一种双波长偏振高光谱分辨激光雷达装置的制作方法

本发明涉及一种双波长偏振高光谱分辨激光雷达装置，属于激光雷达技术领域。

背景技术：

大气气溶胶在气候变化和空气污染中扮演着非常重要的角色。激光雷达技术已被证明是有效的大气气溶胶监测手段，可以获得高空间和时间分辨率的大气气溶胶光学特性垂直分布。传统的弹性散射激光雷达由于不能区分大气气溶胶散射和分子散射，不能直接测量气溶胶光学特性，需要假设激光雷达比然后再利用Klett和Fernald方法进行反演得到。拉曼激光雷达可以不使用假设来测量气溶胶的光学特性，但是由于信号较弹性散射信号弱约三个数量级，通常只能进行夜间或近距离测量，这使其应用受到限制，特别是不适合用于星载平台。高光谱分辨激光雷达通过高光谱分辨滤光器实现弹性散射信号中瑞利散射信号(主要为大气分子散射信号)和米散射信号(主要为大气气溶胶散射信号)的分离，从而可以不用假设直接反演出大气参数，由于测量信号为弹性散射信号，白天和黑夜均可工作，可适用于星载、机载以及地基等多种平台。

高光谱分辨滤光器是高光谱分辨激光雷达核心技术，当前主要有基于原子或分子蒸汽吸收的滤光器、基于平面Fabry-Perot干涉仪的滤光器以及基于视场展宽迈克尔逊干涉仪的滤光器。基于原子或分子蒸汽吸收的滤光器主要利用原子或分子的吸收线衰减中心的气溶胶米散射峰，透过吸收频谱外的大气分子瑞利散射信号，从而实现气溶胶散射信号和大气分子散射信号的分离。但对于常用的激光波长，很少有原子或分子蒸汽吸收峰刚好与这些波长一致，当前可用的主要是碘蒸汽吸收滤光器，用于532nm激光波长。原子或分子蒸汽吸收滤光器的主要问题是大大限制了激光器的可用波长。基于平面Fabry-Perot干涉仪的滤光器理论上可以用于任意波长，其主要问题是视场角太小，无法与望远镜接收到的宽角度光信号匹配，导致进光量小，而且由于视场小还会造成调校困难，易受振动等外部环境影响。基于视场展宽迈克尔逊干涉仪的滤光器将传统迈克尔逊干涉仪的其中一个臂改为非空气介质，从而可以实现宽视场，而且不受波长限制，但是视场展宽迈克尔逊干涉仪频率分辨率较低，且制作较复杂。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题为：克服上述现有技术的不足，提出了一种双波长偏振高光谱分辨激光雷达装置，该装置基于共焦法布里珀罗滤光器，不受波长限制、视场角较大、频率分辨率高，可实现对气溶胶米散射信号和大气分子瑞利散射信号精确分离。

本发明采用的技术方案为：

一种双波长偏振高光谱分辨激光雷达装置，包括：激光发射系统、光学接收系统和数据处理单元；

激光发射系统向被测大气中发射单频偏振脉冲激光，光学接收系统接收被测大气的后向散射光，之后依次进行分色处理、偏振分光处理、超窄带滤波处理以及光电转换，将所述被测大气的后向散射光转换为电信号，最终由数据处理单元进行数据处理，得到被测大气的双波长偏振高光谱激光雷达信号。

所述激光发射系统包括单频偏振激光器和扩束镜，其中单频偏振激光器又包括种子激光器和脉冲激光器；

种子激光器发射单频激光，脉冲激光器将种子激光器发射的单频激光进行整形放大，输出双波长单频脉冲激光，再经过扩束镜减小所述单频脉冲激光的发散角，将单频脉冲激光发射到被测大气中。

所述种子激光器发射的单频激光为波长1064nm的单频激光。

所述输出的双波长单频脉冲激光为波长1064nm的单频脉冲激光和波长532nm的单频脉冲激光。

所述光学接收系统包括望远镜、第一分色镜、第二分色镜、背景滤光器、偏振分光镜、1/4玻片、合束镜、共焦法布里珀罗滤光器、频率调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和第五光电探测器；

