基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达。本发明不同于传统HSRL系统必须采用单纵模激光器的工作条件，本发明提出的HSRL能在采用多纵模激光器作为发射光源的情况下工作。它巧妙利用干涉光谱鉴频器光谱鉴频曲线具有周期性的特点，只要将其鉴频曲线周期设计得和激光器纵模间隔相匹配，则干涉光谱鉴频器会对所有纵模的频率中心产生同样的抑制效果，从而达到和单纵模工作时一样的光谱分离目的。所提出的多纵模HSRL系统将能显著降低HSRL对单纵模激光器的依赖，既可以减少激光器的成本、体积和重量，又大大提升了整个系统的稳定性，对我国机载和星载HSRL载荷的研制具有非常重要的意义。
【专利说明】
基于干溃光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达
技术领域
[0001] 本发明属于大气气溶胶遥感激光雷达技术领域，特别是设及一种基于干设光谱鉴 频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达。
【背景技术】
[0002] 高光谱分辨率激光雷达化SRL)是大气气溶胶精确遥感的重要工具。通常的HS化向 被遥感大气发射极窄带光谱的高能量激光脉冲，并采用具有高光谱分辨能力的光谱鉴频器 分离大气回波信号中的气溶胶米散射成分和大气分子瑞利散射成分，从而不需要对大气激 光雷达比做假设即可反演出大气气溶胶后向散射系数、消光系数等重要光学参数。目前的 HS化系统均需采用单纵模激光W保证大气回波具有较窄的频谱W实现精细的光谱分离。具 体来说，在532nm波段采用舰吸收池作为高光谱鉴频器。由于舰吸收谱线在53化m附近最宽 处为~GHz,故不允许大气回波谱线具有多个气溶胶散射峰。而在355nm波段采用FP标准具 作为光谱鉴频器时，完全沿用了舰吸收池的使用方式。
[0003] 除了 W上介绍的两种常见光谱鉴频器外，美国NASA提出的视场展宽迈克尔逊干设 仪(FWMI)鉴频器相比于FP标准具鉴频器具有更大的视场角，较小的口径及较低的加工要 求。同时，FWMI还能用于任意服化波段，有望解决近红外HS化光谱鉴频的困难。目前，FWMI已 用于构建53化m波段的HS化实验系统，但其使用的方式仍然和传统的舰分子吸收鉴频器W 及FP标准具相同，即需要使用窄带单纵模激光作为发射光源。
[0004] 然而，要做到理想的单纵模激光输出，目前大都采用代价高昂的种子注入锁定技 术。运样的激光系统不仅体积庞大，而且需要对谐振腔的腔长及脉冲建立时间等参数进行 精确控制，环境适应性较差，运对HS化仪器的机载和舰载是极为不利的。如何降低HS化系统 对激光器的严苛要求是目前摆在激光雷达领域的重要问题之一。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述问题，提出了一种基于干设光谱鉴频器的多纵模HS化。不同于传 统HS化系统必须采用单纵模激光器的工作条件，本发明提出的HS化能在采用多纵模激光器 作为发射光源的情况下工作。它巧妙利用干设光谱鉴频曲线具有周期性的特点，只要将干 设鉴频曲线周期设计得和激光器纵模间隔相匹配，则鉴频器会对所有纵模的频率中屯、产生 同样的抑制效果，从而达到和单纵模工作时一样的光谱分离目的。由于多纵模激光器在系 统稳定性、加工成本W及体积小型化等方面均具有显著的优势，且制造技术非常成熟，因此 本技术方案的提出将会极大降低HS化系统中对激光器的严苛要求，对HS化技术的推广和发 展意义重大。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0007] 基于干设光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达，包括多纵模激光器、第一 折转反射镜、激光扩束镜、望远镜、小孔光阔、准直透镜、第二折转反射镜、前置处理光路、分 光棱镜、第一汇聚透镜、第一光电探测器、干设光谱鉴频器、第二汇聚透镜和第二光电探测 器。
