激光雷达系统快速准直的方法和光学装置
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扩束后的激光发散角，小于‰，所以由上式近似得
△口＜‰ｖ＋０１
（９）
实际中一般取保守值ＡＳ＜Ｏｍｖ，所以螺旋式扫描的方程为
口＝２７ｃ口／‰ｖ
（１０）
同样，旋转步长需满足
柙△口＜２（Ｒ，＋Ｒ１）
（１１）
式（１１）近似得
△ｐ＜（日Ｆｏｖ＋０１）／ｏ
（１２）
２．２ 判断准则
图８为圆形和径向扫描示意图，容易算得探测器接受到的归一化信号Ｓ为：
第２１卷第３期 ２００９年３月
强激光与粒子束
ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ
文章编号： １００１—４３２２（２００９）０３—０３３５—０６
Ｖ０１．２１，Ｎｏ．３ Ｍａｒ．，２００９
激光雷达系统快速准直的方法和光学装置。
沈法华， 董晶晶， 孙东松， 岳 斌， 舒志峰
图６ 出射光线方向径向扫描时对应的楔板１和２的旋转角的变化
图７所示。将上述设计的光学装置插入到激光雷达发射光路中，入射光在经过该装置以后，通过两个步进电机
改变两个楔板的旋转角度，出射光束的方向在一定的锥形空间角度范围内将连续可调。设计合适的楔角，可以
保证在对楔板１和２旋转合适的角度之后，出射光线方向能与望远镜平行。
（１）由计算机程序控制步进电机转动楔板１和２，使出射光束方向沿螺旋式初扫，一旦发现接收到的对应
高度ｒ的信号明显变强即停止，保存此时的向一岛值；
（２）不改变步骤（１）所述的廓一序值，换用圆形细扫，高度ｒ的信号会呈图９（ａ）的几种情况改变，将楔板１ 和２的转动角度角，屉调至使信号处于梯形的中心位置或抛物线形的峰值，此时收发系统光轴在同一平面内 且已初步平行；
射光路，采用螺旋式粗扫、圆形和径向细扫相结合的光束扫描方式实现对激光雷达准直的方法，并给出了系统 准直调节过程中的判断准则和具体的准直步骤。
关键词：激光雷达；准直｝光学装置；旋转；折射
中图分类号：ＴＮ９５８．９８
文献标志码：Ａ
激光雷达以激光为光源，通过探测激光与目标物相互作用的辐射信号来遥感目标物的物理或化学特性的 一种主动探测系统。由于激光雷达朝着小型化的发展和可靠性的提高，激光雷达的载体已由地基发展为车载、 船载、机载和星载，这些激光雷达已被广泛应用于探测目标、大气气溶胶、能见度、大气污染监测、水汽、臭氧、大 气风场、大气温度和大气密度等［１‘３］。随着激光雷达技术的不断发展，它在大气科学、环境保护、气象与气候、大 气遥感等领域有着更为广阔的应用前景。而无论哪一种激光雷达都包含发射和接收系统，要使激光雷达正常 有效地工作，必须首先保证其收发系统光路准直。传统的调节方法是用一个４５。反射镜固定在一个３维可调的 光具座上，通过手动调节光具座的３个维度旋钮实现光路准直。这种方法效率很低、耗时长且结构不稳定。国 际上，意大利的Ｍａｔｅｒｉａ物理研究所和Ｎａｐｌｅｓ大学物理系在１９９８年报道了一台自准直高空激光雷达，使用一 个高精度的２维电动调整架以改变激光方向，根据雷达大气回波信号的幅度达到最大来决定光轴方向，实现系 统准直［４｛］。国内也有一些激光雷达不同程度地采用了类似的自动准直技术，用两个高精度步进电机来控制 ４５。反射镜方位，分别实现发射激光束沿东西和南北方向扫描睁７１。