CN100495069C

CN100495069C - 米散射偏振微脉冲激光雷达控制方法及装置

Info

Publication number: CN100495069C
Application number: CNB2004100655387A
Authority: CN
Inventors: 纪玉峰; 徐赤东; 胡欢陵
Original assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2004-11-20
Filing date: 2004-11-20
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2024-11-20
Also published as: CN1641339A

Abstract

本发明公开了一种米散射偏振微脉冲激光雷达控制方法及装置，将小型半导体泵浦YAG倍频偏振激光器工作时发出的偏振激光输入扩束器进行扩束，扩束后向天空发射，激光被大气中的气溶胶所散射，气溶胶中的球型粒子的后向散射光将不改变激光的偏振方向，而非球型粒子的后向散射光将改变激光的偏振方向而形成与原激光偏振方向垂直的分量(退偏)。来自球型和非球型粒子的后向散射回波信号由接收光学望远镜接收并通过分光棱镜将两个不同偏振方向的光分开，分别传递到两个探测器；光子计数卡按照光电脉冲信号从空间返回的时序做对位记数和累加处理，其结果存储到相应的数据存储单元；对采集到的两路信号通过XJ-PMPL软件对采集到的信号进行计算得出回波的退偏振度，从而得出非球型粒子的空间分布廓线。此外，也可以将两组信号求合，得到总的后向散射光强度分布，因此偏振微脉冲激光雷达也可以完成一般微脉冲激光雷达的功能。

Description

米散射偏振微脉冲激光雷达控制方法及装置

技术领域

本发明涉及光学环境监测及电子学领域，具体是一种新型的米散射偏振微脉冲激光雷达以及它的控制方法及装置。

背景技术

米散射激光雷达是大范围快速监测大气环境的高技术手段。它根据大气对激光的散射、吸收、消光等物理效应，通过定量分析大气气溶胶(飘尘、颗粒物、烟尘和沙尘)对激光产生的后向散射回波，获得大气消光系数垂直廓线，由此实现大气环境探测的目的。

激光雷达由激光发射、大气后向散射回波接收光学单元和数据处理与控制电子学系统组成。如果大气比较干净，由于大气分子的存在，其回波信号强度随高度的分布如B-C-E曲线，当大气中包含气溶胶分布时，回波信号将在相应的位置上突起，如C-D-Z曲线。经过相关公式的计算，可得到大气消光系数廓线，从而反演出气溶胶的空间分布。激光雷达可以对几公里以至几十公里范围的大气环境实时监测；激光的短脉冲使空间分辨率可达几米；随着长时间观测，激光雷达能给出气溶胶的时空变化；还可定量获得大气能见度等等。这些信息对了解气溶胶的垂直分布、迁移、扩散和建立气候模型具有实际价值，是其它测量手段不可替代的。

早在60年代中期，人们就已经研制出米散射激光雷达，随着科学技术的发展激光雷达技术日趋完善，已进入实用和商品化。常规的激光雷达主要存在四个方面的不足：

1)、为获取一定的信噪比和测量范围，常规的可见波段激光雷达装置大都采用较大的激光能量(几十～几百mJ)，激光脉冲重复率一般在几十Hz，较大的接收望远镜口径(300～630mm)。信号的采集大多使用光电倍增管PMT、高压电源、宽带前放、高速A/D和多道分析仪(或甄别器和多道计数器)等。因此，系统的造价高、体积庞大、不易移动等限制了激光雷达应用范围。

2)、系统集成化程度低，难以自动化运行。

3)、全天候运行成本高。

4)、脉冲激光对操作人员和地面人员的眼睛安全问题。

发明内容

本发明利用米散射偏振的原理设计出一种米散射偏振微脉冲激光雷达系统。完全解决了常规的激光雷达的不足，采用小型半导体泵浦YAG倍频偏振激光器用于探测非球型粒子的空间分布廓线，同时保留了一般微脉冲激光雷达的探测功能，形成了一个新型的微脉冲激光雷达装置。与以往的激光雷达相比，它的突出特点是除了具有结构简单、体积小、重量轻、造价低、自动化程度高、可连续运行和易于移动等优点外，关键器件的全固化结构和模块化结构确保了系统工作的稳定性和探测数据的可靠性，性能价格比高等。特别是可应用于卷云、沙尘、烟尘等非球形粒子的形态特征的测量，同时可进行大气边界层的结构和时间演变特征的测量，大气气溶胶(飘尘)和高卷云消光系数垂直分布和时间演变特征的测量，云顶、云底及云中心的高度及多层云结构的测量，大气能见度测量等方面。

