一种多通道原子滤光昼夜自动切换装置
技术领域
本发明属于激光雷达多通道信号检测领域，具体涉及一种多通道原子滤光昼 夜自动切换装置。
背景技术
风温探测激光雷达可同时获取大气风场、温度、密度等参数，已成为大气探 测重要探测设备之一。由于风场探测是基于多普勒频移的原理，速度场的测量只 能获得视向方向的速度标量，要想获得大气矢量风场，通常采用三台望远镜分别 对准竖直天顶方向、北向(或南向)偏离天顶20～30°、东向(或西向)偏离天顶 20～30°，然后三方向同时测量并合成矢量风场(OPTICS EXPRESS,2017,25(5): 5264-5278)，因此，风温激光雷达信号检测系统通常采用多通道同时检测。风温 激光雷达工作波长通常在可见光波段，而可见光波段受太阳光影响特别明显，其 信号变化范围可达4～5个数量级，这对利用大气瑞利散射或者共振荧光探测的微 弱回波信号极为不利，因此在白天，必须采用超窄带宽、高带外抑制能力的滤光 器件，如原子滤光器、双折射滤光器等，这样才能有效抑制白天天空背景光噪声(Applied Optics,2020,59(6):1529-1536；中国科学(G),2007,37(2):196～201；Planetary and Space Science,1982,30(2):169-177；2002/Vol.10,No.26/OPTICSEXPRESS 1534-1541)；而到了晚上，由于背景光信号较弱，通常窄带干涉滤光 片就能有效抑制夜间星空背景光噪声，因此在夜间移除超窄带滤光器件以提高夜 间回波信号的信号强度。因此，激光雷达夜间和白天两种工作模式通常需要人工 移除或者插入，这种人工切换方式需要人为值守，操作人员根据天空亮度手动切 换，如果到了白天而忘记切换的话，很有可能损坏高灵敏光电探测器。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种多通道原子滤光昼 夜自动切换装置，本发明具有多路回波信号的同时检测能力，根据放置在望远镜 旁的环境光电探测器，实现对望远镜观测光强的自动监测，并根据设定的光照度 阈值，实现自动切换。如环境光照度值超过光照度阈值，原子滤光器插入准直镜 与聚焦镜之间的光路，实现白天工作模式；如果环境光照度值低于光照度阈值， 则原子滤光器移出准直镜与聚焦镜之间的光路，实现夜间工作模式。当然，切换 模式也具有手动模式，在手动模式下，能人为手动控制白天/夜间工作模式。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种多通道原子滤光昼夜自动切换装置，包括望远镜，还包括与望远镜对应 的光纤、准直镜、原子滤光器、聚焦镜和光电探测器，原子滤光器设置在滑动平 台上，
电机驱动滑动平台移动至行程首端时，原子滤光器插入到准直镜与聚焦镜之 间的光路：望远镜将接收的光信号输入到光纤一端，光纤另一端将光信号输出并 通过斩波盘上的通光孔进入准直镜准直，准直后的光经原子滤光器、聚焦镜后聚 焦到光电探测器上；
电机驱动滑动平台移动至行程尾端时，原子滤光器移出准直镜与聚焦镜之间 的光路：望远镜将接收的光信号输入到光纤一端，光纤另一端将光信号输出并通 过斩波盘上的通光孔进入准直镜准直，准直后的光经聚焦镜后聚焦到光电探测器 上。
一种多通道原子滤光昼夜自动切换装置，还包括环境光电探测器、计算机、 切换控制器、第一限位开关和第二限位开关，
环境光电探测器，用于将环境光信号转换为电信号输入计算机，
计算机，用于根据环境光信号并通过切换控制器控制电机的旋转方向，进而 驱动滑动平台移动至行程首端或者驱动滑动平台移动至行程尾端，
滑动平台移动至行程首端时，第一限位开关闭合，第二限位开关不闭合，滑 动平台移动至行程尾端时，第一限位开关不闭合，第二限位开关闭合，第一限位 开关和第二限位开关将是否闭合的状态信号通过切换控制器发送给计算机。