该方法虽然代替了人工调节，但效率同样不 高，尤其当发射激光束的光轴方向与接收望远镜的光轴方向偏差较大的情况下（雷达运输途中的颠簸等）耗时 长，而且该装置结构比较复杂，对机械加工的精度要求较高。谭琨等人最近研制了一种用于车载激光雷达的自 准直系统，该系统采用了一台２维电动调整导向镜、逐行扫描ＣＣＤ、图像采集卡、角反射镜等设备实现了雷达 自动准直［８］，整个系统成本很高。为了既可以实现雷达系统快速准直，同时又降低成本，本文提出一种成本低 廉的激光雷达收发光路快速准直的光学装置及其方便快捷的调节方法。
（ａ）ｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｃａｎ
【ｂ）ｒａｄｉａｌ ｓｃａｎ
Ｆｉｇ．８
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｓｃａｎｓ
图８圆形和径向扫描示意图
当圆形扫描时
ｒ
０，
Ｓ一＜
１，
Ｒ≥Ｒ。＋Ｒｌ Ｒ＜Ｉ Ｒ。一Ｒｌ
（１３）
Ｌ（Ｒ：９ｌ＋Ｒｆ即一ＲＲ。ｓｉｎ９，）／ＴｃＲ｝，
ｏｔｈｅｒ
（３）在不改变步骤（２）所述的出射光束旋转角口条件下，转动楔板１和２使出射光束方向沿径向细扫，高度
ｒ的信号会呈图９（ｂ）的梯形改变，将楔板１和２的转动角度岛，尼调至使信号居梯形中间位置，此时激光雷达 收发系统光路已经准直。
３讨论
３．１楔角选取
由式（４）得
ｄ０／ｄ（／易一届）＝ａ（ｎ一１）Ｉ ｃｏｓ［（／曼一岛）／２］ｌ
２收发光路准直方法 调节激光雷达收发系统光路准直的示意光路如
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｌｉｄａｒ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ
图３ 激光雷达收发光路快速准直的光学装置图
万方数据
第３期
沈法华等：激光雷达系统快速准直的方法和光学装置
来自百度文库
３３７
ｌ １８０
２
∥／（。）
（ａ）
（ｂ）
Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｗｅｄｇｅ ｐｌａｎｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔ ｂｅａｍ ｓｃａｎｓ ｉｎ ｓｐｉｒｅ
图５ 出射光线方向螺旋式扫描时对应的楔板１和２的旋转角的变化
２７０
Ｆｉｇ．６
（ａ）
（ｂ）
Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔＷＯ ｗｅｄｇｅ ｐｌａｎｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔ ｂｅａｍ ｓｃａｎｓ ｒａｄｉａｌｌｙ
万方数据
３３８
强激光与粒子柬
第２１卷
Ｆｉｇ．７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ａｘｉｓ
图７ 调节激光雷达收发系统光路准直的示意图
是位于ｒ处远场发射激光束截面的光斑半径，Ｒ．＝（Ｄ。＋ｒ０１）／２，Ｄ。为扩束后的光斑直径，一般在２＂－－３ ｃｍ，０ｌ为
２７０
Ｆｉｇ．４
（ａ）
（ｂ）
Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔＷＯ ｗｅｄｇｅ ｐｌａｎｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔ ｂｅａｍ ｓｃａｎｓ ｉｎ ｓｑｕａｒｅ
图４ 出射光线方向沿正方形扫描时对应的楔板ｌ和２的旋转角的变化
Ｏ
２７０
以／（。）
Ｆｉｇ．５
１装置设计光学原理
如图１（ａ）所示，两楔形光学平板１和２在未旋转前，斜面工和口平行，０方位对应旋转角度的初始零位置。
旋转之后，入射光束经过楔形光学平板ｌ和２的光路如图１（ｂ）所示。
假设楔板楔角为口，折射率为行，光线Ａ至楔板１的入射角为０。＝口，楔板１的旋转角为Ｊ９１；楔板２的旋转角
为＆，则光线Ａ至楔板１的折射角如，根据折射定律有ｎｓｉｎＯｚ＝ｓｉｎＯ。。折射光线Ｂ与轴线的夹角０ｓ，由图１（ｂ）
的几何关系可知０３＝口一易。而折射光线Ｂ旋转角等于卢。，则折射光线Ｂ至楔板２的入射角六，通过求解可得
ｃｏｓ０，＝ＣＯＳ０３ＣＯＳａ＋ｓｉｎ０３ ｓｉｎａｃｏｓ（／参一向）
（１）
折射光线Ｂ至楔板２的折射角Ｏｓ，根据折射定律有ｓｉｎＯｓ＝ｎｓｉｎ０４。折射光线Ｃ（即出射光线）与轴线的夹
角０，通过图１（ｃ）的几何关系求解得
２．１扫描方式及步长要求
先采用螺旋式进行粗扫，一旦采集到信号后再改用圆形和径向细描方式，能比较方便、快速地实现对激光
雷达收发光路的准直调节。
如图７所示，在采用螺旋式扫描粗调时，螺旋线的内外螺线的间距需要满足
ｒＡＯ＜２（Ｒ：＋Ｒ１）
（８）
式中：△口为螺距；，．为准直时处理信号所对应的距离，一般选取３０ ｋｍ；Ｒ。＝（Ｄ。＋ｒ０ＦＯＶ）／２是位于ｒ处远场望 远镜接收截面的半径，Ｄ。为望远镜口径，一般在３０ ｃｍ左右，０ｖｏｖ为望远镜接收视场角，一般在ｍｒａｄ量级；ＲＩ
出射光线旋转角口，通过求解得
ｆｌ（ａ，，ｚ，佛，屉）＝角±
ａｒｃｃｏＳ ＣＯＳ（０４－－０５）－－ＣＯＳ０３ｃｏｓＯ］ （３）
楔角Ｏｔ一般设计得非常小，式（２），（３）取一级近似 得到
Ｏ（ａ，以，向，Ｊ８２）≈２ａ（ｎ一１）Ｉ ｓｉｎ［（３２一向）／２］ｌ
（４）
卢（口，咒，岛，位）≈（向＋屉±７ｃ）／２
当径 向扫描时
０，
Ｒ，一ｄ Ｉ≥ＲＩ＋Ｒ。
Ｓ＝
１
Ｒ，一ｄ≥Ｒｌ—Ｒ。ａｎｄ Ｒ，一ｄ≤Ｒ。一ＲＩ
（１４）
＋ Ｒ 即 ，●●Ｊ‘●ｋ
Ｒ仍
－ ，ＲＲ
．虬 ｎ 仇 ／ 兀 Ｒ
ｏｔｈｅｒ
式（１３）中Ｒ＝ＥＲ；＋ｄ２—２Ｒ，ｄｃｏｓ（ｆｌ＋６届）］“２，式（１４）中Ｒ＝ｌ Ｒ，一ｄ ｌ；Ｒ，＝Ｏｒ为ｒ处扫描的口径；ｄ＝ＡＤ
（１５）
●
由式（１５）知：当应一届一定，口越大０调节范围虽然越大，但调节精度越低，反之亦然。
反之，若已知出射光线状态口和卢，可求得两个楔板的旋转角度（规定０＜屉一向＜７ｃ）
届（口，起，０，卢）＝Ｊ９＋ａｒｃｃｏｓ［Ｏ／２（ｎ一１）口］
（６）
屉（口，竹，０，卢）＝卢＋ａｒｃｃｏｓ［－－Ｏ／２（ｎ一１）口］
（７）
如图３所示的光学装置，由计算机程序控制步
进电机转动楔形光学平板ｌ和２，可以得到不同方
一８０ｒ为ｒ处收发光轴的距离，踟为收发光轴初始夹角；８届为旋转角的初始零位置与图９中０，０２的夹角；伽＝
ａｒｃｃｏｓ［（Ｒ：＋Ｒ２一Ｒ｝）／２ＲＲ：］；仇一ａｒｃｃｏｓＥ（Ｒｆ＋Ｒ２一Ｒ；）／２ＲＲｌ］。