本发明的技术方案如下：

米散射偏振微脉冲激光雷达控制方法，将小型半导体泵浦YAG倍频偏振激光器工作时发出的偏振激光输入扩束器进行扩束，扩束后向天空发射，激光被大气中的气溶胶所散射，气溶胶中的球型粒子的后向散射光将不改变激光的偏振方向，而非球型粒子的后向散射光将改变激光的偏振方向而形成与原激光偏振方向垂直的分量(退偏)。来自球型和非球型粒子的后向散射回波信号由接收光学望远镜接收并通过分光棱镜将两个不同偏振方向的光分开，分别传递到两个探测器；探测器输出相应的光子电脉冲信号，分别传输到两个光子计数卡；光子计数卡按照光电脉冲信号从空间返回的时序做对位记数和累加处理，其结果存储到相应的数据存储单元；对采集到的两路信号进行计算可获得回波的退偏振度，从而得出非球型粒子的空间分布廓线。此外，也可以将两组信号求合，得到总的后向散射光强度分布。

米散射偏振微脉冲激光雷达装置，包括小型半导体泵浦YAG倍频激光器、发射光路单元、接收与分光光路单元、信号接收单元、数据处理分析单元，其特征在于：发射光路单元与接收光路单元的光轴为平行非同轴结构；发射光路单元包括小型半导体泵浦YAG倍频偏振激光器、安装在偏振激光器出光口处的扩束器、安装在扩束器的出光口处的由两块反射镜构成的光路折转装置，偏振激光器与激光器电源相联接，激光器电源的激光同步脉冲信号通过BNC接口传送到两块光子计数卡的同步触发端；接收光路单元包括卡塞格林结构的接收光学望远镜、装配在接收光学望远镜系统焦点位置的微孔光阑、微孔光阑之后依次装配整形透镜、窄带滤光片、分光棱镜；信号接收单元包括两个探测器(分别接收两个偏振态的回波)、安插在工控计算机的扩展槽上的两块计数卡，两个探测器分别通过BNC型接口与两块光子计数卡相接，计数卡的另外一个BNC型接口与激光电源同步输出端相连接，以控制计数卡同步工作。

米散射偏振微脉冲激光雷达控制方法，所述的小型半导体泵浦YAG倍频偏振激光器用于探测非球型粒子的空间分布廓线，同时保留了一般微脉冲激光雷达的探测功能，形成了一个新型的微脉冲激光雷达装置。

米散射偏振微脉冲激光雷达装置，所述的光路折转装置中的两块反射镜以45度倾斜并相互平行，二次反射镜位于接收光学望远镜的次镜背后，反射镜背面与接收光学望远镜次镜背面相对，经二次反射镜反射的激光光路与接收光学望远镜的光轴平行但不同轴，发射光束外径与次镜装配框相切，光束发散角区域内的气溶胶粒子所产生的回波，将无遮拦的被接收系统所接收，这一方案消除了雷达的探测盲区。

米散射偏振微脉冲激光雷达装置，所述的接收光学望远镜的主镜、次镜采用介质膜，中心波长为激光的532nm，其反射率>99％，带宽50nm；所述的微孔光阑的孔径为0.2mm；所述的窄带滤光片的带宽为3埃，中心波长透过率为25％；所述的分光棱镜为双渥拉斯顿棱镜分光棱镜，透过率>85％。

米散射偏振微脉冲激光雷达装置，其特征在于所述的探测器为高敏度光电探测器(CPM)，线性范围为10MHz。

本发明的工作原理如下：

本发明根据米散射理论把气溶胶假设为均质球状粒子的情况下描述光对气溶胶的散射规律，根据粒子几何形状复杂的特点，理论分析和实际测量均证明了：不同形状的粒子所散射的电磁波具有不同偏振特性，当入射光为线偏振光时，经球形粒子散射后其散射光偏振方向不变，而经非球形粒子散射后光的振动方向相对于入射光将发生偏转，也就是发生了退偏振过程。利用其散射光的退偏振信息，探测并区分球型和非球型粒子，通过计算获知他们存在的相互比例。偏振特性的变化可以使用退偏比δ(Depolarization Ratio)来衡量，用偏振激光雷达可以很方便的获得退偏比信息。当发射激光为水平偏振p_//光时，回波信号既有p_//，也有相垂直的偏振光p_⊥。偏振光p_⊥分量来自于非球形粒子退偏过程。由此，可以得到推偏振比：δ＝p_⊥/p_//⊥。采用偏振激光束(p_//)向天空发射，对于球型粒子，其后向散射光的偏振方向与照射光相同，即没发生退偏振现象。当偏振激光(p_//)照射到非球型粒子后，其后向散射光的偏振方向将发生变化，产生了(p_⊥)光的分量，即发生退偏振。如果在接收回波信号时，将向后散射光中的退偏和非退偏光(分别来自非球型和球型粒子)区分开来并且两个信号相比即可得到退偏振比：δ＝[(p_⊥)/[(p_⊥)+(p_//)]，退偏振比大，就表示非球型粒子所占比例高，是有效探测冰晶、沙尘、烟尘等非球型颗粒物空间分布的方法。

