，单次散射光强越高，对应电脉冲幅度越大” 的物理对应关系，将不同幅度的脉冲信号划分至对应的粒径区间，并对各区间内的脉冲数量进行累加统计；同时，计数统计模块结合计时基准的零点时刻与脉冲接收时刻的时间差，基于光速计算产生该散射回波的颗粒物与雷达之间的空间距离，实现距离分辨的粒子探测；

43、步骤 5：数据汇总与结果输出：

44、计数统计模块将各粒径区间的颗粒计数、对应距离信息等统计数据传输至控制电路模块；控制电路模块对原始统计数据进行环境背景校正、系统误差校准与浓度换算，最终解算出待测空间内不同距离处的颗粒物粒径分布、数量浓度与空间分布结果，完成完整的粒子探测过程。

45、通过云台模块实现对不同空间方向的扫描式粒子探测。

46、本发明未提及的技术均参照现有技术。

47、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

48、1）单镜头实现多波段同步接收，简化系统结构并提升光路一致性：本多波段通用接收光学镜头可同时兼容 780nm、1064nm、1550nm 等多种典型粒子探测激光波长，仅用单组镜头即可完成全波段后向散射回波的汇聚接收，无需配置多组独立接收镜头或机械切换机构。一方面有效缩减了激光雷达的整机体积、降低硬件成本；另一方面保证了各探测波长的光轴高度重合，消除了多镜头方案的空间对准误差，提升了多波长联合粒径反演的准确性。

49、2）全波段像差校正优异，保障弱光耦合效率与探测灵敏度：本镜头针对激光雷达的轴上接收场景进行了专项像差优化，在全部工作波段内的光斑均方根半径均处于微米级，聚焦性能接近衍射极限，可将不同波长的散射回波精准聚焦于单光子探测器的有效光敏面内，大幅降低了光学耦合损耗。配合单光子探测器件，雷达可有效识别飞瓦级的微弱回波信号，显著提升了对细颗粒物、远距离颗粒物的探测灵敏度，拓展了探测粒径下限与有效探测景深。

50、3）适配激光雷达接收场景，满足极低浓度监测需求：本镜头针对后向散射回波的接收特性优化了视场角与数值孔径，在有效抑制环境杂散光的前提下，最大化了光学能量收集效率；结合高灵敏度单光子探测方案，可精准捕捉高等级洁净室内人员走动、新风系统周期性泄压等引发的微弱颗粒物浓度扰动，满足洁净室精细化洁净度监测的使用需求。

51、4）支撑宽粒径范围精准反演，提升监测数据质量：基于单镜头多波段同步接收的特性，搭载该镜头的粒子探测激光雷达可同步获取不同波长下的颗粒物散射信号，利用瑞利散射与米氏散射的波长响应差异，实现从纳米级到微米级宽粒径范围的颗粒物识别与浓度统计，粒径分辨能力与浓度测量准确性均显著优于单波段探测方案。

52、5）整机结构紧凑可靠，场景适配性强：该多波段接收光学镜头结构紧凑，可直接集成于小型化粒子探测激光雷达中，整机无复杂运动部件，长期运行稳定性高；有效探测景深可达3.6米以上，既适用于电子制造洁净室的在线洁净度监测，也可推广应用于大气气溶胶观测、工业无组织粉尘监测等多种场景。