相干探测装置、光学棱镜及相干测速系统的制作方法

1.本公开涉及光学相干技术领域，特别涉及一种相干探测装置；本公开还涉及一种应用于上述相干探测装置的光学棱镜，以及一种包括上述相干探测装置的相干测速系统。


背景技术：

2.在相干测速系统中，激光源向目标发射激光，通过光学扫描装置将发射出去的激光进行偏转，对目标进行扫描探测，并且接收从目标物反射或散射的信号光，并在扫描过程中实时反馈角度位置信息。将接收的信号与发射的探测信号进行比较，经过适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对目标进行探测、跟踪和识别。
3.光学扫描装置是激光雷达的重要组成部分，目前的光学扫描装置主要有以下两种：第一种装置中采用两组反射镜发射并接收信号，参见附图1，通过转动部件使两组反射镜以互成一定锥角的方式进行旋转，以实现光学扫描；第二种装置中采用楔形的光学棱镜发射并接收信号，参见附图2，通过转动部件带动光学棱镜转动以实现光学扫描。
4.上述两种光学扫描装置均需要通过转动部件带动旋转，转动部件往往结构比较复杂和笨重，成本较高，长期工作稳定性差，需定期维护，给系统的小型化和稳定性带来了挑战和不利因素。


技术实现要素：

5.本公开为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种相干探测装置、光学棱镜及相干测速系统。
6.根据本公开的第一方面，提供了一种相干探测装置，包括：
7.激光源，所述激光源用于发出激光；
8.光学棱镜，所述光学棱镜被配置为将所述激光折射为投向目标物的多束激光分束，并且接收多束所述激光分束从目标物反射或散射回的信号光；
9.拍频元件，所述拍频元件被配置为将所述信号光和所述激光的本振光进行相干拍频，产生拍频光；
10.光电探测器，所述光电探测器用于将接收所述拍频光并转化为电信号。
11.在本公开的一个实施例中，所述光学棱镜包括用于接收激光的入射面，以及用于折射出激光分束的多个折射面，多个所述折射面分别相对于所述入射面倾斜。
12.在本公开的一个实施例中，多个所述折射面被配置为接收并折射所述信号光，以使所述信号光沿着所述激光的路径从所述入射面逆向射出。
13.在本公开的一个实施例中，多个所述折射面相对于所述入射面向不同方向倾斜。
14.在本公开的一个实施例中，多个所述折射面与所述入射面之间的倾斜角度α设置在5
°
至12
°
。
15.在本公开的一个实施例中，多个所述激光分束分别与所述激光之间形成的夹角β
设置在10
°
至35
°
。
16.在本公开的一个实施例中，所述光学棱镜的折射率n1设置在 1.45至4之间。
17.在本公开的一个实施例中，多个所述折射面在所述光学棱镜端面的圆周方向上均匀分布。
18.在本公开的一个实施例中，多个所述折射面从所述光学棱镜的边缘至中心逐渐向所述入射面的方向倾斜。
19.在本公开的一个实施例中，多个所述折射面的形状和面积相同。
20.在本公开的一个实施例中，多个所述折射面均设置为扇形结构，所述折射面设置有四个并且构成锥形结构。
21.在本公开的一个实施例中，还包括准直元件，所述准直元件被配置将所述激光源发射的激光进行准直后发射至所述光学棱镜，并且将所述光学棱镜接收的信号光发射至所述拍频元件。
22.根据本公开的第二方面，还提供了一种光学棱镜，包括用于接收激光的入射面，以及用于折射出激光分束的多个折射面，多个所述折射面分别与所述入射面形成倾斜角度；
23.所述折射面被配置为，将多束所述激光分束投向目标物，接收并折射多束所述激光分束从目标物反射或散射回的信号光，以使所述信号光沿着所述激光的路径从所述入射面逆向射出。
24.根据本公开的第三方面，还提供了一种相干测速系统，包括上述实施例中的相干探测装置。
25.在本公开的一个实施例中，所述相干测速系统为多普勒测风激光雷达。
26.本公开的一个有益效果在于，相干探测装置通过光学棱镜将激光折射出多束投向目标物的激光分束，并接收目标物反射或散射回的信号光，相比于目前光学扫描装置通过旋转进行光学扫描的方式，省去了旋转部件，实现了相干探测装置的结构简化，有利于提高装置的稳定性，方便维护，并且有效降低了成本。
27.通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
