基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统及测量方法

本发明涉及激光雷达，特别是涉及一种基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统及测量方法。

背景技术：

1、气溶胶是大气中液相或固相悬浮颗粒所组成的分散系统，极大影响着地球的大气环境，对人类健康、公共卫生以及环境气候具有重要的影响。因此，针对大气气溶胶微物理特性以及时空分布的探测与研究，对于区域及全球的环境和气候问题具有重要意义。作为一种主动式光学遥感技术，激光雷达采用激光器为辐射光源，因其对气溶胶探测具有高时空分辨能力和探测灵敏度的特点，成为大气气溶胶探测的一种重要的主动遥感技术。

2、传统的脉冲式米散射气溶胶激光雷达技术的研究目前较为成熟且应用最为广泛，但因其在反演气溶胶参数时需要根据实际预设激光雷达比，使得反演结果具有较高的不确定性，尤其是在气溶胶颗粒尺寸显著变化时。高光谱分辨率激光雷达相较传统米散射激光雷达，通过采用光谱鉴频器滤除气溶胶米散射信号从而引入单独大气分子瑞利散射信号的方式，使得气溶胶参数可以得到精确反演。

3、当前，高光谱分辨率激光雷达系统所需激光器需要较低的展宽和精确的波长输出，接收端需匹配高性能光电倍增管及光子计数设备，导致系统成本难以降低，缺乏抗干扰能力；实现信号分离所采用干涉式光谱鉴频设备对于接收光线的入射角度和工作温度具有较高要求，使得系统结构复杂。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统及测量方法，以解决成本高，系统复杂的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统，包括：发射装置、信号处理装置、接收装置、光谱鉴频器以及成像装置；

4、所述发射装置，与所述信号处理装置相连接，用于根据所述信号处理装置生成的时序信号周期性输出在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束；

5、所述信号处理装置，与所述成像装置相连接，用于根据所述成像装置产生的曝光时钟信号生成所述时序信号，以及根据所述成像装置输出的图像信号确定不同距离的大气回波信号；所述大气回波信号用于对大气中的气溶胶浓度进行反演测量；

6、所述接收装置用于接收大气回波信号；所述大气回波信号被所述接收装置接收后入射到所述光谱鉴频器，经所述光谱鉴频器吸收设定波长的信号后得到的透射光信号入射至所述成像装置；所述大气回波信号是根据所述发射装置周期性输出在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束发射到大气中，经过大气气溶胶、气体分子吸收和散射之后得到的；所述透射光信号包括只包含大气分子瑞利散射信号的分子通道信号、包含大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的混合通道信号以及背景信号；所述在线波长激光束对应的大气回波信号经过所述光谱鉴频器后得到所述分子通道信号；所述离线波长激光束对应的大气回波信号经过光谱鉴频器后得到所述混合通道信号；所述停止输出激光束产生对应的大气回波信号经过光谱鉴频器后得到为背景信号。

7、可选的，所述发射装置，具体包括：半导体激光器、半导体激光器驱动电路、光放大器、光放大器驱动电路以及准直透镜；

8、依次设置的所述半导体激光器、所述光放大器以及所述准直透镜在同一条光路上；所述半导体激光器发出的激光束通过所述光放大器进行放大；

9、所述半导体激光器驱动电路，分别与所述半导体激光器以及所述信号处理装置中的时序控制模块相连接，用于根据所述时序信号驱动所述半导体激光器周期性输出所述在线波长激光束、所述离线波长激光束以及停止输出激光束；

10、所述光放大器驱动电路，与所述光放大器相连接，用于驱动所述光放大器输出放大后的不同波长的激光束。

11、可选的，所述半导体激光器为分布式反馈激光器；所述半导体激光器发出的所述在线波长激光束的波长与所述接收装置中光谱鉴频器的吸收谱线中心波长相同。

12、可选的，所述光放大器为锥形半导体放大器。

13、可选的，所述信号处理装置包括计算机和时序控制模块；

14、所述计算机，分别与所述成像装置和所述时序控制模块相连接，用于接收所述成像装置输出的所述图像信号并转换为不同距离的大气回波信号，以及根据所述曝光时钟信号生成时序控制信号；

15、所述时序控制模块，与所述成像装置连接，用于采集所述成像装置产生的所述曝光时钟信号并传输给所述计算机，以及根据所述时序控制信号生成所述时序信号。

16、可选的，所述接收装置包括：接收望远镜和滤光片；

17、所述接收望远镜、所述滤光片、所述光谱鉴频器以及所述成像装置在同一条光路上；

18、所述大气回波信号依次经过所述接收望远镜、所述滤光片以及所述光谱鉴频器后得到透射光信号；所述透射光信号由所述成像装置接收。

19、可选的，所述光谱鉴频器为原子吸收池光谱鉴频器；所述原子吸收池光谱鉴频器的吸收谱线中心波长与所述半导体激光器发出的所述在线波长激光束的波长相同，所述原子吸收池光谱鉴频器吸收所述在线波长激光束；所述原子吸收池光谱鉴频器用于分离所述大气分子瑞利散射信号以及所述气溶胶米散射信号。

20、可选的，所述光谱鉴频器设置有温控装置；

21、所述温控装置用于使所述光谱鉴频器工作在设定温度。

22、一种基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达测量方法，包括：

23、根据成像装置产生的曝光时钟信号生成所述时序信号；

24、根据所述时序信号周期性输出在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束；

25、将周期性输出的在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束发射到大气中，经过大气气溶胶、气体分子吸收和散射之后，生成大气回波信号；

26、根据不同的所述大气回波信号应用光谱鉴频器得到透射光信号并根据所述透射光信号得到图像信号；所述透射光信号包括只包含大气分子瑞利散射信号的分子通道信号、包含大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的混合通道信号以及背景信号；

27、根据所述图像信号确定不同距离的大气回波信号；所述大气回波信号用于对大气中的气溶胶浓度进行测量。

28、可选的，所述根据所述时序信号周期性输出在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束，具体包括：

29、根据所述时序信号的电平状态，驱动发射装置输出在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束；所述电平状态包括工作电平信号、高电平信号和低电平信号。

30、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统及测量方法，利用接收装置接收大气回波信号，利用光谱鉴频器吸收设定波长的信号，将透射光信号入射至成像装置；成像装置产生曝光时钟信号，以及输出图像信号；与成像装置连接的信号处理装置根据曝光时钟信号产生时序信号，并且信号处理装置根据图像信号得到不同距离的大气回波信号，并反演得到后向散射系数廓线；发射装置根据时序信号，周期性输出在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束，激光束经放大准直射入大气后与大气组分发生相互作用形成大气回波信号被接收装置接收。通过对发射装置输出的激光束波长进行调制，经过波长调制后的激光束发射到大气后形成的大气回波信号包括气溶胶米散射信号和分子瑞利散射信号。所得大气回波信号经过光谱鉴频器的分离得到不同的透射光信号，进而得到不同的图像信号，实现了采用单接收通道构建高光谱分辨率激光雷达系统分子通道和混合通道，极大程度地简化了系统，同时降低了成本。