望远镜接收被测大气的后向散射光，通过第一分色镜进行分色，将生成的波长为1064nm的光送入第一光电探测器，波长532nm的光通过背景滤光器滤除背景光后，进入偏振分光镜进行分光，一路送入第二光电探测器进行探测，另一路通过1/4玻片之后进入合束镜，频率调制器将来自种子激光器的单频激光进行调制，再送入合束镜，合束镜将输入到其中的两路光进行合束，再送入共焦法布里珀罗滤光器，共焦法布里珀罗滤光器将输入的光信号进行气溶胶散射信号和大气分子散射信号的分离探测，共焦法布里珀罗滤光器的反射光再一次经过1/4玻片后由偏振分光镜反射进入第三光电探测器，同时，气溶胶散射信号和调制后的单频激光透过共焦法布里珀罗滤光器后通过第二分色镜进行分色，气溶胶散射信号由第四光电探测器接收，调制后的单频激光由第五光电探测器接收，五个光电探测器的输出电信号送入数据处理单元进行数据处理。

所述共焦法布里珀罗滤光器采用共焦曲面腔方式，曲面腔曲率半径为1cm，透过带宽小于1GHz。

所述望远镜采用卡塞格伦式望远镜，口径1m，视场角为1°。

所述背景光滤光器采用干涉滤光片与法布里珀罗标准具复合的方式，透过激光带宽为10GHz。

种子激光器、频率调制器以及第五光电探测器配合实现共焦法布里珀罗滤光器中心波长对单频偏振激光器发射激光波长的锁定，具体为：

种子激光器发射的单频激光，经频率调制器后进入共焦法布里珀罗滤光器，利用频率调制器以单频激光波长为中心进行频率扫描，由第五光电探测器记录不同频率时的光强，分析光强序列信号找到最大值位置对应的波长，通过此波长与种子激光器输出单频激光的波长的差信号实现对共焦法布里珀罗滤光器中心透过波长的反馈控制，从而实现对单频偏振激光器发射激光波长的锁定

本发明相对现有技术带来的有益效果为：

(1)本发明实现双波长偏振高光谱分辨激光雷达，实现高效、高分辨的大气米散射和瑞利散射的高光谱、偏振双波长的信息提取；

(2)本发明采用基于共焦法布里珀罗干涉仪的滤光器，不受波长限制，在波长适应性方面优于原子或分子蒸汽吸收滤光器；相较于基于平面Fabry-Perot干涉仪的滤光器，改善了其视场小、对小的对准误差和振动敏感的弱点；在频率分辨率方面优于视场展宽迈克尔逊干涉仪，且结构简单；

(3)本发明在实现一个波长高光谱分辨探测的同时，探测该波长偏振信息和另一波长弹性散射信息；

(4)通过使用单频激光器，实现了双波长单频输出，并且高精度的实现了法布里珀罗标准的频率锁定，提高了高光谱的探测稳定性和效率；

(5)实现窄带滤光片和法布里珀罗标准级联的方式，实现对背景光的高效抑制的同时，实现了高光谱分辨探测。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明基于共焦法布里珀罗干涉仪的高光谱滤光器；

图3为频率锁定系统工作原理示意图；

图4为本系统的探测效果示意图。

具体实施方式

本发明通过双波长偏振高光谱分辨激光雷达实现对大气的双波长、偏振和高光谱探测。应用双波长的信息可以对大气的组成物质的颗粒大小进行区分，通过偏振信息可以对大气的组成物质的形状进行区分，通过高光谱信息可以大气的消光特性以及粒子的粒径分布进行定量反演。如图4所示，通过高光谱分辨探测实现将大气回波的米散射和瑞利散射回波高分辨的区分。双波长偏振高光谱分辨激光雷达实现了对大气的高精度定量的反演，是气象、大气环境的重要探测手段。

本发明通过双波长偏振高光谱分辨激光雷达通过单频激光器实现双波长单频输出，通过望远镜接收大气的后向散射信号，通过分色镜、背景光滤波器、布里珀罗滤光器等光学元件实现对回波光信号的偏振、双波长、高光谱分辨的光信息提取，通过探测器实现对光信号的光电转化，通过数据处理单元进行信号采集及处理，最终实现双波长偏振高光谱分辨探测。