28.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且连同其说明一起用于解释本公开的原理。
29.图1是本公开的背景技术示意图；
30.图2是本公开的背景技术示意图；
31.图3是本公开一实施例提供的相干探测装置的整体结构示意图；
32.图4是本公开一实施例提供的光学棱镜折射激光的示意图；
33.图5是本公开一实施例提供的光学棱镜接收信号光的示意图；
34.图6是本公开一实施例提供的光学棱镜的结构示意图；
35.图7是本公开一实施例提供的光学棱镜包括四个折射面时的正视图；
36.图8是本公开一实施例提供的光学棱镜包括三个折射面时的正视图；
37.图9是本公开一实施例提供的光学棱镜包括五个折射面时的正视图；
38.图10是本公开一实施例提供的多普勒测风激光雷达结构示意图。图1至图10中各组件名称和附图标记之间的一一对应关系如下：
39.1、激光源；2、准直元件；3、光学棱镜；31、入射面；32、折射面；4、拍频元件；5、光电探测器。
具体实施方式
40.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
41.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
42.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
43.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
44.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
45.在本文中，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等仅用于表示相关部分之间的相对位置关系，而非限定这些相关部分的绝对位置。
46.在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。
47.在本文中，“相等”、“相同”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。
48.除非另有说明，本文中的数值范围不仅包括其两个端点内的整个范围，也包括含于其中的若干子范围。
49.本公开提供了一种相干探测装置，包括激光源、光学棱镜、拍频元件和光学探测器等部件。其中，激光源用于发出激光，光学棱镜被配置为将激光折射为投向目标物的多束激光分束，并且接收多束激光分束从目标物反射或散射回的信号光。拍频元件被配置为将信号光和激光的本振光进行拍频相干，产生拍频光，光电探测器用于接收拍频光，并将拍频光转化为电信号。通过电信号可以进一步获得目标物的目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等有关信息，从而对目标进行探测、跟踪和识别。
50.光学棱镜通过结构设置将一束激光折射为多束激光分束对目标物进行探测，以获取目标物的有关信息。光学棱镜结构简单，实现了相干探测装置的结构简化，有利于提高装置的稳定性，方便维护，并且有效降低了成本。
51.下面将结合具体结构对本公开的技术方案进行详尽的描述。
52.在本公开的一些实施例中，如图3所示，相干探测装置包括激光源1和光学棱镜3，激光源1用于发出激光，光学棱镜3接收激光，并且将一束激光折射为多束激光分束，多束激光分束被光学棱镜3投向需要探测的目标物。多束激光分束到达目标物后反射或散射回信号光，光学棱镜3接收返回的信号光。
53.光学棱镜3接收的激光为经过准直的激光束，如图3所示的一个具体实施例中，激光源1和光学棱镜3之间设置有准直元件2，准直元件2接收激光源1发出的激光，将激光进行准直后发射至光学棱镜3。准直元件2还能够接收返回至光学棱镜3的光学信号。准直元件2可以是准直光学望远镜或其它能够对激光进行准直的仪器。
54.相干探测装置还包括拍频元件4和光电探测器5，激光源1向拍频元件4发出激光的本振光，准直元件2将接收的信号光发射至拍频元件4，本振光和信号光能够在拍频元件4中进行拍频相干，产生拍频光。拍频元件4将拍频光发送至光电探测器5，光电探测器5将拍频光转化为电信号。拍频元件4可以是光线混频器、光纤耦合器或其能够实现拍频相干的光学元件。光电探测器5获得的电信号可以进一步发送至模数转换器进行信号转换，最终得获得目标物的距离、方位、速度等信息。
