大气探测激光雷达光学接收系统准直镜设计∗

李菁文， 赵一鸣， 刘 波， 李凉海， 于 勇

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

大气探测激光雷达光学接收系统准直镜设计∗

李菁文， 赵一鸣， 刘 波， 李凉海， 于 勇

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

以大气探测激光雷达系统为背景，介绍系统中准直镜的设计方法。根据设计指标要求，计算满足设计要求的准直镜焦距范围。设计三种不同型式的透射式准直镜，分别计算不同距离处大气回波信号经准直镜准直后的光束发散角及探测器上光斑尺寸。针对大气探测激光雷达探测近距离目标时，不同波长回波光束经准直镜准直后发散情况严重这一特点，采用准直镜离焦的方法。仿真结果表明，方法能够使不同距离处三波长回波信号经准直镜准直后满足光束口径小于等于0.8倍探测器聚焦镜口径，光束发散角小于等于±1°的使用指标要求。

激光雷达； 接收系统； 准直镜； 光学设计

引言

大气探测激光雷达由激光发射子系统、激光器电源及控制子系统、信号接收子系统、扫描子系统、系统控制及信号处理子系统五部分组成。激光发射系统和回波信号接收系统采用离轴形式，有利于增加探测器的动态范围，避免近距离强回波信号造成探测器饱和。信号接收子系统由望远镜、小孔光阑、准直镜、分光镜、滤光片和衰减片等后继光学单元组成。经过大气气溶胶粒子及大气分子散射的激光雷达回波信号由望远镜接收，望远镜焦点处放置小孔光阑限制视场角。回波光束经准直镜准直成平行光，再经过分光镜分光，最终各个通道的光束经过衰减片、滤光片到达光电倍增管[1，2]。

接收望远镜采用卡塞格林两镜系统，与望远镜相配合的准直镜结构和参数的选取，直接影响了最终到达光电探测器上的光束质量[3]。本文依据目前研制的多波长拉曼偏振大气探测激光雷达系统，重点研究准直镜的设计方法。

1 准直镜设计指标要求与参数分析

1.1 准直镜设计指标要求

准直镜的主要作用是将望远镜接收的大气后向散射光准直成平行光，便于后续光路的利用[4]。望远镜接收的后向散射光波长为355nm、532nm和1064nm三个波段，设计时要重点考虑色差对其性能的影响。根据设计指标要求，准直镜到探测器的光程距离为500mm。在探测器聚焦镜处，要求光束口径小于等于0.8倍探测器聚焦镜口径。光路中的滤光片、分色镜、偏振分光镜在正常使用范围内对光束入射角度的要求是：滤光片光束入射角度≤±1°；分色镜光束入射角度≤±1°；偏振分光镜光束入射角度≤±1°。

准直镜的设计目标是使其在满足设计参数与望远镜参数相匹配基础上，准直后的光束发散角及探测器聚焦镜处光斑尺寸能够满足上述指标要求。

1.2 准直镜参数分析

准直镜的理想模型如图1所示，其中y′为准直镜物高的一半。u为望远镜像方孔径角，即准直镜物方孔径角。根据系统尺寸要求，准直镜的口径为φ＝25.4mm。ω为准直镜视场角，也即入射到滤光片、分光镜和偏振分光镜上的入射角。准直镜最重要的参数就是焦距，它影响着最终到达探测器聚光镜上的光束口径和入射角度的大小。

图1 准直镜理想模型

由几何光学可推导出准直镜焦距f′与准直后光束在探测器聚焦镜处光束口径D及光束入射角度ω的关系

其中光程L、孔径角u、半物高y′均已知。D、ω、f′三者关系如图2所示。为像差留出一定裕量，取入射到探测器聚光镜上的光束口径D＝15.6mm，对应的入射角度范围为0.26°～0.64°，准直镜焦距范围为22.54mm～55.45mm。准直镜焦距值在此范围内选取能够满足设计需求。

图2 D、ω、f′三者关系图

2 准直镜设计结果分析

准直镜的形式可以为透射式或反射式。透射式主要包括平凸—平凸型、平凸—平凹型、三分离型三种形式[5]，反射式主要为离轴抛物面式。考虑到接收系统尺寸要求和加工、装调周期、成本等要求，本系统采用透射式准直镜。本文对三种透射式准直镜进行了光学仿真设计，并对三种形式准直镜的性能进行了分析比较。

对于非成像的激光雷达系统，对其光学系统性能的评价不同于成像系统。对准直镜性能影响最大的是色差[6]，但轴向色差与横向色差不能直接与光学系统性能联系起来，只能通过光学仿真软件分析经过准直镜后的轴上光线与轴外光线的发散角大小来评价其性能。设计时，将532nm波长定为中心主波长，将其准直性调到最佳，然后分析355nm和1064nm波长光的发散情况。表1、表2、表3分别列出了用ZEMAX软件设计的三种透射式准直镜轴上、轴外光束发散角度与500mm光程处光束口径大小。

