基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达及信号解码方法

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于脉冲编码技术的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达及信号解码方法。

背景技术：

环境污染日益严重，气象要素和污染物的探测变得越来越重要。得益于高时间和空间分辨率，激光雷达在对于风向风速以及污染物传输方面的探测大有裨益。相干探测激光雷达主要用于边界层内大气参数探测，直接探测激光雷达可以覆盖更远距离和更高高度的大气参数探测。法国上普罗旺斯天文台(ohp)首次使用双边缘fpi作为鉴频器实现了长达50公里的风力探测，在阿雷西博天文台开发了一种基于单fpi的瑞利激光雷达用于近60km高度的风测量。后来，扫描电压的fpi被分子碘过滤器取代。在挪威安第斯附近的阿洛玛研究站中，fpi和碘过滤器都被用于高空风测量，最近的实验证明了它能测量80公里以内的风和温度。中国科学技术大学在2014年也实现了60km高空风场探测。而在气溶胶探测上，目前相干探测手段尚没有成熟的解决方案，直接探测占据绝对主导。尤其是1.5μm波长激光雷达由于具有人眼安全、瑞利散射干扰小、天空背景辐射干扰小、大气衰减率小等优势，是各国正在积极发展的领域。美国的mayor通过甲烷腔中的受激拉曼散射效应，研制成功了焦耳级别的大脉冲能量1.5μm激光器，并应用在激光雷达中对大气烟羽和风场进行了探测。也有美国国家大气研究中心采用拉曼频移的方法将yag激光器输出的1064nm激光移至1.5μm进行气溶胶探测。中国科学技术大学对于1.5μm能见度激光雷达、气溶胶激光雷达也进行了许多相关研究。

激光在大气传输过程中，受大气衰减以及各种复杂天气状况影响，激光雷达接收的回波信号具有很低的信噪比和很大的随机性。当信噪比较低时，信号湮没在噪声中，导致测量误差增大，提高激光雷达的信噪比，尤其是远场弱信号的信噪比，对提高数据处理准确性至关重要。

目前采用的提高信噪比的方法有提高激光发射平均功率、增大望远镜口径、使用脉冲累积等。这些都可以在一定程度上提高信噪比，但目前的激光器发射脉冲功率受限，通过增加脉冲时域宽度提高发射平均功率会牺牲距离分辨率；望远镜口径增大会导致成本增加和稳定性降低；而基于飞行时间法的激光雷达采用的脉冲累积方法存在时间分辨率变差及混叠距离问题。

技术实现要素：

基于现有技术的这些问题，本发明的目的是要突破混叠距离的限制，在不牺牲探测空间分辨率的情况下，提高脉冲发射平均功率，以提高系统的信噪比，由此，本发明提供一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达。

为了达成所述目的，本发明的第一方面，是提供一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，其实现解决技术问题的技术方案包括：种子激光器、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器、分束器、准直器、接收望远镜、滤波器、铟镓砷量子探测器、能量监测通道、采集卡、计算机以及波形发生器；其中：所述种子激光器的输出端、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器和分束器各输入端、输出端及准直器的输入端依序连接；所述接收望远镜的输出端、滤波器、铟镓砷量子探测器、采集卡、计算机各输入端、输出端和波形发生器的输入端依序连接；能量检测通道的输入端与分束器的输出端连接，能量检测通道的输出端接入采集卡的输入端连接，波形发生器的输出端分别连接第一电光调制器和第二电光调制器；

通过能量检测通道接收一束脉冲编码光并将脉冲编码波形反馈给采集卡，采集卡将脉冲编码波形反馈给计算机，计算机控制波形发生器，控制第一电光调制器和第二电光调制器将种子激光器的连续光调制成编码的脉冲光并生成脉冲编码，光纤放大器对脉冲编码进行放大，分束器将放大后的脉冲编码光分成两束，其中一束脉冲编码光由准直器进行出射；接收望远镜接收大气回波信号后，使用滤波器滤除大气回波信号的背景噪声，并将去噪大气回波信号接入铟镓砷量子探测器，铟镓砷量子探测器输出未经解码的光子数包络信号，由采集卡进行采集并输入计算机进行解码和数据处理。

