基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达的制作方法

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达。

背景技术：

空气污染已成为我国21世纪面临的重大难题之一。其中，气溶胶污染是大气边界层内空气污染的主要组成部分。汽车尾气及工业排放等产生的酸性球形颗粒物和以地面扬尘为主的非球形颗粒物已经成为城市底层气溶胶的主要来源，对人类健康和生存环境造成了极大的危害，其所包含的可吸入颗粒物PM2.5更是直接威胁着人类的生命安全。

目前国内开展的地基气溶胶遥感方法主要有：太阳直接辐射的宽带分光辐射遥感、多波段光度计遥感、根据天空散射亮度分布遥感、全波段太阳直接辐射遥感、华盖计遥感以及激光雷达遥感等。

宽带分光辐射遥感利用波长范围分别为0.53～2.80μm，0.63～2.80μm，0.7～2.80μm的OG1，RG2，RG8三种滤光片测量太阳的直接辐射，然后把三种滤光片测得的太阳直接辐射相减，可以获得到达地面的0.53～0.63μm，0.63～0.73μm波长范围内的太阳直接辐射，根据这两个波段的大气上界太阳辐射常数，可以解得大气气溶胶浓度和粒子半径的信息。多波段光度计是利用可见到近红外波段范围内一系列窄波段滤光片测量大气对太阳直接辐射的消光，从而反演大气气溶胶光学厚度和粒子谱。这是目前在气溶胶遥感方法中比较准确，也是应用较多的一种方法。太阳光由大气分子和气溶胶散射形成天空亮度的分布，通过分析太阳位置和天空的亮度特征，可以得到气溶胶的信息。利用国内日射站的数据可以分析全波段太阳直射辐射对气溶胶光学厚度及粒子谱敏感性，从而确定700nm波长气溶胶光学厚度。华盖计是利用太阳附近的天空亮度(华盖区)反演气溶胶特性的一种方法。通过测量其统计的直接消光和华盖区天空亮度，可以反演较大半径粒子的气溶胶光学厚度、粒子谱等信息。

以上手段都是以太阳为光源的被动遥感，并且局限于研究整层气溶胶的特性，而激光雷达是一种主动的遥感手段，利用激光雷达可以得到气溶胶的垂直分布信息。其中，偏振激光雷达以其分辨率高、实时性好、探测范围广的优点，在大气环境监测领域中的地位越来越重要。偏振激光雷达不仅能够获得气溶胶的分布情况，而且可依据气溶胶后向散射光偏振状态获得气溶胶的球形特性，进而辨别气溶胶的种类。汽车尾气和工业废气中的颗粒物呈现出较强的球形特性，退偏比较低，而地面扬尘属于非球形颗粒物，退偏比较高。显然，偏振激光雷达能够根据退偏比辨别气溶胶的种类和来源，为城市气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供有力的支持。

目前，偏振激光雷达主要用于云和气溶胶的探测研究。1971年美国纽约大学的Schotland首先提出了用偏振激光雷达测量云层中各粒子的退偏比，在实验室模拟实验中发现云层中水滴的退偏比小于0.03，冰晶退偏比为0.38，而空气中的混合晶体退偏比可高达0.8。1977年和1978年加拿大约克大学的Pal和Carswell发表了降水过程中云底与云层内各部位退偏比双波长同时探测的结果。1981年日本名古屋大学的Iwasaka和Hayashida利用偏振激光雷达对美国圣海伦斯火山爆发前后的平流层气溶胶进行了探测研究。1992年美国犹他大学的Sassen利用偏振激光雷达测量了不同形态的云层的退偏振特征。

在国内有中科院安光所、青岛海洋大学和西安理工大学等单位进行了偏振激光雷达实验。2003年中国科学院安徽光机所刘东、戚福弟等研制了一台偏振激光雷达，用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光偏振比的探测研究。测量了合肥西郊的卷云退偏比在0.4～0.5之间，沙尘退偏比在0.2～0.3之间，剧烈沙尘暴的退偏比在0.4左右。2012年刘东课题组还进行了机载双波长偏振激光雷达实验，利用532nm和1064nm激光测得4km以下大气回波信号。2008年中国海洋大学刘智深课题组设计了一台偏振激光雷达，应用于白天和夜晚卷云后向散射光退偏比的探测研究，成功测得青岛上空卷云的退偏比。2012年西安理工大学宋跃辉和华灯鑫等建成了一台可三维扫描的偏振激光雷达，对冬季西安地区1000米以下气溶胶的退偏比进行了连续扫描探测。

总结来说，以上偏振激光雷达系统大多采用可见光波段或者1064nm激光源，出射功率大，人眼不安全，系统庞大；采用空间光路系统，结构不稳定；受太阳与天空背景辐射影响大，不能白天工作，信噪比低。此外，这些系统均采用双探测器探测两路不同偏振态的回波信号，造价高，并且退偏比受探测器效率涨落的影响，信噪比低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达，其具有气溶胶信号信噪比高、退偏比精度高、造价低、系统稳定、人眼相对安全、全光纤链接和结构紧凑等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达，包括：连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5、扩束镜6、望远镜7、偏振分束器8、延时光纤9、光纤耦合器10、光纤环形器11、光纤布拉格光栅12、探测器13、采集卡14与计算机15；其中：

