一種雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光源裝置，包括W級(jí)大功率發(fā)光二極管組、透鏡組和光纖，所述發(fā)光二極管發(fā)出的光束經(jīng)所述透鏡組聚焦，進(jìn)入所述光纖。本發(fā)明專利技術(shù)采用W級(jí)大功率發(fā)光二極管作為發(fā)光源，且組合成陣列，先通過反光杯聚焦，壓縮發(fā)光二極管出射光的發(fā)散角，再經(jīng)透鏡組聚焦，耦合進(jìn)入光纖，光纖的出射光再經(jīng)透鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束，得到均勻的高準(zhǔn)直出射光，并且發(fā)散角可達(dá)到mrad量級(jí)，滿足光學(xué)雷達(dá)對(duì)光源的要求。本發(fā)明專利技術(shù)利用了LED光源具有豐富波長的特點(diǎn)，發(fā)光效率高，能量消耗低，發(fā)散角能達(dá)到mrad量級(jí)，滿足光學(xué)雷達(dá)對(duì)光源的要求。同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，并具有綠色環(huán)保的功效，是小型氣溶膠探測(cè)雷達(dá)理想的探測(cè)光源。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，具體涉及一種雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光源裝置。
技術(shù)介紹
借助雷達(dá)技術(shù)遙感探測(cè)大氣氣溶膠是環(huán)境研究的重要方法之一，它能提供寬泛的光譜信息，幫助我們更好地解釋發(fā)生在大氣中的各種現(xiàn)象，例如污染排放及其遷移傳輸、逆溫層的形成、云的物理和化學(xué)特性等，這些信息對(duì)許多科學(xué)分支的研究工作都起到重要的作用。現(xiàn)有的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)采用脈沖激光器作光源，無論是大功率脈沖激光器還是微焦級(jí)的微功率脈沖激光器，由于脈沖激光器體積較大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，環(huán)境條件要求高，導(dǎo)致系統(tǒng)成本高，維護(hù)困難；同時(shí)脈沖激光器的輸出波長很少，不利于開展氣溶膠特性研究以及大氣痕量氣體探測(cè)，尤其是研究大氣在特定波長上的輻射效應(yīng)是很困難的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種體積小且波長豐富的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光源裝置，以解決現(xiàn)有雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)采用脈沖激光器作為光源存在的弊端。本專利技術(shù)的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光源裝置，包括W級(jí)大功率發(fā)光二極管組、透鏡組和光纖，所述發(fā)光二極管發(fā)出的光束經(jīng)所述透鏡組聚焦，進(jìn)入所述光纖。所述發(fā)光二極管不少于九個(gè)且組成陣列，所述透鏡組前每個(gè)發(fā)光二極管都設(shè)有一個(gè)反光杯。所述光纖的出射光經(jīng)單透鏡IV準(zhǔn)直擴(kuò)束。所述反光杯為拋物曲面反光杯，其母線為拋物線。所述透鏡組包括三個(gè)單透鏡和一個(gè)雙膠合透鏡，其中兩個(gè)單透鏡設(shè)置在所述雙膠合透鏡前，其余一個(gè)單透鏡設(shè)置在所述雙膠合透鏡后。本專利技術(shù)具有如下有益效果，本專利技術(shù)采用W級(jí)大功率發(fā)光二極管LED作為發(fā)光源，且組合成陣列，先通過反光杯聚焦，壓縮發(fā)光二極管出射光的發(fā)散角，再經(jīng)透鏡組聚焦，耦合進(jìn)入光纖，光纖的出射光再經(jīng)透鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束，得到均勻的高準(zhǔn)直出射光，并且發(fā)散角可達(dá)到mrad量級(jí)，滿足光學(xué)雷達(dá)對(duì)光源的要求。