[000引多纵模激光器发出的激光经过第一折转反射镜反射后，由激光扩束镜扩束并射入 大气。大气中的气溶胶粒子和大气分子会向后散射沿途穿过的激光，且散射能量被望远镜 接收。望远镜接收到的能量经过小孔光阔W限制散射光视场角，最后被准直透镜准直。之 后，光能量被第二折转反射镜导入前置处理光路做相关处理(例如滤除太阳背景光、偏振分 光等）。经过前置处理后的光能最终透过分光棱镜进入干设光谱鉴频器。
[0009] 干设光谱鉴频器会将入射光能分成两部分出射。其中从干设光谱鉴频器反射回来 的能量被分光棱镜反射后再被第一汇聚透镜汇聚到第一光电探测器上(称为气溶胶通道）； 从干设光谱鉴频器透射出来的能量则被第二汇聚透镜汇聚到第二光电探测器上(称为分子 通道）。两个光电探测器上的信号包括了大气散射参数的全部信息，经过如下反演方法即可 得到大气后向散射系数、光学厚度等光学属性：
[0010] 首先列m气溶胶通道巧分子通道的激化雷达方程为
[0011]
(1)
[001^ 其中，Bi为常数因子、距离、重叠因子校正的回波信号（i=A表示气溶胶，i=M表示 分子，后同），权为气溶胶或大气分子后向散射系数，T为光学厚度。Ta-A为干设光谱鉴频器气 溶胶通道的气溶胶信号透过率，Tm-A为干设光谱鉴频器气溶胶通道的大气分子信号透过率， Ta-M为干设光谱鉴频器分子通道的气溶胶信号透过率，Tm-M为干设光谱鉴频器分子通道的大 气分子信号透过率。根据能量守恒，显然有
[001引 Ta-A+Ta-M二 Tm-A+Tm-M二 C ( 2 )
[0014] 其中常数C为考虑干设光谱鉴频器光学元件对能量的吸收效应后的总透过率（即C =1-吸收率）。根据式(1)，可W得到大气总后向散射系数0的反演表达式
[0015]
(3)
[0016] 其中Ra = e/em=(ea+em)/0m为气溶胶后向散射比，用于表征大气气溶胶负载状态，K = Ba/Bm为两探测通道信号比。得到了后向散射系数后，由式(1)即容易得到光学厚度表达式 为
[0017]
(4)：
[001引上述多纵模服化得W工作的核屯、是所采用的干设光谱鉴频器的自由光谱范围FSR 同所采用的多纵模激光器的纵模间隔相等且干设光谱鉴频器的谐振频率需要调整得和激 光器各个纵模对齐。运里，干设光谱鉴频器可W选择迈克尔逊类型的干设仪，如FWMI;也可 W选择FP标准具。如选择FWMI，则要求所采用的FWMI自由光谱范围FSR同多纵模激光器的纵 模间隔偏差不大于0 . OlGHz，谐振频率需要调整得和激光器各个纵模偏差不大于0.03G化； 如选择FP标准具，则要求所采用的FP标准具自由光谱范围FSR同多纵模激光器的纵模间隔 偏差不大于0.0 OlG化，谐振频率需要调整得和激光器各个纵模偏差不大于0.005G化。
[0019] 本发明有益效果如下：
[0020] 本发明采用多纵模激光器构建HS化系统，极大减轻了服化技术对激光器的苛刻要 求，对HS化激光器的国产化和低成本化具有重大意义。更重要的是，目前要做到完全的单纵 模输出，激光器大都采用种子注入技术，导致激光系统体积非常庞大，运对HS化仪器的机载 或星载是极为不利的。而如果能采用多纵模激光器作为HS化发射光源，既能实现激光系统 的小型化，同时不需要对谐振腔的精密控制，极大地提高了激光器的稳定性和环境适应性， 对研制HS化载荷具有很大的促进作用。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明装置示意图；
[0022] 图2是FWMI干设光谱鉴频器结构示意图；
[0023] 图3是在多纵模服化系统中，FWMI对多纵模激光回波信号的光谱分离示意图；
[0024] 图4是在多纵模服化系统中，FP标准具对多纵模激光回波信号的光谱分离示意图；
