激光测距收发共光路的后向散射规避装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种激光测距收发共光路的后向散射规避装置，包括光学组件，激光沿光路自发射端经所述光学组件进入望远镜系统，并经该望远镜系统发射至一待测物体并反射激光回波，或发生后向散射，分别形成第一光轴和第二光轴，所述光学组件均沿该两光轴依次排布，从发射端沿第一光轴依次排布有二分之一波片、第一偏振片、第一电光开关和第二偏振片，沿激光回波或后向散射的光路走向在第二光轴上依次排布有全反镜、第二电光开关和第三偏振片。本发明专利技术采用偏振合束的方法，避免激光回波沿激光发射光路返回至激光器中；同时通过电光开关在时间上对光的偏振态的改变与控制，有效的将后向散射光与激光回波区分。

Backscatter evasion device and method for laser range finding common optical path

The invention discloses a laser rangefinder receiving common optical path of the backscattering avoidance device includes an optical assembly along the optical path from the transmitter laser into the telescope system by the optical components, and by the telescope system to launch an object to be measured and the reflected laser echo, or backscattering, and forming a first optical axis the second optical axis respectively, the optical components are successively arranged along the two axis, from the transmitter along the first optical axis arranged in a wave of two points, the first polarizer and a first optical switch and a second polarizing plate along the laser echo or backward light scattering to the road in second axis is orderly provided with a mirror second, optical switch and third polarizers. The method of polarization combining is adopted to avoid the laser echo returning to the laser along the laser emission path. At the same time, the electro-optical switch is able to distinguish the backscattered light from the laser echo by changing and controlling the polarization state of the light in time.

【技术实现步骤摘要】
激光测距收发共光路的后向散射规避装置及方法
本专利技术属于激光测距领域，更具体地讲，涉及一种用于卫星激光测距系统的收发共光路的后向散射规避装置。
技术介绍
人造卫星广泛的应用在通信、科学勘测与实验、军事防务、气象等领域，全球定位系统GPS以及我国的北斗定位系统已经在人们的社会活动、生活中广泛应用，深远的改变了人们的生活方式，促进人类的发展。同时，人类在探索太空的过程中，越来越多的人造卫星、深空探测器发射至太空。在高辐射、真空、无重力的恶劣太空环境中，这些人类制造的飞行器，往往具有位置的偏移、损伤等风险，由此逐渐失去其功能。卫星激光测距(SLR)由其测距远，测距精度高等优点，使其成为卫星高精度定轨的一种常规手段，受到各个国家的重视。卫星激光测距系统中，由于单光子探测器能够实现对单个光子的响应，灵敏度高，很适合弱光信号的接收，通常将其作为激光回波的接收器，实现远距离卫星反射激光回波的探测。