本发明通过共焦法布里珀罗滤光器和单频偏振激光器实现大气分子后向散射信号和大气气溶胶后向散射信号的分离，并利用频率锁定系统将共焦法布里珀罗滤光器中心透过频率与单频偏振激光器发射激光频率实时锁定，从而实现高光谱分辨探测。单频偏振激光器发射双波长激光，经扩束镜扩束后发射到大气中，经大气中气溶胶和大气分子散射后，后向散射信号被望远镜接收，经分色镜分光后，其中一个波长的散射信号直接由光电探测器a接收，另一波长散射信号经背景光滤光器滤光后入射到偏振分光镜，S偏振信号被反射后有光电探测器b接收，透射的P偏振信号经过1/4玻片后入射到共焦法布里珀罗滤光器,透射的米散射信号由光电探测器d接收，反射的瑞利散射信号经1/4玻片，被偏振分光镜反射后由光电探测器c接收；同时，单频偏振激光器中种子激光器输出激光经频率调制器调制，调制后的激光信号入射到共焦法布里珀罗滤光器，透射信号由光电探测器e接收，通过扫描频率调制器得到反馈信号控制共焦法布里珀罗滤光器中心波长锁定到单频偏振激光器激光频率。本发明不受波长限制、光谱分辨能力强、频率锁定稳定性好，可用于星载、机载以及地基等多种平台。

如图1所示，本发明提供的一种双波长偏振高光谱分辨激光雷达装置，其包括：激光发射系统、光学接收系统和数据处理单元；

激光发射系统向被测大气中发射单频偏振脉冲激光，光学接收系统接收被测大气的后向散射光，之后依次进行分色处理、偏振分光处理、超窄带滤波处理以及光电转换，将所述被测大气的后向散射光转换为电信号，最终由数据处理单元进行数据处理，得到被测大气的双波长偏振高光谱激光雷达信号。

激光发射系统包括单频偏振激光器和扩束镜，其中单频偏振激光器又包括种子激光器和脉冲激光器；

种子激光器发射单频激光，脉冲激光器将种子激光器发射的单频激光进行整形放大，输出双波长单频脉冲激光，再经过扩束镜减小所述单频脉冲激光的发散角，将单频脉冲激光发射到被测大气中。种子激光器发射的单频激光为波长1064nm的单频激光。输出的双波长单频脉冲激光为波长1064nm的单频脉冲激光和波长532nm的单频脉冲激光。

光学接收系统包括望远镜、第一分色镜、第二分色镜、背景滤光器、偏振分光镜、1/4玻片、合束镜、共焦法布里珀罗滤光器、频率调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和第五光电探测器；

望远镜接收被测大气的后向散射光，通过第一分色镜进行分色，将生成的波长为1064nm的光送入第一光电探测器，波长532nm的光通过背景滤光器滤除背景光后，进入偏振分光镜进行分光，一路送入第二光电探测器进行探测，另一路通过1/4玻片之后进入合束镜，频率调制器将来自种子激光器的单频激光进行调制，再送入合束镜，合束镜将输入到其中的两路光进行合束，再送入共焦法布里珀罗滤光器，共焦法布里珀罗滤光器将输入的光信号进行气溶胶散射信号和大气分子散射信号的分离探测，共焦法布里珀罗滤光器的反射光再一次经过1/4玻片后由偏振分光镜反射进入第三光电探测器，同时，气溶胶散射信号和调制后的单频激光透过共焦法布里珀罗滤光器后通过第二分色镜进行分色，气溶胶散射信号由第四光电探测器接收，调制后的单频激光由第五光电探测器接收，五个光电探测器的输出电信号送入数据处理单元进行数据处理。

如图2所示，共焦法布里珀罗滤光器采用共焦曲面腔方式，曲面腔曲率半径为1cm，透过带宽小于1GHz。

如图3所示，种子激光器、频率调制器以及第五光电探测器配合实现共焦法布里珀罗滤光器中心波长对单频偏振激光器发射激光波长的锁定，具体为：

种子激光器发射的单频激光，经频率调制器后进入共焦法布里珀罗滤光器，利用频率调制器以单频激光波长为中心进行频率扫描，由第五光电探测器记录不同频率时的光强，分析光强序列信号找到最大值位置对应的波长，通过此波长与种子激光器输出单频激光的波长的差信号实现对共焦法布里珀罗滤光器中心透过波长的反馈控制，从而实现对单频偏振激光器发射激光波长的锁定。