表1 平凸—平凸型准直镜性能指标

表2 平凸—平凹型准直镜性能指标

表3 三分离型准直镜性能指标

从表中的数据可以看出，三种形式准直镜出射光束的发散角度和探测器聚焦镜处光束口径大小都满足要求。但这只是针对物在无穷远时，望远镜接收到的后向散射光的情况。而在实际探测中，往往更加关心近地面大气分布情况，也就是说，望远镜接收的回波光束大多是有限物距的。所以有必要分析当目标在有限距离时，光束经过准直镜后的出射情况。仿真结果示于图3、图4和图5，分别分析了三种形式准直镜物距为100m、300m、500m、800m、1km、5km和10km时的情况。

图3 目标在不同距离时平凸—平凸型准直镜出射光线情况

图4 目标在不同距离时平凸—平凹型准直镜出射光线情况

图5 目标在不同距离时三分离型准直镜出射光线情况

从图中可以看出，当物在有限距离时，望远镜接收的后向散射光经准直镜准直后的光束发散情况严重，入射到探测器上的光束口径大小和入射角度已经不能够满足使用要求。

针对这一问题，采用准直镜离焦的方法平衡三个波长光束的发散情况。离焦量的选取要综合考虑三波长光束发散情况，若离焦量过小，则不足以平衡1064nm光束的发散，而离焦量过大又会使355nm光束严重会聚。经过多次仿真模拟，最终确定离焦量为5mm时结果比较理想，仿真计算结果示于图6、图7和图8。

图6 离焦5mm时平凸—平凸型准直镜出射光线情况

从图中可以看出，离焦5mm后，物距由近到远变化时，三种形式准直镜准直后的光线都能满足指标要求。从色差校正的角度来看，三分离型准直镜色差校正效果最好，其次为平凸—平凹型。从探测器聚焦镜处光束口径大小和发散角度大小来看，最优的也是三分离型，平凸—平凸型和平凸—平凹型性能基本相同。但是从成本价格和装调情况考虑，平凸—平凸型准直镜使用的玻璃材料价格最低，并且两片镜片完全相同，最易于装调。综合考虑诸情况，在满足准直光线指标要求的前提下，选择平凸—平凸型准直镜作为本激光雷达系统中的准直镜形式。

图7 离焦5mm时平凸—平凹型准直镜出射光线情况

图8 离焦5mm时三分离型准直镜出射光线情况

3 结束语

本文以大气探测激光雷达系统为背景，研究分析了光学接收处理系统中准直镜的光学设计方法。通过光学仿真模拟，设计了三种结构形式的准直镜，并分析了距离从100m到无穷远处回波信号经准直镜准直后的光束质量。采用准直镜离焦的方法，得到了满足大气探测激光雷达从近处至无穷远处探测需求的准直镜设计结果。对三种形式准直镜进行比较，最终确定在满足准直光线指标要求的前提下，选择平凸—平凸型作为雷达系统的准直镜形式。仿真设计结果表明，准直镜设计方法正确、有效，对激光雷达光学系统设计仿真具有重大意义。

[1] 李洪敬，鲍 森，陈 敏.直接探测大气激光雷达的系统设计[J].南京晓庄学院学报，2007，5(3)：25～28.

[2] 徐赤东，纪玉峰.MPL～AI/T型微脉冲激光雷达的研制与应用[J].大气与环境光学学报，2008，3(5)：337～339.

[3] 杜其成，徐赤东，纪玉峰.透射式同轴微脉冲激光雷达研制[J].大气与环境光学学报，2007，2(5)：358～360.

[4] 王玉诏.纯转动拉曼-米散色激光雷达大气温度及气溶胶探测技术研究[D].北京理工大学，2010，39～49.

[5] 张 乐.激光雷达发射和接收光学系统研究[D].国防科学技术大学，2004，24～33.

[6] 萧泽新，安连生.工程光学设计[M](第二版).北京：电子工业出版社，2002，55～59.

李菁文 1988年生，硕士，主要从事光学系统设计工作。

赵一鸣 1983年生，博士，主要从事激光雷达遥感、偏振成像的理论及实验研究。

刘 波 1986年生，硕士，主要从事激光雷达，红外光学系统研究工作。

李凉海 1965年生，研究员，主要研究方向为雷达系统设计。

于 勇 1971年生，博士，研究员，主要研究方向为雷达制导以及雷达系统。

Design of Collimating Lens for Optical Receiving System of Atmosphere Measurement Lidar

Li Jingwen， Zhao Yiming， Liu Bo， Li Lianghai， Yu Yong

The design method of collimating lens is introduced，which is installed in the Lidar system for atmospheric measurement.The focal length range of collimating lens based on the requirements of design is calculated.Three different models of transmission type collimating lens are designed，and the divergence of light and the size of light spot when different distance atmospheric echo signals are collimated by the collimating lens are calculated.When the Lidar detects the near distance targets，the divergence of different lights corresponding to emitted wavelength through the collimating lens is severe.Thus a method of collimating lens defocused is advanced.The simulation results indicate that this method can make the light beams of three-wavelength echos at different distances collimated by the collimating lens satisfy the requirements of index，which the diameter of light beam is less than or equal to point eight times the diameter of focus lens，the divergence of light beam is less than or equal to positive or negative one degree.

Lidar； Receiving system； Collimating lens； Optical design

TN249

A

CN11-1780(2014)02-0032-05

北京市科委资助项目(Z121100001412005)

2013-11-05 收修改稿日期：2013-12-04