55.在本公开的一些实施方式中，相干探测装置还包括光纤环形器。光纤环形器通过第一端与激光源1连接，并接收激光，通过第二端将激光发射至光学棱镜3，拍频元件4为设置在光纤环形器第二端的端面，该端面接收返回光学棱镜3的信号光，并且反射激光的本振光，信号光与本振光能够在该端面进行相干拍频，产生拍频光，拍频光再经过光纤环形器的第三端输出至光电探测器5。
56.相干探测装置应用在激光雷达中，可以用于大气环境监测、飞行器追踪识别、获取地理信息等领域。以探测大气风场为例，本公开在下文中详细介绍相干探测装置的原理。
57.当一束频率为v的激光信号发射到大气中，照射到空气中的气溶胶分子时，发生散射并产生回波，此时激光信号的频率会产生漂移，回波信号的频率v
x
表示为：
[0058][0059]
其中，u表示气溶胶中的颗粒移动速度，即风速，θ
x
表示风向与发出的激光信号传播方向之间的夹角，λ表示激光波长。
[0060]
回波信号被探测器接收，此时接收的激光信号的频率vr表示为：
[0061][0062]
其中，θr表示风向与接收的激光信号传播方向之间的夹角。
[0063]
将接收到的激光信号频率vr与发出的激光信号频率v
x
相减，就可以得到激光信号频率的漂移(称为多普勒频移)vd：
[0064][0065]
通常情况下，激光信号发射与接收方向一致，即θ
x
＝θr，于是：
[0066][0067]
其中，ur表示在测量方向上的风速大小。可见，通过测量接收信号与发射信号的频率差值，可以得到测量方向上的风速大小(径向风速)。
[0068]
在本公开的一些实施方式中，如图4所示，光学棱镜3包括用于接收激光的入射面31，以及用于折射出激光分束的多个折射面32，多个折射面32分别相对于入射面31倾斜，多束激光分束与入射面31接收的激光呈一定角度。详细地，入射面31和折射面32分布在光学
棱镜3的相对两侧，激光的方向与入射面31垂直，每个折射面32均折射出一束激光分束。光学棱镜3至少包括三个折射面32，并且折射出至少三束激光分束，以获取目标物的位置、距离、大小等信息。
[0069]
如图5所示，光学棱镜3的多个折射面31还用于接收从目标物返回的信号光，并且对信号光进行折射，以使信号光沿着激光的路径从入射面31逆向射出。
[0070]
在本公开的一些实施方式中，如图6所示，光学棱镜3的多个折射面32相对于入射面31向不同方向倾斜，以使多束激光分束能够向不同方向发射，探测不同位置的目标物。详细地，多个折射面32可以通过相同的角度向不同方向倾斜，也可以通过不同的角度向不同方向倾斜。多个折射面32的具体倾斜角度可以根据不同目标物的位置、距离、大小等因素进行选择。
[0071]
根据折射定律，光线入射到不同介质的界面上会发生反射和折射。其中入射光和折射光位于同一个平面上，并且与界面法线的夹角满足如下关系：
[0072]
n1sinθ1＝n2sinθ2ꢀꢀ
(2.1)
[0073]
其中，n1为入射光一侧介质的折射率，n2为出射光一侧介质的折射率，θ1为入射光与界面法线之间的角度，θ2为出射光与界面法线之间的角度。
[0074]
在本公开中，如图4所示，光学棱镜3的多个折射面32与入射面31之间的倾斜角度为α，折射出的激光分束与入射的激光之间形成的夹角为β。由于激光的方向与入射面31垂直，激光经过入射面31 时角度不发生偏折，激光与折射面32的法线之间的角度等于折射面32 与入射面31之间的倾斜角度α。激光分束与折射面32的法线之间的角度为α β。激光角度、激光分束角度以及折射面32角度满足：
[0075]
n1sinα＝n2sin(α β)
ꢀꢀ
(2.2)
[0076]
其中，光学棱镜3的折射率为n1，空气的折射率为为n2。
[0077]
在本公开的一些实施方式中，多个折射面32与入射面31之间的倾斜角度α可以设置在5
°
至12
°
之间，多束激光分束投向大气中的颗粒，用于探测风速。多个激光分束分别与激光之间形成的夹角β可以设置在10
°
至35
°
。光学棱镜3的折射率n1可以设置在1.45至4 之间。例如，将多个折射面32与入射面31之间的倾斜角度α设置为 10
°
，将光学棱镜3折射率n1设置为1.2，空气的折射率为为n2通常为1，基于上述公式(2.2)可以计算出激光分束与入射激光之间的夹角β。
[0078]