一种多通道原子滤光昼夜自动切换方法，包括以下步骤：
步骤一、打开计算机，通过切换控制器、电机带动滑动平台移动至行程首端，
步骤二、利用计算机实时读取环境光电探测器反馈的环境光照度值，切换控 制器获得的第一限位开关、第二限位开关的状态信号并反馈到计算机，
步骤三、计算机选择切换模式：选择自动切换模式时，跳转到步骤四；选择 手动切换模式时，则人工操作计算机通过切换控制器、电机控制滑动平台移动至 行程首端或者行程尾端，并跳转到步骤五，
步骤四、如果环境光照度值小于等于设定光照度阈值，则：
计算机通过切换控制器、电机控制滑动平台移动至行程尾端，原子滤光器移 出准直镜与聚焦镜之间的光路，并跳转到步骤五，
如果环境光照度值大于设定光照度阈值，则：
计算机通过切换控制器、电机控制滑动平台移动至行程首端，原子滤光器插 入到准直镜与聚焦镜之间的光路，并跳转到步骤五，
步骤五、如果第一限位开关信号为闭合，第二限位开关为开路，且环境光电 探测器的环境光照度值大于设定光照度阈值；或者第一限位开关信号为开路，第 二限位开关信号为闭合，且环境光电探测器的环境光照度值小于等于设定光照度 阈值，则跳转到步骤二；
否则，计算机发送故障信息给工作人员进行预警，并跳转到步骤二。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
本发明提供了一种多通道原子滤光昼夜自动切换装置，可以同时控制多路原 子滤光器等高性能滤光系统的插入和移出，用于多通道信号同时检测。本发明利 用环境光电探测器对激光雷达接收望远镜周围光照环境进行实时监测，结合光照 度阈值，实现了对激光雷达白天夜间两种工作模式的分辨，本发明减小了人为因 素导致的激光雷达工作时间的不确定性，并且由于该系统能够自动切换工作模 式，使得高灵敏的光电探测器能够得到有效地保护。
附图说明
图1为多通道原子滤光昼夜自动切换装置的结构示意图。
图2为斩波盘与第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤的设计图；
其中，1-第一望远镜、2-第二望远镜、3-第三望远镜、4-第四望远镜、5-第 一光纤、6-第二光纤、7-第三光纤、8-第四光纤、9-第一准直镜、10-第二准直镜、 11-第三准直镜、12-第四准直镜、13-第一限位开关、14-第二限位开关、15-电机、 16-第一原子滤光器、17-第二原子滤光器、18-第三原子滤光器、19-第四原子滤 光器、20-第一聚焦镜、21-第二聚焦镜、22-第三聚焦镜、23-第四聚焦镜、24-第 一光电探测器、25-第二光电探测器、26-第三光电探测器、27-第四光电探测器、 28-切换控制器、29-计算机、30-环境光电探测器、31-斩波盘、32-滑动平台、33- 通光孔。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明 作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发 明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种多通道原子滤光昼夜自动切换装置，包括：第一望远镜 1、第二望远镜2、第三望远镜3、第四望远镜4、第一光纤5、第二光纤6、第 三光纤7、第四光纤8、第一准直镜9、第二准直镜10、第三准直镜11、第四准 直镜12、第一限位开关13、第二限位开关14、电机15、第一原子滤光器16、 第二原子滤光器17、第三原子滤光器18、第四原子滤光器19、第一聚焦镜20、 第二聚焦镜21、第三聚焦镜22、第四聚焦镜23、第一光电探测器24、第二光电 探测器25、第三光电探测器26、第四光电探测器27、切换控制器28、计算机 29、环境光电探测器30、斩波盘31、滑动平台32。