圆形和径向扫描时归一化信号如图９所示。很显然，对于圆形扫描，选取梯形的中心位置或抛物线形的峰
值所对应的旋转角度口；对于径向扫描，选取梯形的中心位置所对应的口。
向的出射光。图４、图５和图６分别给出了出射光
线沿正方形扫描、螺旋式扫描和径向扫描时，楔板１
和２的旋转角岛和＆值的相应变化。该装置利用
电机转动两个楔形光学平板来实现出射光束按指定 的规律扫描，相比文献［６］和［７］中采用两个高精度
步进电机来控制４５。反射镜方位实现光束２维扫描
的结构要相对简单，容易实现。
（中国科学院安徽光学精密机械研究所。合肥２３００３１）
摘要：研制了一种能够方便、快速调节激光雷达收发光路准直的光学装置，分析了装置楔角的选取要 求、准直误差及其相应的矫正方法。该装置结构简单，主要由两个楔形光学平板组成。通过电机转动两个楔板
可使出射光束方向在一定范围内任意改变，该调节范围由楔板的楔角和折射率决定。利用折射定律，严格推导 了装置中两个楔形光学平板的旋转角度与出射光束方向之同的关系。提出了将该光学装置插入到激光雷达发
＊收稿日期：２００８—０４—２９Ｉ 修订日期：２００９—０１—１０ 基金项目：中国科学院知识创新工程资助项目（ＣＸ０２０１） 作者简介：沈法华（１９８１一），男。江苏盐城人，博士研究生，主要从事测风激光雷达研究｝ｓｆｈ８１９１４（园ｔｏｍ．ｃｏｔＢ。
万方数据
强激光与 粒子柬
第２１卷
√篙蒜辫意船一·］－Ｉ｝㈣ 口（ａ，ｎ，向，＆）：ａｒｃｃｏｓＩ『＿鳢＋ｓｉｎＯ＿＿！ｓ×
（５）
当屉＞届时，取“＋”；当岛＜届时，取“一”。由式
（４）可知０存在最大值２ａ（咒一１），当平板材料的折射
率靠不变时，出射光束的调整范围只由平板楔角决定， 楔角越大光束调整范围也就越大，反之亦然。由式（５） 可知口与口和以无关，即出射光束沿光轴的旋转角和
Ｆｉｇ·１。ｐ。ｔｈｉｃｒｏｕａｌ ｐｇａｈｔｈ。。ｏ。ｆ。ｌａ。ｓｅｄｒｇ。ｂｅｐａＩ。ｍ。。ｔ。ｒ８ｎ８“ｉ。‘１“８ 图１光线入射到两个楔板的光路示意图
２．３准直步骤
利用上文所述的光学装置进行雷达系统准直调节的步骤如下：
万方数据
第３期
沈法华等：激光雷达系统快速准直的方法和光学装置
３３９
（夕＋夸矽。）／（。）
（ａ）ｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｃａｎ Ｆｉｇ．９
Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｏｒ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｓｃａｎｓ
图９ 圆形和径向扫描时归一化信号的变化图
楔形板的性质无关。图２给出了当楔角ａ＝Ｏ．５。，折射率竹＝１．５时，出射光线旋转角卢和其与轴线的夹角０随
楔板１和２的旋转角肺及＆的变化关系。
Ｆｉｇ．２
Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｏｕｔ ｂｅａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ａｎｄ ａｘｉｓ口５ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｗｅｄｇｅ ｐｌａｎｅｓ 图２出射光线旋转角和其与轴线的夹角随楔板１和２的旋转角的变化