附图说明

图1本发明的微脉冲偏振激光雷达的结构示意图。

图2本发明的激光雷达大气控测原理示意图。

图3本发明的非球型粒子产生退化偏比δ示意图。

图4本发明的主工作程序流程图。

具体实施方式

参见图1-4。

米散射偏振微脉冲激光雷达方法，将小型半导体泵浦YAG倍频偏振激光器3工作时发出激光同步输出脉冲信号传输到光子计数卡7，用于同步光子计数卡进行计数并对位累加工作；将偏振激光器3工作时发出的偏振激光输入扩束器4进行扩束，扩束后向天空发射，激光被大气中的气溶胶所散射，气溶胶中的球型粒子的后向散射光将不改变激光的偏振方向，而非球型粒子的后向散射光将改变激光的偏振方向而形成与原激光偏振方向垂直的分量(退偏)。来自球型和非环型粒子的后向散射回波信号由接收光学望远镜接收并通过分光棱镜10将两个不同偏振方向的光分开，分别传递到两个探测器1、8，；探测器1、8输出相应的光子电脉冲信号，分别传输到两个光子计数卡7；光子计数卡7按照光电脉冲信号从空间返回的时序做对位记数和累加处理，其结果存储到相应的数据存储单元；对采集到的两路信号进行计算可获得回波的退偏振度，从而得出非球型粒子的空间分布廓线。此外，也可以将两组信号求合，得到总的后向散射光强度分布，其数据与一般的微脉冲激光雷达数据相同。因此偏振微脉冲激光雷达可以完成一般微脉冲激光雷达的功能。

米散射偏振微脉冲激光雷达装置，包括发射光路单元、接收光路单元、信号采集单元、数据处理分析单元。发射光路单元与接收光路单元的光轴为平行非同轴结构；发射光路单元的偏振激光器3出光口安装有扩束器4，括束器4的出光口前安装有由两块反射镜5、15构成的光路折转装置，偏振激光器3与激光器电源2相联接，激光器电源2的激光同步脉冲信号通过BNC接口传送到两块光子计数卡7；接收光路单元的接收光学望远镜9、13、14为卡塞格林结构，其系统的焦点位置装配有微孔光阑9，微孔光阑9后依次装配有聚焦透镜12、窄带滤光片11、分光棱镜10：信号接收单元的两个探测器1、8分别装配在分光棱镜10的两个垂直光路上，两个探测器10的光电信号输出分别通过BNC型接口与两块光子计数卡7相接，两块计数卡7安插在工控计算机6的扩展槽上。光路折转装置中的两块反射镜5、15以45度倾斜并相互平行，二次反射镜位于接收光学望远镜的次镜14背后，反射镜15背面与接收光学望远镜的次镜14背面相对，经二次反射镜15反射的激光光路与接收光学望远镜的光轴平行不同轴。接收光学望远镜的主镜13、次镜14采用介质膜，激光的中心波长为532nm，其反射率>99％，带宽50nm：所述的微孔光阑9的孔径为0.2mm：所述的窄带滤光片11的带宽为3埃，中心波长透过率为25％：所述的分光棱镜10为双渥拉斯顿棱镜分光棱镜，透过率>85％。探测器1、8为高敏度光电探测器(CPM)，线性范围为10MHz。

接收光学望远镜采用卡塞格林光学结构，系统焦距2000mm，接收口径200mm，小孔光栏直径为0.2mm，接收视场为100μrad。激光发射采用由4片透镜组成的扩束器，扩束64倍，发散角为50μrad。

由于发射光束有一定的发散角，发散角区域的气溶胶产生的后向散射光将不被次镜所遮拦而被光学望远镜所接收，随着探测区域的延伸，达到完全接收，可以保证雷达探测盲区为零。同时可满足一定的几何因子(非重叠区)距离，以满足探测器的动态范围。

采用了集成化模块的高灵敏度光电探测器(CPM)，体积小性能稳定，其线性范围为10MHz。这样的选择可以充分利用有限的空间，使雷达系统作到小巧，模块化程度高。

2个高速多道光子计数卡直接安插在工控计算机主板上。它由1024个数字计数单元组成计数核心，对光子接收探测器输出的光子电脉冲信号进行计数。这个计数单元在接收到来自激光同步信号脉冲后，以每个计数单元200nS(纳秒)的时间宽度依次顺序进行工作，并对前次结果进行对位累加。使数据采集、累加、存储按时序完成。