本專利技術(shù)利用了 LED光源具有豐富波長的特點(diǎn)，發(fā)光效率高，能量消耗低，發(fā)散角能達(dá)到mrad量級(jí)，滿足光學(xué)雷達(dá)對(duì)光源的要求。同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，并具有綠色環(huán)保的功效，是小型氣溶膠探測(cè)雷達(dá)理想的探測(cè)光源。附圖說明圖I為本專利技術(shù)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例發(fā)光二極管組合陣列示意圖；圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例反光杯設(shè)計(jì)圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例光源光路示意圖；圖5為本專利技術(shù)實(shí)施例透鏡組結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本專利技術(shù)光纖勻光原理圖；圖7為本專利技術(shù)實(shí)施例單透鏡III 4的像平面接收到的光能量分布圖；圖8為本專利技術(shù)理想光線追跡下光纖耦合效率圖；圖9為本專利技術(shù)光的偏振和散射現(xiàn)象下光纖耦合效率圖；圖10為本專利技術(shù)單透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；圖11為檢驗(yàn)本專利技術(shù)發(fā)散角壓縮效果的測(cè)量原理； 圖12為本專利技術(shù)系統(tǒng)測(cè)試像平面位置與該位置上的光斑直徑關(guān)系的曲線；圖中，I.單透鏡I，2.單透鏡II，3.雙膠合透鏡，4.單透鏡III，5.光纖，6.單透鏡IV，7.發(fā)光二極管及其反光杯。具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)作詳細(xì)說明。實(shí)施例，一種雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光源裝置，包括W級(jí)大功率的發(fā)光二極管、透鏡組和光纖5。透鏡組由單透鏡I I、單透鏡II 2、雙膠合透鏡3和單透鏡III 4組成，透鏡組前設(shè)有發(fā)光二極管LED及其反光杯7，發(fā)光二極管為9個(gè)且組成陣列，每個(gè)LED發(fā)出的光束需要先經(jīng)獨(dú)立的反光杯聚焦，再經(jīng)透鏡組聚焦，耦合進(jìn)入光纖5，光纖5的出射光經(jīng)透鏡6準(zhǔn)直擴(kuò)束。參見圖1，多個(gè)發(fā)光二極管LED組成的光源頭發(fā)出的光束，經(jīng)耦合透鏡組耦合進(jìn)入光纖5，光纖5的出射光再經(jīng)透鏡6準(zhǔn)直擴(kuò)束后，得到均勻的mrad級(jí)高準(zhǔn)直出射光。注意在準(zhǔn)直擴(kuò)束前需經(jīng)過光纖。參見圖2，為了提高光源的能量，解決單個(gè)LED能量不足問題，光源頭設(shè)計(jì)成多個(gè)LED組合陣列的形式，以9個(gè)LED組合為例。由于陣列的排列方式會(huì)影響出射光的均勻性，設(shè)計(jì)時(shí)用Lighttools光學(xué)軟件對(duì)光源頭的陣列形式進(jìn)行仿真，光源頭的反光方式為單個(gè)反光，需要設(shè)置9個(gè)反光杯對(duì)光源頭反光。參見圖3，由于LED發(fā)散角太大，能量分布也很分散，每個(gè)LED需要用反光杯進(jìn)行前期聚焦，使每個(gè)LED發(fā)出的光經(jīng)反光杯聚焦后以接近平行光出射。反光杯需采用拋物曲面(即母線為拋物線，將拋物線繞其光軸旋轉(zhuǎn)180°就構(gòu)成了旋轉(zhuǎn)拋物曲面)反射鏡制作，依據(jù)拋物曲面的性質(zhì)，在拋物曲面焦點(diǎn)上發(fā)出的光經(jīng)拋物曲面反射后是平行出射的。采用拋物曲面反光杯來減小LED的發(fā)散角。該旋轉(zhuǎn)拋物面的母線方程為y2 = 4f · X (I)式中f為拋物面的焦距。由于所用LED光源直徑為6mm，因此需要反光杯的小端口徑為6mm，光源要放在焦點(diǎn)f上，點(diǎn)(f，3)應(yīng)是焦面上的一點(diǎn)，帶入到上述拋物線方程(I)中，可求得拋物線焦距f=l. 5_，則拋物線方程為j2 = 6x (2)拋物線繞中心軸線旋轉(zhuǎn)就可以得到反光杯拋物曲面的方程。