为了达成所述目的，本发明的第二方面，是提供一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达信号解码方法，其实现反演的技术方案包括的步骤如下：

步骤s1:使用双通道任意波形发生器生成四组单极性golay码调制第一电光调制器和第二电光调制器，对发射激光进行脉冲编码，得到四组激光雷达信号；

步骤s2:对四组激光雷达信号进行距离门划分，并对时域信号进行光子计数，得到四组激光雷达光子计数信号；

步骤s3:对四组激光雷达光子计数信号按照解码规则进行解码，将单极性码光子数相减和对应的序列取相关，两个序列结果之和相加，得到解码后回波信号中的光子数信号；

步骤s4:将解码后回波信号中的光子数信息，根据弹性散射激光雷达方程，将光子数转化为激光雷达消光系数，反演得到气溶胶和能见度信息。

本发明的有益效果：

本发明一种基于脉冲编码技术的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，针对激光雷达回波信号信噪比低的问题，提出一种采用脉冲编码技术改善系统信噪比从而提高探测准确度的方法。采用激光脉冲串进行空时编码，降低各发射波形之间的时域互相关，减小自相关旁瓣，在保证人眼安全探测的情况下提高了发射总功率，不增加脉冲累积时间，不牺牲探测时间和距离分辨率的情况下，提高激光雷达信噪比。另一方面，相比于传统短波长激光雷达，1.5μm激光在同等平均功率的情况下拥有更多的光子，天空背景噪声更低，在使用铟镓砷量子探测器情况下，也提高了信噪比。本发明通过使用合适的脉冲编码技术提高脉冲重复频率，再依据对应的解码算法处理，突破混叠距离，提高探测距离。本发明激光雷达及方法突破飞行时间法的模糊距离，在缩小了体积的同时提高了雷达系统的稳定性，且提高了对于大粒径气溶胶分布的辨识能力，提高了云层穿透能力，为更好地研究大气科学问题提供探测设备。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于脉冲编码技术1.5μm波长气溶胶探测激光雷达示意图；

图2为本发明的编码前后1.5μm波长气溶胶探测激光雷达的脉冲发射示意图；

图3为本发明中采用的golay脉冲序列相关函数及其和的函数示意图；

图4为本发明中脉冲编码1.5μm波长气溶胶探测激光雷达信号解码流程图；

图5为单脉冲的回波信号和脉冲编码及解码后的的回波信号及其信噪比的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

请参阅图1示出本发明公开的一种基于脉冲编码技术的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，本发明的目的是通过以下技术方案实现的包括：种子激光器1、第一电光调制器2、第二电光调制器3、光纤放大器4、分束器5、准直器6、接收望远镜7、滤波器8、铟镓砷量子探测器9、能量监测通道10、采集卡11、计算机12、波形发生器13；其中：

所述种子激光器1的输出端、第一电光调制器2、第二电光调制器3、光纤放大器4和分束器5各输入端、输出端及准直器6的输入端依序连接；所述接收望远镜7的输出端、滤波器8、铟镓砷量子探测器9、采集卡11、计算机12各输入端、输出端和波形发生器13的输入端依序连接；能量检测通道10的输入端与分束器5的输出端连接，能量检测通道10的输出端接入采集卡11的输入端连接，波形发生器13的输出端分别连接第一电光调制器2和第二电光调制器3。