雷达参数的确定

1)几何因子确定

由于接收望远镜次镜的存在，近区回波光将部分被遮拦，使得不能全部接收。随着探测距离增大到一个特定的点r₀，才能达到完全接收。小于r₀范围的信号是部分接收，因此需要修正。几何修正因子ξ(r)是距离的函数并小于1。大于r₀的区域ξ(r)＝1，表示完全接收的情况。几何修正函数ξ(r)是由实验确定的。实验选择在大气水平均匀性非常好和水平能见度较高的天气条件下进行，这时可认为水平后向散射系数β为常数，根据雷达方程，回波信号表达式：

x(r)＝ξ(r)CE₀Ωβe^-2αr

x(r)表示回波光子数，CE₀Ω为雷达参数。在>r₀的范围内，满足ξ(r)＝1的关系。将上式取对数：

ln x(r)＝ln[CE₀Ωβ]-2αr r>r₀

这是一个线性方程，直线的斜率为2α。为了获得实际测量数据，让PMPL呈水平放置，做水平大气测量，根据实测数据，可计算得到该斜率的数值。在<r₀范围内的几何修正函数表达式为：

ξ(r)＝x(r)/x_0C(r) r<r₀

x(r)是通过r>r₀区域回波信号确定的，即根据斜率的计算将该直线函数由r₀一直延伸到r＝0的区间。x_0C(r)为r<r₀区间内的实测回波光子数。上述方法即称为斜率法。

2)2路回波探测器修正

为了获得2路回波探测器的差异，在白天有背景光的情况下进行一天的测量，背景光是均匀的，如果探测器探测能力相同，则来自探测器1、2的回波信号平均值S₁、S₂应该相同，如果存在差异，它们将存在一个固定的比值K。计算退偏比时，其修正系数为：K＝S₁/S₂

微脉冲激偏振光雷达性能：

激光波长：532nm(LD泵浦Nd：YAG/KTP)

能量：≥15μJ/脉冲(在2000Hz)

重复率：2-2.5kHz

激光脉宽：15ns

发散角：～25μrad(半角)

接收望远镜：口径φ200mm(Cassegrain)

微脉冲激偏振光雷达系统技术参数：

激光波长：532nm(LD泵浦Nd：YAG/KTP)

能量：≥15μJ/脉冲(在2000Hz)

重复率：2-2.5kHz

激光脉宽：15ns

发散角：～25μrad(半角)

接收望远镜：口径φ200mm(Cassegrain)

接收视场：～50μrad(半角)

滤光片带宽：0.3nm

探测器：CPM

数据采集器：光子计数卡和工控机

Claims

1、米散射偏振微脉冲激光雷达装置，包括发射光路单元、接收光路单元、信号接收单元和数据处理分析单元，其特征在于：发射光路单元与接收光路单元的光轴为平行非同轴结构；发射光路单元包括小型半导体泵浦YAG倍频偏振激光器、安装在偏振激光器出光口处的扩束器和安装在扩束器的出光口处的由两块反射镜构成的光路折转装置，偏振激光器与激光器电源相联接，激光器电源的激光同步脉冲信号通过BNC接口传送到两块光子计数卡的同步触发端；接收光路单元包括卡塞格林结构的接收光学望远镜、装配在接收光学望远镜系统焦点位置的微孔光阑、微孔光阑之后依次装配的整形透镜、窄带滤光片和分光棱镜；信号接收单元包括两个探测器，分别接收两个偏振态的回波，和安插在工控计算机的扩展槽上的两块计数卡，两个探测器分别通过BNC型接口与两块光子计数卡相接，光子计数卡的另外一个BNC型接口与激光电源同步输出端相连接，以控制光子计数卡同步工作；所述的光路折转装置中的两块反射镜以45°度倾斜并相互平行，其中的二次反射镜位于接收望远镜的次镜背后，所述二次反射镜背面与接收光学望远镜次镜背面相对，经二次反射镜反射的激光光路与接收光学望远镜的光轴平行但不同轴，发射光束外径与次镜装配框相切，光束发散角区域内的气溶胶粒子所产生的回波，将无遮拦的被接收系统所接收；所述的接收光学望远镜的主镜、次镜采用介质膜，激光的中心波长为532nm，其反射率>99％，带宽50nm；所述的微孔光阑的孔径为0.2mm；所述的窄带滤光片的带宽为3埃，中心波长透过率为25％；所述的分光棱镜为双渥拉斯顿棱镜分光棱镜，透光率>85％；所述探测器为高敏度光电探测器CPM，线性范围为10MHZ。