其中，由环境光电探测器30、计算机29、切换控制器28、第一限位开关13、 第二限位开关14、电机15、滑动平台32组成的切换系统为本发明的核心部件。 计算机29与环境光电探测器30、切换控制器28连接，环境光电探测器30将环 境光信号转换为电信号输入计算机29中，计算机29驱动切换控制器28控制电 机15。电机15与滑动平台32上的螺杆连接，螺杆贯穿滑动平台32并与滑动平 台32构成滚珠丝杆结构，电机15驱动螺杆旋转时，滑动平台32沿螺杆移动。 第一原子滤光器16、第二原子滤光器17、第三原子滤光器18、第四原子滤光器 19设置在滑动平台32上，第一限位开关13、第二限位开关14分别安装于滑动 平台32的行程首端和行程尾端，第一限位开关13和第二限位开关14用于控制 电机15开合。
当计算机29通过切换控制器28控制电机15旋转，带动滑动平台32移动至 行程首端时，第一限位开关13闭合，第二限位开关14不闭合，原子滤光器位于 对应的准直镜和聚焦镜之间的光路，即：
第一望远镜1负责接收激光雷达出射激光与大气相互作用后产生的第一光 信号，第一光信号进入第一光纤5后经斩波盘31上的通光孔进入第一准直镜9 准直，准直后的光经第一原子滤光器16、第一聚焦镜20后聚焦到第一光电探测 器24上；
第二望远镜2负责接收激光雷达出射激光与大气相互作用后产生的第二光 信号，第二光信号进入第二光纤6后经斩波盘31上的通光孔进入第二准直镜10 准直，准直后的光经第二原子滤光器17、第二聚焦镜21后聚焦到第二光电探测 器25上；
第三望远镜3负责接收激光雷达出射激光与大气相互作用后产生的第三光 信号，第三光信号进入第三光纤7后经斩波盘31上的通光孔进入第三准直镜11 准直，准直后的光经第三原子滤光器18、第三聚焦镜22后聚焦到第三光电探测 器26上；
第四望远镜4负责接收激光雷达出射激光与大气相互作用后产生的第四光 信号，第四光信号进入第四光纤8后经斩波盘31上的通光孔进入第三准直镜11 准直，准直后的光经第四原子滤光器19、第四聚焦镜23后聚焦到第四光电探测 器27上。
当计算机29通过切换控制器28控制电机15旋转，带动滑动平台32移动至 行程尾端时，第一限位开关13不闭合，第二限位开关14闭合，准直镜和对应聚 焦镜之间的光路上移除原子滤光器，即：
第一望远镜1负责接收激光雷达出射激光与大气相互作用后产生的第一光 信号，第一光信号进入第一光纤5后经斩波盘31上的通光孔进入第一准直镜9 准直，准直后的光由第一聚焦镜20聚焦到第一光电探测器24上；
第二望远镜2负责接收激光雷达出射激光与大气相互作用后产生的第二光 信号，第二光信号进入第二光纤6后经斩波盘31上的通光孔进入第二准直镜10 准直，准直后的光由第二聚焦镜21聚焦到第二光电探测器25上；
第三望远镜3负责接收激光雷达出射激光与大气相互作用后产生的第三光 信号，第三光信号进入第三光纤7后经斩波盘31上的通光孔进入第三准直镜11 准直，准直后的光由第三聚焦镜22聚焦到第三光电探测器26上；
第四望远镜4负责接收激光雷达出射激光与大气相互作用后产生的第四光 信号，第四光信号进入第四光纤8后经斩波盘31上的通光孔进入第四准直镜12 准直，准直后的光由第四聚焦镜23聚焦到第四光电探测器27上。
为了同时控制第一原子滤光器16、第二原子滤光器17、第三原子滤光器18、 第四原子滤光器19的插入和移出，斩波盘31与第一光纤5、第二光纤6、第三 光纤7、第四光纤8的设计如图2所示。斩波盘31上设置有多个通光孔，各个 通光孔以斩波盘31的中心轴中心对称，本实施例中，通光孔为4个以斩波盘31 的中心为圆心的扇形孔，第一光纤5、第二光纤6、第三光纤7、第四光纤8的 出射端以斩波盘31的中心轴中心对称设置，第一光纤5、第二光纤6、第三光纤 7、第四光纤8与斩波盘314的四个通光孔一一对应。第一光纤5、第二光纤6、 第三光纤7、第四光纤8的出射端靠近斩波盘314上扇形通光孔的弧放置，出射 端与斩波盘4中扇形通光孔的弧相切