具体地，所述1.5μm波长种子激光器1的输出端口与第一电光调制器2的输入端连接；第一电光调制器2的输出端与第二电光调制器3的输入端连接；第二电光调制器3的输出端与光纤放大器4的输入端连接，光纤放大器4的输出端与分束器5的输入端连接，分束器5的输出端a和准直器6输入端连接；接收望远镜7接入滤波器8的输入端，滤波器8的输出端与铟镓砷量子探测器9的一端连接，铟镓砷量子探测器9另一端接入采集卡11的端口b，能量检测通道10的输入端与分束器5的输出端b连接，能量检测通道10的输出端接入采集卡11的输入端a连接，采集卡11的输出端接入计算机12，计算机12的输出端连接波形发生器13的输入端，波形发生器13输出端分别连接第一电光调制器2和第二电光调制器3。

具体地，本发明公开的一种基于脉冲编码技术的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，通过能量检测通道10接收一束脉冲编码光并将脉冲编码波形反馈给采集卡11，采集卡11将脉冲编码波形反馈给计算机12，计算机12控制波形发生器13，控制第一电光调制器2和第二电光调制器3将种子激光器的连续光调制成编码的脉冲光并生成脉冲编码，光纤放大器4对脉冲编码进行放大，分束器5将放大后的脉冲编码光分成两束，其中一束脉冲编码光由准直器6进行出射；接收望远镜7接收大气回波信号后，使用滤波器8滤除大气回波信号的背景噪声，并将去噪大气回波信号接入铟镓砷量子探测器9，铟镓砷量子探测9输出未经解码的光子数包络信号，由采集卡11进行采集并输入计算机12进行解码和数据处理。

具体地，所述种子激光器为1.5μm波长种子激光器或光纤激光器，所述光纤放大器4使用掺饵光纤放大器，所述分束器5使用1:99的分束器，所述波形发生器13使用双通道任意波形发生器。

请参阅图2示出本发明公开的编码前后1.5μm波长气溶胶探测激光雷达的脉冲发射示意图，图中横轴为脉冲发射时间，纵轴为脉冲强度，以8位非极性码进行示意，uk、wk、为分别由ak、bk生成的两组单极性码，1表示发射脉冲，0表示不发射脉冲，图2中u、w、上下分别是原始脉冲和编码脉冲发射的对比示意。本发明中脉冲编码采用golay脉冲编码(格雷码)互补脉冲序列，其他编码形式包括但不限于simplex码(s矩阵编码)、ccpons互补码。golay互补脉冲序列是由两种元素组成的低阶互补序列构成高阶的互补序列，该码容易产生，解调方便，形式如下：

其中a和b为-1或1，a和b为两组极性编码，k为编码的序列索引。两组编码的自相关函数之和除中心零阶位置外，处处为零，不存在旁瓣噪声。假设为ak、bk一对长度为n的golay互补序列，则：

其中corr表示相关运算符，δk为狄拉克函数。

golay码为极性编码，需要用到-1和1。然而，由于在光纤中只能传输正的光脉冲，需要通过对双极性码a、b采用偏置的方法，将互补序列中每个序列用两个单极性序列表示，即：

可知：uk、wk、为分别由ak、bk生成的两组单极性码。

请参阅图3示出本发明中采用的golay脉冲序列相关函数及其和的函数，图中横坐标显示为编码长度，纵坐标显示为强度，图中分别展示了两组极性码ak、bk取自相关后的强度以及它们取自相关再做和之后的强度，两组编码的自相关函数之和除中心零阶位置外，处处为零，不存在旁瓣噪声，图中表示取相关。从图中可以看出使用golay码对发射脉冲进行编码，再对编码脉冲的回波信号进行解码，可以突破混叠距离的限制，在不影响时间分辨率和距离分辨率的情况下提高发射平均功率，且不引入旁瓣噪声。

请参阅图4示出本发明中脉冲编码1.5μm波长气溶胶探测激光雷达信号解码流程，其中，分别为对应四组单极性码的回波信号光子数，ak、bk是上述两组极性码，uk(t)、wk(t)、为分别由第一组极性码ak生成对应的第一组激光雷达回波信号、第二组极性码bk生成对应的第二组激光雷达回波信号，xk、yk为取相关计算得到的中间结果：