△口＜‰ｖ＋０１
（９）
实际中一般取保守值ＡＳ＜Ｏｍｖ，所以螺旋式扫描的方程为
口＝２７ｃ口／‰ｖ
（１０）
同样，旋转步长需满足
柙△口＜２（Ｒ，＋Ｒ１）
（１１）
式（１１）近似得
△ｐ＜（日Ｆｏｖ＋０１）／ｏ
（１２）
２．２ 判断准则
图８为圆形和径向扫描示意图，容易算得探测器接受到的归一化信号Ｓ为：
第２１卷第３期 ２００９年３月
强激光与粒子束
ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ
文章编号： １００１—４３２２（２００９）０３—０３３５—０６
Ｖ０１．２１，Ｎｏ．３ Ｍａｒ．，２００９
激光雷达系统快速准直的方法和光学装置。
沈法华， 董晶晶， 孙东松， 岳 斌， 舒志峰
图６ 出射光线方向径向扫描时对应的楔板１和２的旋转角的变化
图７所示。将上述设计的光学装置插入到激光雷达发射光路中，入射光在经过该装置以后，通过两个步进电机
改变两个楔板的旋转角度，出射光束的方向在一定的锥形空间角度范围内将连续可调。设计合适的楔角，可以
保证在对楔板１和２旋转合适的角度之后，出射光线方向能与望远镜平行。
（１）由计算机程序控制步进电机转动楔板１和２，使出射光束方向沿螺旋式初扫，一旦发现接收到的对应
高度ｒ的信号明显变强即停止，保存此时的向一岛值；
（２）不改变步骤（１）所述的廓一序值，换用圆形细扫，高度ｒ的信号会呈图９（ａ）的几种情况改变，将楔板１ 和２的转动角度角，屉调至使信号处于梯形的中心位置或抛物线形的峰值，此时收发系统光轴在同一平面内 且已初步平行；
射光路，采用螺旋式粗扫、圆形和径向细扫相结合的光束扫描方式实现对激光雷达准直的方法，并给出了系统 准直调节过程中的判断准则和具体的准直步骤。
关键词：激光雷达；准直｝光学装置；旋转；折射
中图分类号：ＴＮ９５８．９８
文献标志码：Ａ
激光雷达以激光为光源，通过探测激光与目标物相互作用的辐射信号来遥感目标物的物理或化学特性的 一种主动探测系统。由于激光雷达朝着小型化的发展和可靠性的提高，激光雷达的载体已由地基发展为车载、 船载、机载和星载，这些激光雷达已被广泛应用于探测目标、大气气溶胶、能见度、大气污染监测、水汽、臭氧、大 气风场、大气温度和大气密度等［１‘３］。随着激光雷达技术的不断发展，它在大气科学、环境保护、气象与气候、大 气遥感等领域有着更为广阔的应用前景。而无论哪一种激光雷达都包含发射和接收系统，要使激光雷达正常 有效地工作，必须首先保证其收发系统光路准直。传统的调节方法是用一个４５。反射镜固定在一个３维可调的 光具座上，通过手动调节光具座的３个维度旋钮实现光路准直。这种方法效率很低、耗时长且结构不稳定。国 际上，意大利的Ｍａｔｅｒｉａ物理研究所和Ｎａｐｌｅｓ大学物理系在１９９８年报道了一台自准直高空激光雷达，使用一 个高精度的２维电动调整架以改变激光方向，根据雷达大气回波信号的幅度达到最大来决定光轴方向，实现系 统准直［４｛］。国内也有一些激光雷达不同程度地采用了类似的自动准直技术，用两个高精度步进电机来控制 ４５。反射镜方位，分别实现发射激光束沿东西和南北方向扫描睁７１。该方法虽然代替了人工调节，但效率同样不 高，尤其当发射激光束的光轴方向与接收望远镜的光轴方向偏差较大的情况下（雷达运输途中的颠簸等）耗时 长，而且该装置结构比较复杂，对机械加工的精度要求较高。谭琨等人最近研制了一种用于车载激光雷达的自 准直系统，该系统采用了一台２维电动调整导向镜、逐行扫描ＣＣＤ、图像采集卡、角反射镜等设备实现了雷达 自动准直［８］，整个系统成本很高。为了既可以实现雷达系统快速准直，同时又降低成本，本文提出一种成本低 廉的激光雷达收发光路快速准直的光学装置及其方便快捷的调节方法。