[0025] 图中，多纵模激光器1、第一折转反射镜2、激光扩束镜3、望远镜4、小孔光阔5、准直 透镜6、第二折转反射镜7、前置处理光路8、分光棱镜9、第一汇聚透镜10、第一光电探测器 11、干设光谱鉴频器a、第二汇聚透镜12W及第二光电探测器13。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0027] 如图1所示，基于干设光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达，包括多纵模激 光器1、第一折转反射镜2、激光扩束镜3、望远镜4、小孔光阔5、准直透镜6、第二折转反射镜 7、前置处理光路8、分光棱镜9、第一汇聚透镜10、第一光电探测器11、干设光谱鉴频器a、第 二汇聚透镜12W及第二光电探测器13。
[0028] 多纵模激光器1发出的激光经过第一折转反射镜2反射后，由激光扩束镜3扩束并 射入大气。大气中的气溶胶粒子和大气分子会向后散射沿途穿过的激光，且散射能量被望 远镜4接收。望远镜4接收到的能量经过小孔光阔5W限制散射光视场角，最后被准直透镜6 准直。之后，光能量被第二折转反射镜7导入前置处理光路8做相关处理(例如滤除太阳背景 光、偏振分光等）。经过前置处理光路8处理后的光能最终透过分光棱镜9进入干设光谱鉴频 器a。
[0029] 干设光谱鉴频器a会将入射光能分成两部分出射。其中从干设光谱鉴频器a反射回 来的能量被分光棱镜9反射后再被第一汇聚透镜10汇聚到第一光电探测器11上(称为气溶 胶通道）；从干设光谱鉴频器a透射出来的能量则被第二汇聚透镜12汇聚到第二光电探测器 13上(称为分子通道）。两个光电探测器上的信号包括了大气散射参数的全部信息，经过如 下反演方法即可得到大气后向散射系数、光学厚度等光学属性：
[0030] 首先列出气溶胶通道和分子通道的激光雷达方程为
[0031]
(1)
[0032] 其中，Bi为常数因子、距离、重叠因子校正的回波信号Q=A表示气溶胶，i=M表示 分子，后同），扣为气溶胶或大气分子后向散射系数，T为光学厚度。Ta-A为干设光谱鉴频器a 气溶胶通道的气溶胶信号透过率，Tm-A为干设光谱鉴频器a气溶胶通道的大气分子信号透过 率，Ta-M为干设光谱鉴频器a分子通道的气溶胶信号透过率，Tm-M为干设光谱鉴频器a分子通 道的大气分子信号透过率。根据能量守恒，显然有
[003；3] Ta-A+Ta-M = Tm-A+Tm-M = C (2)
[0034]其中常数C为考虑干设光谱鉴频器a光学元件对能量的吸收效应后的总透过率(即 C=I-吸收率）。根据式(1)，可W得到大气总后向散射系数0的反演表达式
[003引
顿
[0036] 其中Ra = IVPm=(把+0。)/0。为气溶胶后向散射比，用于表征大气气溶胶负载状态，K = Ba/Bm为两探巧幡道信号比。得到了后向散射系数后，由式(1)即容易得到光学厚度表达式 为
[0037]
(4)
[0038] 上述多纵模HS化得W工作的核屯、是所采用的干设光谱鉴频器a的自由光谱范围 FSR同所采用的多纵模激光器1的纵模间隔相等且干设光谱鉴频器a的谐振频率需要调整得 和激光器各个纵模对齐。运里，干设光谱鉴频器a可W选择迈克尔逊类型的干设仪，如FWMI; 也可W选择FP标准具。如选择FWMI，则要求所采用的FWMI自由光谱范围FSR同多纵模激光器 1的纵模间隔偏差不大于0.0 lG化，谐振频率需要调整得和激光器各个纵模偏差不大于 0.03GHz ;如选择FP标准具，则要求所采用的FP标准具自由光谱范围FSR同多纵模激光器1的 纵模间隔偏差不大于0.0 OlG化，谐振频率需要调整得和激光器各个纵模偏差不大于 0.005細Z。
[0039] 所提出的多纵模HS化系统将能显著降低HS化对单纵模激光器的依赖，既节省了激 光器的成本、体积和重量，又大大提升了整个系统的稳定性，对我国机载和舰载HS化载荷的 研制具有非常重要的意义。
[0040] 实施例