參見圖4，為了獲得高準(zhǔn)直光源，本專利技術(shù)采用耦合透鏡組與光纖5及透鏡6相結(jié)合的方法對(duì)光源進(jìn)行準(zhǔn)直，光纖為多模光纖。耦合透鏡組主要用來聚焦，使光束能夠高效率的耦合到光纖5中，多模光纖5用來限制發(fā)散角，同時(shí)還起到使出射光能量均勻的作用，透鏡6用于準(zhǔn)直擴(kuò)束。LED光源與光纖的耦合采用透鏡組耦合的方法，透鏡耦合是將光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡組聚焦，使其聚焦到光纖的纖芯上，讓大部分光都進(jìn)入光纖中。用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)耦合透鏡組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真，聚焦透鏡組結(jié)構(gòu)如圖5所示，由三個(gè)單透鏡和一個(gè)雙膠合透鏡組成單透鏡I I、單透鏡II 2將大面積的近平行光匯聚并縮短光路結(jié)構(gòu)；雙膠合透鏡3為消色差負(fù)透鏡，可將匯聚光束轉(zhuǎn)變?yōu)樾∶娣e的平行光，單透鏡III4將該平行光聚焦進(jìn)入光纖5前端面。本專利技術(shù)采用光纖來實(shí)現(xiàn)光均勻性。光纖勻光分為兩個(gè)部分，一是波前分割，即將光波分成多個(gè)波前；二是波前重組，即將分割的波前進(jìn)行重組，產(chǎn)生均勻光波。光纖勻光原理如圖6所示，從入射面上點(diǎn)B發(fā)出的光線，經(jīng)光纖反射后，反射光線CD相當(dāng)于從虛光點(diǎn)BI發(fā)出的光線。這樣入射面上每個(gè)光點(diǎn)(如B)經(jīng)過一次反射就對(duì)應(yīng)一個(gè)虛光點(diǎn)(如BI)，隨著光線反射次數(shù)的增多，虛光源的個(gè)數(shù)也不斷增加，光束相當(dāng)于由多個(gè)虛光源發(fā)出的光線，將 光波分成多列波，即實(shí)現(xiàn)光波波前分割。這些光波經(jīng)過光纖內(nèi)通過不同的反射路徑，在光纖的輸出端面相遇，光波發(fā)生疊加，光纖輸出面上的每個(gè)點(diǎn)都是光源不同角度光的疊加，得到較均勻的光波，即完成波前重組。最終達(dá)到均勻光斑的目的。根據(jù)以上所述原理和方法，用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)系統(tǒng)光路進(jìn)行模擬仿真，選擇LED波長為530nm，將光源設(shè)置為朗伯光源，并給每個(gè)LED加入反光杯，確定好光源頭后，光源出射光的大部分為平行光。再選用由三個(gè)單透鏡和一個(gè)雙耦合透鏡組成的耦合透鏡組將平行光聚焦為一個(gè)小光斑。設(shè)計(jì)耦合透鏡組系統(tǒng)參數(shù)為波長530nm，入瞳直徑80mm，視場(chǎng)O. 10°。單透鏡I I :焦距500mm,厚度6. I謹(jǐn),通光口徑8Ctam ;單透鏡II 2 :焦距500mm,厚度6. I謹(jǐn),通光口徑8Ctam ;雙膠合透鏡3 :焦距-100mm,厚度4. 6mm,通光口徑25. 4mm ；單透鏡III 4 :焦距120mm,厚度5謹(jǐn),通光口徑3Ctam ;單透鏡III 4的像平面(即光纖前端面)接收到的光能量分布如圖7所示，由所述光路耦合聚焦的光斑面積小且能量高，利于光纖傳播。在用Zemax軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真過程中，將光纖耦合效率、光纖前端面接收到的光斑半徑(即像高)作為主要的評(píng)價(jià)函數(shù)，經(jīng)過多次優(yōu)化之后得到的耦合系統(tǒng)參數(shù)如下本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種小型雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光源裝置，其特征在于：包括W級(jí)大功率發(fā)光二極管組、透鏡組和光纖（5），所述發(fā)光二極管發(fā)出的光束經(jīng)所述透鏡組聚焦，進(jìn)入所述光纖（5）。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉君，晏克俊，華燈鑫，王國海，王方，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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