步骤s1:对得到的4组激光雷达信号uk(t)、wk(t)、进行距离门划分，并对时域信号进行光子计数，得到4组激光雷达光子计数信号

步骤s2:对得到的4组激光雷达光子计数信号按照解码规则进行解码，将第一组光子计数信号与第二光子计数信号相减，再将得到的第一结果光子数a与第一组极性码ak取相关得到第一中间结果xk；将第三组光子计数信号与第四组光子计数信号相减，再将得到的第二结果光子数b与第二组光子数bk取相关得到第二中间结果yk。

步骤s3:将上一步得到的两组结果xk和yk相加，得到的距离r处返回的回波信号光子数n(r)，即：

其中：r是散射面元距离望远镜的距离，分别为对应四组单极性码的回波信号光子数，ak、bk是上述两组极性码，corr表示相关运算符。

步骤s4:将距离r处返回的回波信号中的光子数，根据弹性散射激光雷达方程：

其中n(r)代表距离r处返回的回波信号光子数,e代表出射脉冲的光子数,η0代表整个系统的光学接收效率,ηq是铟镓砷量子探测器的量子效率,h是普朗克常数,ν是激光的频率,a是接收望远镜的有效面积,r是散射面元距离望远镜的距离,o(r)是光斑接收视场的几何重叠因子,c是光速,△t是脉冲宽度,β和σ分别是大气的后向散射系数和消光系数。

当进行水平探测时，假设大气分布较为均匀，后向散射系数不随距离发生太大变化，此时消光系数σ可以利用斜率法进行反演：

从而将光子数转化为激光雷达消光系数，反演得到气溶胶和能见度信息。

请参阅图5示出的单个脉冲的回波信号分布曲线和脉冲编码序列的回波信号。图中分别展示了单脉冲信号和解码信号的强度、信噪比以及编码信号的强度，对比可以发现，编码信号呈一个大范围的包络，信号强度增强，但信号失真无法获取回波信号的真实信息，而解码信号强度大大增强，信噪比也显著提高，且恢复了原脉冲信号的信息。

具体实施例1，用于水平探测气溶胶或污染物,可以有效提高雷达探测距离，提高信噪比，进一步提高污染物溯源的准确度。

具体实施例2，用于垂直探测气溶胶或云层，可以提高雷达探测高度，提高信噪比，提高云层穿透能力。

本发明实施例提供的一种基于脉冲编码技术的1.5μm气溶胶探测激光雷达具有如下有益效果：

1)golay互补序列构成的脉冲串进行脉冲编码，降低各发射波形之间的时域互相关，并利用golay互补序列的互补性质减小自相关旁瓣，降低了波形脉冲压缩后的旁瓣。

2)使用golay编码脉冲作为激光雷达的探测脉冲，解决了光纤激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了激光雷达信噪比，有效提高了探测距离，且可以突破混叠距离的限制，不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。

3)使用1.5μm波长作为气溶胶激光雷达的探测波长，提高了最大可曝光能量，更好地实现了人眼安全探测；该波段还是光通信波段，可以实现全光纤激光雷达系统，在缩小了体积的同时提高了雷达系统的稳定性。

4)对于雷达探测性能，相比与传统的短波长激光，1.5μm激光在同等功率下拥有更多光子，使用铟镓砷量子探测器时，具有更高的信噪比；该波段处于大气窗口，大气透过率高，适宜进行长距离激光雷达探测，且对光学器件面型精度要求较低，且光学器件受温度、振动影响时给系统性能带来的影响较小。

5)对于气溶胶探测，1.5μm激光受大粒径气溶胶粒子散射占比更高，可以更好地分辨大粒径气溶胶分布；对于云层探测，1.5μm激光具有较好的水汽透过率，对细颗粒粒子衍射能力强于短波长激光，具有更好的多层云探测能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。