[0041] 图1中，多纵模激光器1采用纵模间隔和纵模宽度满足要求的激光器即可。纵模间 隔应根据所要建立的HS化系统的工作波长而定，一般应和对应波段的分子瑞利散射谱的谱 宽在同一量级，例如在常用的激光波段中，l〇64nm波段推荐采用2G化，532nm波段推荐采用 3G化，355nm波段推荐采用4G化。纵模宽度最好小于150MHz。例如可W选择长春新产业公司 化-X-P系列的多纵模光纤激光器。
[0042] 第一折转反射镜2和第二折转反射镜7采用普通抗强激光反射镜即可，例如北京大 恒公司的GCC-IOl043，直径38. Imm;
[0043] 激光扩束镜3采用普通扩束器即可，例如北京大恒公司的GC0-141602型号扩束镜， 6倍扩束；
[0044] 望远镜4可采用反射式、折反式等通用望远镜，例如米德公司生产的250mm卡塞格 林望远镜；
[0045] 小孔光阔5可W采用thorlabs公司的SM1D12C光阔；
[0046] 准直透镜6采用一般的平凸透镜即可，如thorlabs公司LA1509;
[0047] 前置处理系统8中，一般加入一块干设滤光片即可满足要求，如thorlabs公司 化532-1;如果需要探测气溶胶的退偏特性，则还需要在前置处理系统中加入偏振分光元 件，如thorlabs 公司 PBS25-532;
[004引分光棱镜9可采用普通分光棱镜，如肥WPORT公司10FC16PB. 3型号分光棱镜，口径 25.4mm；
[0049] 第一汇聚透镜10和第二汇聚透镜12采用常见的双凸透镜，例如thorlabs公司 LB1027-A；
[0050] 第一光电探测器11和第二光电探测器13为同一型号的光电探测器件，可W选用高 速响应和高灵敏度的光电二极管或光电倍增管，例如日本滨松公司的R6358型号光电倍增 管。
[0051] 干设光谱鉴频器a可W采用FP标准具，也可W采用FWMI。如采用FP标准具干设光谱 鉴频器，可W直接购买商用的标准具产品，如美国化orlabs公司的化b巧-parot干设仪系 列；如果采用FWMI干设光谱鉴频器，则需要自行设计，其具体结构如图2所示。它包含分光棱 镜曰1、玻璃臂曰2、空气臂反射镜曰3 W及压电陶瓷曰4。分光棱镜al是一个普通1英寸50:50非偏 振分光棱镜，如NEWPORT公司10FC16PB. 3型号分光棱镜;玻璃臂a2为1英寸圆柱体，且末端锻 高反膜，其材料和长度需要计算得到;空气臂反射镜a3为普通的高反镜，如北京大恒公司的 GCC-101043,直径38.1臟;压电陶瓷曰4可^选择肥胖?01?1'公司肥〔356型号的压电晶体微位移 器，进行X、Y两方向的倾斜和轴向的平移;空气臂反射镜曰3固定在压电陶瓷曰4上随着压电陶 瓷的运动而倾斜或者平动;空气臂反射镜a3距离分光棱镜al的间距也需要计算得到。
[0052] 计算FWMI光谱鉴频器a的玻璃臂曰2的长度和空气臂反射镜曰3到分光棱镜al距离的 方法如下：
[0053] 首先需要选取FWMI的自由光谱范围FSR，即应保持FSR同所用激光器的纵模间隔相 同（相差小于0.0 lG化）。根据选定的FSR即可求出FWMI的固有光程差FOPD
[0054] F0PD = c/FSR (1)
[0055] 其中，C为光速。之后需要选定FWMI玻璃壁a2所用的材料，一般应选择方便加工且 容易获取的玻璃材料，如烙石英等。选定玻璃材料后，通过如下两式联立方程即可解算出玻 璃壁曰2的长度，W及空气臂反射镜曰3到分光棱镜al的距离。
[0056] 城 [0化7]
[005引其中目t是一个固定角度参数，一般选择一个比较小的角度(不大于1.5度）；山是所 需要求的玻璃壁曰2的长度，m是所选玻璃壁材料的折射率;Cb是所需要求的空气臂反射镜曰3 到分光棱镜al的距离，ri2是空气的折射率。