光学棱镜3材料为可实现激光(波长200nm至2200nm)偏折的所有光学材料，包括但不限于熔石英玻璃、k9玻璃、硅等光学材料。光学棱镜3由多个折射面32至入射面31之间的多个区域构成，光学棱镜3可以是一体式结构，也可以由多个区域拼接而成，光学棱镜3的多个区域可以采用不同折射率的光学材料，本公开对此不作限制。
[0079]
在本公开的一些实施方式中，如图6所示，光学棱镜3的多个折射面32可以在光学棱镜3端面的圆周方向上均匀分布，以使多束激光分束以环形方式射出。多个折射面32的形状和面积可以设置为相同，以使多束激光分束能够均匀分配。并且，多个折射面32可以从光学棱镜3的边缘至中心逐渐向入射面31的方向倾斜，构成凹型结构，以使多束激光分束能够以发散状态射出。
[0080]
在本公开的一个具体实施方式中，如图6、图7所示，光学棱镜 3的多个折射面32均设置为扇形结构，折射面32设置有四个，并且构成锥形结构。光学棱镜3的直径径范围为设
置大于等于50毫米。参考图7视角，四个扇形折射面32在光学棱镜3上均匀分布，互成90
°
，四束激光分束也互成90
°
分布。如图6所示，当一束激光a从入射面 31射入光学棱镜3后，四个折射面32会将入射的激光束a分为a1、 a2、a3、a4四束激光分束。
[0081]
在本公开的一种实施方式中，如图8所示，光学棱镜3包括的三个扇形的折射面32，并且折射面32构成锥形结构。三个扇形折射面 32在光学棱镜3上均匀分布，互成120
°
，三束激光分束也互成120
°
分布。当一束激光b从入射面31射入光学棱镜3后，四个折射面32 会将入射的激光束b分为b1、b2、b3三束激光分束。
[0082]
在本公开的一种实施方式中，如图9所示，光学棱镜3包括的五个扇形的折射面32，并且构成锥形结构。五个扇形折射面32在光学棱镜3上均匀分布，互成72
°
，三束激光分束也互成72
°
分布。当一束激光c从入射面31射入光学棱镜3后，五个折射面32会将入射的激光束c分为c1、c2、c3、c4和c5五束激光分束。
[0083]
本公开还提供了一种光学棱镜，可以应用在激光雷达的光学扫描装置中。光学棱镜包括用于接收激光的入射面31，以及用于折射出激光分束的多个折射面32，多个折射面32分别与入射面31形成倾斜角度。折射面32被配置为，将多束激光分束投向目标物，接收并折射多束激光分束从目标物反射或散射回的信号光，以使信号光沿着激光的路径从入射面31逆向射出。该光学棱镜的具体结构和原理与本公开上述相干探测装置中的光学棱镜一致，本公开在此不再赘述。
[0084]
本公开还提供了一种相干测速系统，包括相干探测装置，该相干探测装置的具体结构和原理与本公开上述的相干探测装置一致，本公开在此不再赘述。相干测速系统中还包括本领域技术人员悉知的控制及数据处理分系统、温控辅助分系统等。
[0085]
在本公开的一种实施方式中，相干测速系统为多普勒测风激光雷达，能够反演出大气空间中的风廓线信息，为气象、环保或者机场跑道等应用领域提供关键数据支撑。相比于现有的激光雷达，本公开的相干测速系统采用结构简单的光学棱镜对目标物进行光学扫描，不需要转动部件带动光学元件进行转动扫描，从而降低了硬件成本，方便于维护，延长了整个系统使用寿命。
[0086]
在本公开的一种具体实施方式中，多普勒测风激光雷达采用以下方案进行信号探测。如图10所示，多普勒测风激光雷达包括激光源1、光纤环形器、准直元件2、光学棱镜3、光纤混频器或光纤耦合器、光电探测器5以及模数转换器。其中，光纤环形器包括方向不同的端口1、端口2和端口3，其中，端口1与激光源连接，端口2与准直元件2 连接，端口3与光纤混频器或光纤耦合器连接。激光源发射的激光经光纤环形器的端口1传输至端口2，然后由光纤环形器的端口2发射至准直元件2，再从准直元件2发射至光学棱镜3，完成激光的折射和信号光的接收，准直元件2接收的信号光经光纤环形器端口2传输至端口3并输出，由激光源输出的本振光和光纤环形器端口3输出的信号光传输至光纤混频器或者光纤耦合器，完成信号光和本振光的多普勒相干，产生拍频光，然后由光电探测器5将拍频光转换为电信号，最后将电信号发送至模数转换器完成信号采集，最终得出多普勒信号，反演出速度等信息。
[0087]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其
它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本公开的范围由所附权利要求来限定。