但单光子探测器是由外部触发控制的，即外部在某个时间给其一个触发信号，然后其就工作，当其探测到一个光子的时候，其就停止工作，后续光子将探测不到，而激光在大气传输过程中，受大气后向散射的影响，散射回来的光将经望远镜系统至单光子探测器，容易对卫星反射回来的激光回波造成干扰，导致后续的激光回波入射至探测器上时，探测器已经停止工作了，探测概率大大减弱，增大了卫星反射激光回波的探测难度；同时，当后向散射返回的光子数达到一定值时，容易造成单光子探测器的损坏，这样为了避免单光子探测器的损坏，发射激光的强度以及有效测量卫星的天气时间就受到了限制。吴志波、邓华荣、张海峰、汤凯、张忠萍于2017年《红外与激光工程》46卷第2期第1-6页上发表的《高重复率卫星激光测距中后向散射干扰及规避》，采用距离门控的方法，由激光回波比大气后向散色光从卫星上回来的时间需要更长，这样在激光回波未返回之前，探测器不工作，大气后向散色光入射至探测器上，就不能被探测器探测，而在预期的接收激光回波的时刻附近，探测器工作，保证单光子探测器在卫星反射激光回波时间内接收激光，刚好实现对激光回波的探测。这样在探测器工作与激光发射之间有个时间延时，这种工作模式类似于一个门控开关，即距离门控。然而，如果只采用距离门控法只能实现后向散射规避，无法在发射与接收光路使用同一个望远镜的情况下实现发射与接收光路的切换，没有实现收发共望远镜光路的作用；并且在探测器不工作时，后向散射光依然入射至探测器上，在后向散射光较强的情况下，很容易造成探测器的损坏，特别是对远距离卫星需要更大能量的激光发射，此时过强的后向散射光对探测器损坏尤其大，即探测器得不到有效的保护，从而限制了卫星激光测距系统的距离测量。为充分的利用望远镜系统，减少卫星激光测距系统的体积与成本，激光发射与激光回波需要通过同一个望远镜系统实现共光路传输。JohnJ.Degnan在网站https://www.researchgate.net/publication/317015033_SLR_Workshop_2002_Paper上发表的《SLR2000:PROGRESSANDFUTUREAPPLICATIONS》一文中，记载了美国NASA在其卫星激光自动测距系统SLR2000中采用了法拉第旋转器的方法实现了将发射激光与激光回波共光路，达到了卫星激光测距收发共望远镜光路。法拉第旋转器其结构简单，利用的是某些晶体的磁光效应，即磁光晶体置于一定的磁场中，光通过该晶体时，光的偏振态发生变化，这样可以将在同一望远镜中进行传递的发射激光光路与激光回波光路分开，光偏振态的变化决定光是透过偏振片还是经偏振片反射。但法拉第旋转器磁场一般采用永磁体，对光旋转的改变不能实现在时间上的控制，即同光路的不同时间的后向散射光与激光回波光不能在时间上进行分离，这样后向散射光与激光回波均会入射至探测器上，无法实现对后向散射光的规避。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种激光测距收发共光路的后向散射规避装置，利用望远镜系统在实现收发共光路的同时实现后向散射规避。本专利技术采用技术方案如下：一种激光测距收发共光路的后向散射规避装置，包括光学组件，其特征在于，激光沿光路自发射端经所述光学组件进入望远镜系统，并经该望远镜系统发射至一待测物体，该待测物体反射激光回波，或发生后向散射，分别形成第一光轴和第二光轴，所述光学组件均沿该两光轴依次排布，从发射端沿第一光轴依次排布有二分之一波片、第一偏振片、第一电光开关和第二偏振片，沿激光回波或后向散射的光路走向在第二光轴上依次排布有全反镜、第二电光开关和第三偏振片。由此，本专利技术采用电光开关对光路实现切换控制，以有效地将后向散射光与激光回波分开，避免卫星激光测距中经大气散射的激光返回至单光子探测器，解决了后向散射规避的问题；本专利技术还采用偏振片将激光回波分为两束偏振态不同的光，光电开关的工作和偏振片的使用保证发射激光与激光回波在同一光路对应的偏振态不同，避免激光回波沿激光发射光路返回至激光器中，从而使激光发射与激光回波能够在同一望远镜中进行传递，即共用一台望远镜；另外，三个偏振片和全反镜的组合使用使得卫星激光测距中激光回波中经大气传输引起的退偏光能够与非退偏光一同被测量，保证激光回波中退偏光与非退偏光在第三偏振片完成重合，共同入射至单光子探测器中；此外，二分之一波片的使用实现了各种偏振态(s光或p光)的入射激光的导入，使得激光都能通过该装置发射。优选地，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片及所述全反镜彼此平行设置。优选地，第二偏振片经第一偏振片反射至第三偏振片的光程与第二偏振片经全反镜反射至第三偏振片的光程相等，使得激光回波的第一偏振方向的光和第二偏振方向的光入射到单电子探测器上的时间一致。优选地，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片及所述全反镜与所述二分之一波片的夹角等于偏振片偏光轴的角度。优选地，所述偏振片偏光轴的角度为布儒斯特角。