（ａ）ｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｃａｎ
【ｂ）ｒａｄｉａｌ ｓｃａｎ
Ｆｉｇ．８
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｓｃａｎｓ
图８圆形和径向扫描示意图
当圆形扫描时
ｒ
０，
Ｓ一＜
１，
Ｒ≥Ｒ。＋Ｒｌ Ｒ＜Ｉ Ｒ。一Ｒｌ
（１３）
Ｌ（Ｒ：９ｌ＋Ｒｆ即一ＲＲ。ｓｉｎ９，）／ＴｃＲ｝，
ｏｔｈｅｒ
（３）在不改变步骤（２）所述的出射光束旋转角口条件下，转动楔板１和２使出射光束方向沿径向细扫，高度
ｒ的信号会呈图９（ｂ）的梯形改变，将楔板１和２的转动角度岛，尼调至使信号居梯形中间位置，此时激光雷达 收发系统光路已经准直。
３讨论
３．１楔角选取
由式（４）得
ｄ０／ｄ（／易一届）＝ａ（ｎ一１）Ｉ ｃｏｓ［（／曼一岛）／２］ｌ
２收发光路准直方法 调节激光雷达收发系统光路准直的示意光路如
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｌｉｄａｒ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ
图３ 激光雷达收发光路快速准直的光学装置图
万方数据
第３期
沈法华等：激光雷达系统快速准直的方法和光学装置
来自百度文库
３３７
ｌ １８０
２
∥／（。）
（ａ）
（ｂ）
Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｗｅｄｇｅ ｐｌａｎｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔ ｂｅａｍ ｓｃａｎｓ ｉｎ ｓｐｉｒｅ
图５ 出射光线方向螺旋式扫描时对应的楔板１和２的旋转角的变化
２７０
Ｆｉｇ．６
（ａ）
（ｂ）
Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔＷＯ ｗｅｄｇｅ ｐｌａｎｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔ ｂｅａｍ ｓｃａｎｓ ｒａｄｉａｌｌｙ
万方数据
３３８
强激光与粒子柬
第２１卷
Ｆｉｇ．７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ａｘｉｓ
图７ 调节激光雷达收发系统光路准直的示意图
是位于ｒ处远场发射激光束截面的光斑半径，Ｒ．＝（Ｄ。＋ｒ０１）／２，Ｄ。为扩束后的光斑直径，一般在２＂－－３ ｃｍ，０ｌ为
２７０
Ｆｉｇ．４
（ａ）
（ｂ）
Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔＷＯ ｗｅｄｇｅ ｐｌａｎｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔ ｂｅａｍ ｓｃａｎｓ ｉｎ ｓｑｕａｒｅ
图４ 出射光线方向沿正方形扫描时对应的楔板ｌ和２的旋转角的变化
Ｏ
２７０
以／（。）
Ｆｉｇ．５
１装置设计光学原理
如图１（ａ）所示，两楔形光学平板１和２在未旋转前，斜面工和口平行，０方位对应旋转角度的初始零位置。
旋转之后，入射光束经过楔形光学平板ｌ和２的光路如图１（ｂ）所示。
假设楔板楔角为口，折射率为行，光线Ａ至楔板１的入射角为０。＝口，楔板１的旋转角为Ｊ９１；楔板２的旋转角
为＆，则光线Ａ至楔板１的折射角如，根据折射定律有ｎｓｉｎＯｚ＝ｓｉｎＯ。。折射光线Ｂ与轴线的夹角０ｓ，由图１（ｂ）
的几何关系可知０３＝口一易。而折射光线Ｂ旋转角等于卢。，则折射光线Ｂ至楔板２的入射角六，通过求解可得
ｃｏｓ０，＝ＣＯＳ０３ＣＯＳａ＋ｓｉｎ０３ ｓｉｎａｃｏｓ（／参一向）
（１）
折射光线Ｂ至楔板２的折射角Ｏｓ，根据折射定律有ｓｉｎＯｓ＝ｎｓｉｎ０４。折射光线Ｃ（即出射光线）与轴线的夹
角０，通过图１（ｃ）的几何关系求解得
２．１扫描方式及步长要求
先采用螺旋式进行粗扫，一旦采集到信号后再改用圆形和径向细描方式，能比较方便、快速地实现对激光
雷达收发光路的准直调节。
如图７所示，在采用螺旋式扫描粗调时，螺旋线的内外螺线的间距需要满足
ｒＡＯ＜２（Ｒ：＋Ｒ１）
（８）
式中：△口为螺距；，．为准直时处理信号所对应的距离，一般选取３０ ｋｍ；Ｒ。＝（Ｄ。＋ｒ０ＦＯＶ）／２是位于ｒ处远场望 远镜接收截面的半径，Ｄ。为望远镜口径，一般在３０ ｃｍ左右，０ｖｏｖ为望远镜接收视场角，一般在ｍｒａｄ量级；ＲＩ
出射光线旋转角口，通过求解得
ｆｌ（ａ，，ｚ，佛，屉）＝角±
ａｒｃｃｏＳ ＣＯＳ（０４－－０５）－－ＣＯＳ０３ｃｏｓＯ］ （３）
楔角Ｏｔ一般设计得非常小，式（２），（３）取一级近似 得到
Ｏ（ａ，以，向，Ｊ８２）≈２ａ（ｎ一１）Ｉ ｓｉｎ［（３２一向）／２］ｌ
（４）
卢（口，咒，岛，位）≈（向＋屉±７ｃ）／２
当径 向扫描时
０，
Ｒ，一ｄ Ｉ≥ＲＩ＋Ｒ。
Ｓ＝
１
Ｒ，一ｄ≥Ｒｌ—Ｒ。ａｎｄ Ｒ，一ｄ≤Ｒ。一ＲＩ
（１４）
＋ Ｒ 即 ，●●Ｊ‘●ｋ
Ｒ仍
－ ，ＲＲ
．虬 ｎ 仇 ／ 兀 Ｒ
ｏｔｈｅｒ
式（１３）中Ｒ＝ＥＲ；＋ｄ２—２Ｒ，ｄｃｏｓ（ｆｌ＋６届）］“２，式（１４）中Ｒ＝ｌ Ｒ，一ｄ ｌ；Ｒ，＝Ｏｒ为ｒ处扫描的口径；ｄ＝ＡＤ
（１５）
●
由式（１５）知：当应一届一定，口越大０调节范围虽然越大，但调节精度越低，反之亦然。
反之，若已知出射光线状态口和卢，可求得两个楔板的旋转角度（规定０＜屉一向＜７ｃ）
届（口，起，０，卢）＝Ｊ９＋ａｒｃｃｏｓ［Ｏ／２（ｎ一１）口］
（６）
屉（口，竹，０，卢）＝卢＋ａｒｃｃｏｓ［－－Ｏ／２（ｎ一１）口］
（７）
如图３所示的光学装置，由计算机程序控制步
进电机转动楔形光学平板ｌ和２，可以得到不同方
一８０ｒ为ｒ处收发光轴的距离，踟为收发光轴初始夹角；８届为旋转角的初始零位置与图９中０，０２的夹角；伽＝
ａｒｃｃｏｓ［（Ｒ：＋Ｒ２一Ｒ｝）／２ＲＲ：］；仇一ａｒｃｃｏｓＥ（Ｒｆ＋Ｒ２一Ｒ；）／２ＲＲｌ］。
圆形和径向扫描时归一化信号如图９所示。很显然，对于圆形扫描，选取梯形的中心位置或抛物线形的峰