所述连续激光器1输出的激光依次经过光纤隔离器2、强度调制器3、光纤放大器5与扩束镜6后出射到大气中；在此过程中强度调制器的调制强度由任意函数发生器4来控制；

后向散射信号被望远镜7接收后传输至偏振分束器8，所述偏振分束器8将后向散射信号分离为平行偏振信号与垂直偏振信号，所述垂直偏振信号通过偏振分束器8的端口B传输至光纤耦合器10的端口B，所述平行偏振信号偏振分束器8的端口A并经由延时光纤9延时后传输至光纤耦合器10的端口A；

所述光纤耦合器10将接收到的信号传输至光纤环形器11的端口A，并从光纤环形器11的端口B输出至光纤布拉格光栅12滤除背景噪声，再原路返回至光纤环形器11的端口B，最终滤除背景噪声后的信号从光纤环形器11的端口C输出至探测器13，进而通过采集卡14输入至计算机15，由计算机15根据接收到的数据进行气溶胶相关数据的反演计算。

所述连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5与扩束镜6之间，偏振分束器8、延时光纤9、光纤耦合器10、光纤环形器11、光纤布拉格光栅12与探测器13之间均采用保偏光纤连接。

所述光纤隔离器2、强度调制器3、光纤放大器5、偏振分束器8、光纤耦合器10、光纤环形器11与光纤布拉格光栅12均为保偏器件。

所述延时光纤9采用保偏光纤，其损耗小于0.2dB/Km。

所述连续激光器1的输出激光波长为1.5μm。

所述探测器13选用铟镓砷探测器、量子上转换单光子探测器或者超导纳米线单光子探测器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用偏振分束器分离两个偏振态的信号后，将其中一路经过延时光纤，再将两路信号耦合进入探测器，在时域上形成了时分复用结构。其优点在于：1)采用1550nm微脉冲激光器，体积小，造价低，出射功率小，人眼安全；2)采用全光纤链路，结构紧凑，稳定；3)1550nm波长信号可日夜连续工作，不受太阳背景辐射影响；4)时分复用技术搭配单通道高性能单光子探测器，造价低，不受探测器效率涨落影响，易于校准，探测信噪比高，且测量退偏比精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达的时序图。

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。

图1为本发明实施例提供的一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达的结构示意图；如图1所示，其主要包括：

一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达，其特征在于，包括：连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5、扩束镜6、望远镜7、偏振分束器8、延时光纤9、光纤耦合器10、光纤环形器11、光纤布拉格光栅12、探测器13、采集卡14与计算机15。

各个器件的连接关系如下：

连续激光器1的输出端与光纤隔离器2的输入端连接，光纤隔离器2的输出端与强度调制器3的输入端连接，强度调制器3的输出端与光纤放大器5的输入端连接，任意函数发生器4的输出端与强度调制器3的控制端连接，光纤放大器5的输出端与扩束镜6的输入端连接，由扩束镜6将激光扩束后出射到大气中，由望远镜7接收后向散射信号；

望远镜7的输出端与偏振分束器8的输入端连接，偏振分束器8的端口A与延时光纤9的输入端连接，延时光纤9的输出端与光纤耦合器10的端口A连接，偏振分束器8的端口B与光纤耦合器10的端口B连接，光纤耦合器10的输出端与光纤环形器11的端口A连接，光纤环形器11的端口B与光纤布拉格光栅12的输入端连接，由光纤布拉格光栅12滤除信号中的背景噪声；

光纤环形器11的端口C与探测器13的输入端连接，探测器13的输出端与采集卡14的输入端连接，采集卡14的输出端与计算机15连接。

工作过程如下：

所述连续激光器1输出的激光依次经过光纤隔离器2、强度调制器3、光纤放大器5与扩束镜6后出射到大气中；在此过程中强度调制器的调制强度由任意函数发生器4来控制；

后向散射信号被望远镜7接收后传输至偏振分束器8，所述偏振分束器8将后向散射信号分离为平行偏振信号与垂直偏振信号，所述垂直偏振信号通过偏振分束器8的端口B传输至光纤耦合器10的端口B，所述平行偏振信号偏振分束器8的端口A并经由延时光纤9延时后传输至光纤耦合器10的端口A；

所述光纤耦合器10将接收到的信号传输至光纤环形器11的端口A，并从光纤环形器11的端口B输出至光纤布拉格光栅12滤除背景噪声，再原路返回至光纤环形器11的端口B，最终滤除背景噪声后的信号从光纤环形器11的端口C输出至探测器13，进而通过采集卡14输入至计算机15，由计算机15根据接收到的数据进行气溶胶相关数据的反演计算。