一种多通道原子滤光昼夜自动切换方法，包括以下步骤：
步骤一、打开计算机29，控制切换控制器28驱动电机15正转，带动滑动 平台32移动至行程首端，即滑动平台32向靠近第一限位开关13方向滑动直到 第一限位开关13闭合，第二限位开关14不闭合，第一原子滤光器16、第二原 子滤光器17、第三原子滤光器18、第四原子滤光器19到达起始位置，此时完成 初始化。
步骤二、利用计算机29实时读取环境光电探测器30反馈的环境光照度值， 切换控制器28获得的第一限位开关13、第二限位开关14的状态信号(闭合， 不闭合)并反馈到计算机29。
步骤三、计算机29选择切换模式：默认选择自动切换模式，并跳转到步骤 四。如果选择手动切换模式，则人工操作计算机29通过切换控制器28、电机15 控制滑动平台32移动至行程首端或者行程尾端，实现白天工作模式和夜晚工作 模式的切换，并跳转到步骤五。
步骤四、判断工作模式：如果环境光照度值小于等于设定光照度阈值Q(如 Q为5lx)，则认为此时为晚上，则进入夜晚工作模式，即：
计算机29控制切换控制器28驱动电机15反转，带动滑动平台32移动到行 程尾端，滑动平台32向靠近第二限位开关14方向滑动直到第二限位开关14闭 合(第一限位开关13不闭合)，此时第一原子滤光器16移出第一准直镜9与第 一聚焦镜20之间的光路；第二原子滤光器17移出第二准直镜10与第二聚焦镜 21之间的光路；第三原子滤光器18移出第三准直镜11与第三聚焦镜22之间的 光路；第四原子滤光器19移出第四准直镜12与第四聚焦镜23之间的光路，第 一准直镜9与第一聚焦镜20之间的光路、第二准直镜10与第二聚焦镜21之间 的光路、第三准直镜11与第三聚焦镜22之间的光路、以及第四准直镜12与第 四聚焦镜23之间的光路没有原子滤光器，并跳转到步骤五。
如果环境光照度值大于设定光照度阈值Q(如Q为5lx)，则认为此时为白 天，则进入白天工作模式，即：
控制切换控制器28驱动电机15正转，带动滑动平台32移动到行程首端， 滑动平台32向靠近第一限位开关13方向滑动直到第一限位开关13闭合(第二 限位开关14不闭合)，此时第一原子滤光器16移入第一准直镜9与第一聚焦镜20之间的光路；第二原子滤光器17移入第二准直镜10与第二聚焦镜21之间的 光路；第三原子滤光器18移入第三准直镜11与第三聚焦镜22之间的光路，第 四原子滤光器19移入第四准直镜12与第四聚焦镜23之间的光路，并跳转到步 骤五。
步骤五、判断第一原子滤光器16、第二原子滤光器17、第三原子滤光器18、 第四原子滤光器19是否成功插入光路中：如果第一限位开关13信号为闭合，第 二限位开关14为开路，且环境光电探测器30的环境光照度值大于设定光照度阈 值Q(如Q为5lx)，则第一原子滤光器16、第二原子滤光器17、第三原子滤光 器18、第四原子滤光器19成功插入光路，并跳转到步骤二。如果第一限位开关 13信号为开路，第二限位开关14信号为闭合，且环境光电探测器30的环境光 照度值小于等于设定光照度阈值Q(如Q为5lx)，则第一原子滤光器16、第二 原子滤光器17、第三原子滤光器18、第四原子滤光器19成功移出光路，并跳转 到步骤二。如果不是上述情况，则计算机29发送故障信息给工作人员及时预警， 并跳转到步骤二。
通过上述方法，能够自动完成激光雷达白天夜间工作模式地切换。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技 术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用 类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的 范围。