[0059]作为FWMI设计的一个例子，可W选择玻璃H-ZF52作为玻璃壁曰2的材料，其折射率 ni = 1.8584@532nm;空气的折射率112 = 1.0002@532皿。选取目t= 1.5°，自由光谱范围FSR要求 为3GHz，则可W解出di = 37.876mm，d2 = 20.3821mm。根据计算得到的参数，加工完玻璃材料 之后，按照图2装配即可得到FWMI干设光谱鉴频器。
[0060] 图3示出了FWMI干设光谱鉴频器在多纵模HS化系统中的光谱鉴频特性。图中画出 的激光回波光谱由11个单纵模回波叠加而成。可见，多纵模HS化技术的核屯、就是将FWMI光 谱鉴频器的自由光谱范围FSR设计得和多纵模激光频率间隔相匹配，运样各纵模的回波谱 均被FWMI做相同程度的抑制，从而实现在多纵模使用时的精细光谱分离。
[0061] 同图3类似，图4示出了 FP标准具干设光谱鉴频器在多纵模HS化系统中的光谱鉴频 特性。FP标准具干设光谱鉴频器同FWMI干设光谱鉴频器除了鉴频曲线形状不同外，它们在 多纵模服化中的工作原理和所起到的作用是完全一致的。
【主权项】
1. 基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达，其特征在于包括多纵模激光 器、第一折转反射镜、激光扩束镜、望远镜、小孔光阑、准直透镜、第二折转反射镜、前置处理 光路、分光棱镜、第一汇聚透镜、第一光电探测器、干涉光谱鉴频器、第二汇聚透镜和第二光 电探测器； 多纵模激光器发出的激光经过第一折转反射镜反射后，由激光扩束镜扩束并射入大 气；大气中的气溶胶粒子和大气分子会向后散射沿途穿过的激光，且散射能量被望远镜接 收;望远镜接收到的能量经过小孔光阑以限制散射光视场角，最后被准直透镜准直;之后， 光能量被第二折转反射镜导入前置处理光路做相关处理;经过前置处理后的光能最终透过 分光棱镜进入干涉光谱鉴频器； 干涉光谱鉴频器会将入射光能分成两部分出射;其中从干涉光谱鉴频器反射回来的能 量被分光棱镜反射后再被第一汇聚透镜汇聚到第一光电探测器上，称为气溶胶通道;从干 涉光谱鉴频器透射出来的能量则被第二汇聚透镜汇聚到第二光电探测器上，称为分子通 道;两个光电探测器上的信号包括了大气散射参数的全部信息，经过如下反演方法即可得 到大气后向散射系数、光学厚度等光学属性： 首先列出气溶胶通道和分子通道的激光雷达方程为(1) 其中，B1为常数因子、距离、重叠因子校正的回波信号（i=A表示气溶胶，i=M表示分子， 后同），队为气溶胶或大气分子后向散射系数，τ为光学厚度;Ta-A为干涉光谱鉴频器气溶胶 通道的气溶胶信号透过率，T m-A为干涉光谱鉴频器气溶胶通道的大气分子信号透过率，Ta-M 为干涉光谱鉴频器分子通道的气溶胶信号透过率，Tm-M为干涉光谱鉴频器分子通道的大气 分子信号透过率:根据能暈守恒，显然有(2) 其中常数C为考虑干涉光谱鉴频器光学元件对能量的吸收效应后的总透过率，即C=I-吸收率;根据式(1 )，可以得到大气总后向散射系数邱勺反演表达式(3) 其中Ra = WPm= (&+βω)/βω为气溶胶后向散射比，用于表征大气气溶胶负载状态，K = Βα/Βμ为两探测通道信号比;得到了后向散射系数后，由式(1)即容易得到光学厚度表达式为⑷。2. 如权利要求1所述的基于干涉光谱鉴频器的多纵模HSRL，其特征在于它可以使用多 纵模激光器作为HSRL发射光源，并使用干涉光谱鉴频器作为多纵模回波光谱鉴频器。3. 如权利要求1所述的基于干涉光谱鉴频器的多纵模HSRL，其特征在于干涉光谱鉴频 器采用视场展宽迈克尔逊干涉仪或FP标准具。4. 如权利要求1所述的基于干涉光谱鉴频器的多纵模HSRL，其特征在于所采用的干涉 光谱鉴频器的自由光谱范围FSR同所采用的多纵模激光器的纵模间隔相等且干涉光谱鉴频 器的谐振频率需要调整得和激光器各个纵模对齐。
【文档编号】G01S17/95GK106019312SQ201610631258
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月4日
【发明人】刘 东, 杨甬英, 成中涛, 刘崇, 白剑
【申请人】浙江大学