优选的，所述连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5与扩束镜6之间，偏振分束器8、延时光纤9、光纤耦合器10、光纤环形器11、光纤布拉格光栅12与探测器13之间均采用保偏光纤连接。

优选的，所述光纤隔离器2、强度调制器3、光纤放大器5、偏振分束器8、光纤耦合器10、光纤环形器11与光纤布拉格光栅12均为保偏器件。

优选的，所述延时光纤9采用保偏光纤，其损耗小于0.2dB/Km。

优选的，所述连续激光器1的输出激光波长为1.5μm。

优选的，所述探测器13选用铟镓砷探测器、量子上转换单光子探测器或者超导纳米线单光子探测器。

优选的，本发明中的光纤链路均采用熔接方式连接。

为了便于理解，下面针对本发明实施例提供的上述雷达系统的测偏振比原理进行说明。

本发明实施例提供上述装置的测偏振比原理如下：

光作为电磁波，其电场在任何时刻在空间中都存在一个方向，这是光学的一个基本原理。这个方向可以是固定的，产生线偏光，或者随着时间旋转，产生圆偏光和椭圆偏振光。而随机偏振实质上处在多种偏振同时存在的状态，导致不能通过光学仪器测出某单个偏振态。值得一提的是，任何偏振态都可以通过使用光学设备转换到另外的状态。

偏振激光雷达探测大气时，其接收到的大气后向散射回波信号的平行偏振分量和垂直偏振分量功率的激光雷达方程分别如下所示：

式中P_t是激光发射功率(单位：W)，下标p和s分别表示与发射激光偏振方向平行和垂直两个方向，P_rp(z)和P_rs(z)分别表示激光雷达接收到的后向散射信号在高度z处回波功率的平行偏振分量和垂直偏振分量(单位：W)，k_p和k_s分别表示平行偏振分量探测通道和垂直偏振分量探测通道的系统常数，β_p(z)和β_s(z)分别表示高度z处的大气后向散射信号的平行分量和垂直分量(单位：km^-1sr^-1)，α_p(z)和α_s(z)分别表示高度z处大气消光系数的平行偏振分量和垂直偏振分量(单位：km^-1)。

退偏比δ(z)定义为

对于随机取向的卷云和大气气溶胶粒子，α_p(z)＝α_s(z)，若令K＝k_p/k_s，则(3)式可以写成：

系统常数K需要通过校准来确定，较准时需要结合如图2所示的时序图来进行，在本实施例中校准方法如下：

1)在扩束镜6与望远镜7视场范围重叠处放置一块反射镜；

2)由弱到强调整光纤放大器5的输出功率，使探测器13探测到信号；

3)旋转望远镜7调整接受信号的偏振方向，使图2(2)中所示垂直偏振信号达到最强，图2(3)中平行偏振信号消失，记录探测器3输出的信号强度记为k_s；

4)旋转望远镜7调整接受信号偏振方向，使图2(2)中所示垂直偏振信号消失，图2(3)中平行偏振信号达到最强，记录探测器3输出的信号强度k_p；

5)计算得到K。

这样通过偏振激光雷达接收到的各个高度z处的大气后向散射回波功率的平行分量和垂直分量以及这个两个通道的系统常数比K，利用(4)式，就可以计算出大气退偏比的垂直廓线δ(z)。显然，还可以利用(1)式通过Fernald方法来反演卷云和大气气溶胶消光系数的垂直廓线以及大气气溶胶光学厚度。

本发明实施例提供的基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达具有如下有益效果：

1)本发明采用时分复用技术，通过在垂直偏振信号光路中连接低损耗的延时光纤11，实现了单探测器同时平行偏振信号和垂直偏振信号，相比于多个探测器的系统，其降低了成本，避免了工作时环境不一致时，探测器响应差异所引入的系统误差，例如：环境温度不同将导致探测器的噪声分布不同；探测器的输入电压不同将导致探测器的响应不同；激光雷达处于振动环境下时，探测器的耦合效率不同；光学污染和探测器老化问题也将引起探测器的差异，因此要求激光雷达进行周期定标。

2)本发明优选1.5μm光通信波段，1.5μm光通信波段主要优点为：(1)光纤制造技术成熟，光纤损耗小，1.5μm激光对器件损耗低，本发明采用延时光纤12实现光纤F-P干涉仪反射信号的延时即是由于光纤损耗小，例如，当光纤损耗0.2dB/km时，激光经3km延时光纤，损耗为12.9％；(2)1.5μm波段人眼相对安全，1.5μm波段激光的人眼最大允许曝光功率是2.1μm波段的10倍，是1.06μm波段的5个数量级；(3)1.5μm波段光通信器件已发展成熟，可降低成本；(4)1.5μm波段可实现全光纤结构，易于组装和集成，满足激光雷达小型化、稳定化和商品化的发展方向。

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。