优选地，所述第一电光开关和第二电光开关分别包括中心的电光晶体和外环的环形磁铁，所述电光晶体两端在工作时加载高压脉宽，所述高压脉宽的高压大小为对应激光波长和电光晶体的半波电压。由此，本专利技术通过采用带有电光晶体的电光开关而不是工作效果相同的法拉第旋转器，使得电光开关能够在时间上对光的偏振态的改变与控制，能够有效的将后向散射光与激光回波分开，降低了后向散射光对卫星激光回波的干扰，避免了单光子探测器的损伤。优选地，所述高压采用一个高压与时延控制器控制，所述高压与时延控制器设置为被提供一个高压驱动信号，通过一个高压驱动信号产生所述高压，并通过延时控制，使得所述高压作用的起始时刻等于第一电光开关和第二电光开关工作的起始时刻；所述高压驱动信号包括重复频率与加压时长，所述重复频率等于或高于千赫兹。优选地，所述高压脉宽的作用时间的范围从几个纳秒至几十纳秒，作用时间的精度为纳秒级。纳秒级的高压脉宽，避免了绝大部分的后向散射光入射至单光子探测器上。优选地，所述第一电光开关和第二电光开关的电光晶体两端面均镀有与激光波段一致的增透膜；所述二分之一波片两表面，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片两表面均镀有与激光波段一致的增透膜；所述全反镜为45°全反镜，在入射角为布儒斯特角时具有极高的反射率，且镀有与激光波段一致的增反膜。优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光测距收发共光路的后向散射规避装置，包括光学组件(20)，其特征在于，激光沿光路自发射端经所述光学组件(20)进入望远镜系统，并经该望远镜系统发射至一待测物体，该待测物体反射激光回波，或发生后向散射，分别形成第一光轴(I)和第二光轴(II)，所述光学组件(20)均沿该两光轴依次排布，从发射端沿第一光轴(I)依次排布有二分之一波片(1)、第一偏振片(2)、第一电光开关(3)和第二偏振片(4)，沿激光回波或后向散射的光路走向在第二光轴上依次排布有全反镜(5)、第二电光开关(7)和第三偏振片(8)。

【技术特征摘要】
1.一种激光测距收发共光路的后向散射规避装置，包括光学组件(20)，其特征在于，激光沿光路自发射端经所述光学组件(20)进入望远镜系统，并经该望远镜系统发射至一待测物体，该待测物体反射激光回波，或发生后向散射，分别形成第一光轴(I)和第二光轴(II)，所述光学组件(20)均沿该两光轴依次排布，从发射端沿第一光轴(I)依次排布有二分之一波片(1)、第一偏振片(2)、第一电光开关(3)和第二偏振片(4)，沿激光回波或后向散射的光路走向在第二光轴上依次排布有全反镜(5)、第二电光开关(7)和第三偏振片(8)。2.根据权利要求1所述的激光测距收发共光路的后向散射规避装置，其特征在于，所述第一偏振片(2)、第二偏振片(4)、第三偏振片(8)及所述全反镜(5)彼此平行设置。3.根据权利要求1所述的激光测距收发共光路的后向散射规避装置，其特征在于，第二偏振片(4)经第一偏振片(2)反射至第三偏振片(8)的光程与第二偏振片(4)经全反镜(5)反射至第三偏振片(8)的光程相等。4.根据权利要求1所述的激光测距收发共光路的后向散射规避装置，其特征在于，所述第一偏振片(2)、第二偏振片(4)、第三偏振片(8)及所述全反镜(5)与所述二分之一波片(1)的夹角等于偏振片(2、4、8)偏光轴的角度。5.根据权利要求4所述的激光测距收发共光路的后向散射规避装置，其特征在于，所述偏振片(2、4、8)偏光轴的角度为布儒斯特角。6.根据权利要求1所述的激光测距收发共光路的后向散射规避装置，其特征在于，所述第一电光开关(3)和第二电光开关(7)分别包括中心的电光晶体(31、71)和外环的环形磁铁(32、72)，所述电光晶体(31、71)两端在工作时加载高压脉宽，所述高压脉宽的高压大小为对应激光波长和电光晶体(31、71)的半波电压。7.根据权利要求6所述的激光测距收发共光路的后向散射规避装置，其特征在于，所述第一电光开关(3)和第二电光开关(7)的电光晶体(31、71)两端均与一个高压与时延控制器6电连接。8.根据权利要求6所述的激光测距收发共光路的后向散射规避装置，其特征在于，所述高压脉宽的作用时间的范围从几个纳秒至几十纳秒，作用时间的精度为纳秒级。9.根据权利要求6所述的激光测距收发共光路的后向散射规避装置，其特征在于，所述第一电光开关(3)和第二电光开关(7)的电光晶体(31、71)两端面均镀有与激光波段一致的增透膜；所述二分之一波片(1)两表面，所述第一偏振片(2)、第二偏振片(4)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙明亮，吴志波，张海峰，李朴，邓华荣，孟文东，张忠萍，
申请(专利权)人：中国科学院上海天文台，
类型：发明
国别省市：上海,31