实施例：

激光器线宽：<50MHz

激光器波长：1064nm，532nm

背景光滤波器：10GHz

共焦法布里珀罗滤光器带宽：<1GHz

探测波长：532nm，1064nm

本发明为一种双波长偏振高光谱分辨激光雷达装置，包括激光发散系统、光学接收系统、频率锁定系统、数据采集系统以及数据处理系统。激光发散系统包括单频偏振激光器1和扩束镜2，其中单频偏振激光器又包括种子激光器和脉冲激光器。光学接收系统包括望远镜3、分色镜4、背景滤光器6、偏振分光镜7、1/4玻片11、合束镜12、共焦法布里珀罗滤光器13、光电探测器a5、光电探测器b8、光电探测器c9、光电探测器d15。频率锁定系统包括种子激光器、频率调制器10、共焦法布里珀罗滤光器13以及光电探测器e16。

上述单频偏振激光器1采用种子注入技术，包括种子激光器和脉冲激光器，种子激光器为单频连续激光器，可选用thorlabs公司的DFB单频1064nm激光器，脉冲激光器为种子注入锁定激光器，同时输出1064nm脉冲激光和倍频后的532nm脉冲激光，532nm激光线宽小于50MHz。扩束镜2将激光发散角压缩到100urad左右。

上述望远镜3可采用卡塞格伦式望远镜，口径1m，视场角为1°左右，尽量减小不同视场弥散斑差异。

上述分色镜4实现1064nm波长和532nm波长光信号分离，1064nm波长光信号由APD探测器接收。

上述背景光滤光器6采用干涉滤光片加Fabry-Perot标准具复合的方式，透过激光带宽在10GHz左右，与后续共焦法布里珀罗滤光器13的自由光谱范围匹配。

偏振分光镜7采用Cube偏振分光镜，光电探测器b8接收532nm波长S偏振信号。

共焦法布里珀罗滤光器13采用共焦曲面腔方式，曲面腔曲率半径为1cm，透过带宽小于1GHz。共焦法布里珀罗滤光器13实现大气后向散射激光信号中气溶胶散射信号和大气分子散射信号的分离探测，经过偏振分光镜7的532nm波长P偏振信号经过1/4玻片后入射到共焦法布里珀罗滤光器13上，中心频率附件约1GHz带宽的气溶胶散射信号和大气分子散射信号透过该滤光器后被光电探测器d15接收，1GHz带宽外的大气分子散射信号被共焦法布里珀罗滤光器13反射，再次经过1/4玻片后被偏振分光镜7反射到光电探测器c9。

频率锁定系统实现共焦法布里珀罗滤光器13中心波长对单频偏振激光器发射激光波长的锁定。种子激光器发射的1064nm连续波激光的一部分经光纤输出，经频率调制器10后进入共焦法布里珀罗滤光器，该频率调制器由两个声光调制器(AOM)组成，声光调制器1实现80MHz的频率调制，声光调制器2去掉声光调制器1产生的中心频率偏移，同时补偿共焦法布里珀罗滤光器13对1064nm波长和532nm波长透过的中心频率差。利用频率调制器以种子激光波长为中心进行±80MHz的频率扫描，经共焦法布里珀罗滤光器13透射后由光电探测器e记录不同频率时的光强，分析光强序列信号找到最大值位置对应的波长，通过此波长与种子激光器波长的差信号实现对共焦法布里珀罗滤光器13中心透过波长的反馈控制。共焦法布里珀罗滤光器13锁定1064nm种子激光波长时同时实现了对532nm接收激光信号的中心波长锁定。

光电探测器b8、光电探测器c9、光电探测器d15为PMT探测器，工作在光子计数模式；光电探测器a5为APD探测，光电探测器e16为PIN探测器，此两种探测器信号采集采用模拟方式。

光电探测器c9和光电探测器d15用于532nm波长高光谱分辨探测，可直接反演得到气溶胶后向散射系数、消光系数等光学属性参数。光电探测器c9与光电探测器d15的和信号与光电探测器b8联合实现气溶胶偏振系数的反演。