值所对应的旋转角度口；对于径向扫描，选取梯形的中心位置所对应的口。
向的出射光。图４、图５和图６分别给出了出射光
线沿正方形扫描、螺旋式扫描和径向扫描时，楔板１
和２的旋转角岛和＆值的相应变化。该装置利用
电机转动两个楔形光学平板来实现出射光束按指定 的规律扫描，相比文献［６］和［７］中采用两个高精度
步进电机来控制４５。反射镜方位实现光束２维扫描
的结构要相对简单，容易实现。
（中国科学院安徽光学精密机械研究所。合肥２３００３１）
摘要：研制了一种能够方便、快速调节激光雷达收发光路准直的光学装置，分析了装置楔角的选取要 求、准直误差及其相应的矫正方法。该装置结构简单，主要由两个楔形光学平板组成。通过电机转动两个楔板
可使出射光束方向在一定范围内任意改变，该调节范围由楔板的楔角和折射率决定。利用折射定律，严格推导 了装置中两个楔形光学平板的旋转角度与出射光束方向之同的关系。提出了将该光学装置插入到激光雷达发
＊收稿日期：２００８—０４—２９Ｉ 修订日期：２００９—０１—１０ 基金项目：中国科学院知识创新工程资助项目（ＣＸ０２０１） 作者简介：沈法华（１９８１一），男。江苏盐城人，博士研究生，主要从事测风激光雷达研究｝ｓｆｈ８１９１４（园ｔｏｍ．ｃｏｔＢ。
万方数据
强激光与 粒子柬
第２１卷
√篙蒜辫意船一·］－Ｉ｝㈣ 口（ａ，ｎ，向，＆）：ａｒｃｃｏｓＩ『＿鳢＋ｓｉｎＯ＿＿！ｓ×
（５）
当屉＞届时，取“＋”；当岛＜届时，取“一”。由式
（４）可知０存在最大值２ａ（咒一１），当平板材料的折射
率靠不变时，出射光束的调整范围只由平板楔角决定， 楔角越大光束调整范围也就越大，反之亦然。由式（５） 可知口与口和以无关，即出射光束沿光轴的旋转角和
Ｆｉｇ·１。ｐ。ｔｈｉｃｒｏｕａｌ ｐｇａｈｔｈ。。ｏ。ｆ。ｌａ。ｓｅｄｒｇ。ｂｅｐａＩ。ｍ。。ｔ。ｒ８ｎ８“ｉ。‘１“８ 图１光线入射到两个楔板的光路示意图
２．３准直步骤
利用上文所述的光学装置进行雷达系统准直调节的步骤如下：
万方数据
第３期
沈法华等：激光雷达系统快速准直的方法和光学装置
３３９
（夕＋夸矽。）／（。）
（ａ）ｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｃａｎ Ｆｉｇ．９
Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｏｒ ｃｉｒｃｕｌａｒ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｓｃａｎｓ
图９ 圆形和径向扫描时归一化信号的变化图
楔形板的性质无关。图２给出了当楔角ａ＝Ｏ．５。，折射率竹＝１．５时，出射光线旋转角卢和其与轴线的夹角０随
楔板１和２的旋转角肺及＆的变化关系。
Ｆｉｇ．２
Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｏｕｔ ｂｅａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ａｎｄ ａｘｉｓ口５ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｗｅｄｇｅ ｐｌａｎｅｓ 图２出射光线旋转角和其与轴线的夹角随楔板１和２的旋转角的变化