CN103267969B - 基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光光柱成像的激光雷达测量大气湍流强度廓线的方法，激光发射单元垂直向上发射激光，激光经过扩束镜扩束以降低激光的发散角，形成光柱；光学接收单元的望远镜物镜前端安装一个光瞳板，光瞳板上安装光楔镜，CCD安装在望远镜后端，当望远镜对准激光光柱对光柱成像时，由于光楔的分光作用，CCD靶面上会出现两条垂直方向的光柱图像；CCD各个像元所成的光柱像对应不同的高度上的光柱，采用差分像运动法统计不同高度上的CCD图像沿水平方向的抖动量，即可以获得激光光柱至成像接收面这一路径上的湍流信息，然后分析不同积分路径上的湍流信息，得到湍流强度廓线。本发明具有很高的时间分辨率、空间分辨率，易于实现、理论较为完备。

Description

基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法

技术领域

本技术发明涉及大气光学领域，具体是一种基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法。

背景技术

当激光在湍流大气中传输时，大气湍流造成的折射率起伏导致激光波阵面的畸变，破坏了激光的相干性，直接影响传输效果。对于高分辨力的光电成像望远镜在地面进行光学观测时，大气湍流降低了目标成像分辨率，影响跟踪、定位精度和自适应光学的校正效率。湍流强度廓线又是光学湍流强度的定量描述，是反映大气湍流光学特性的最重要的参数之一。因此，实时测量湍流强度廓线在光传输研究中具有非常重要的意义。

虽然目前有大量的光学湍流廓线测量方法，但这些方法不能适应当前光学工程中复杂场景的需求：如高时间分辨率、高空间分辨率、昼夜使用、强湍流状况、沿地面至高空斜程路径、地面点对点等诸多复杂场景。基于这些要求，激光主动技术成为目前国内外研究的热点。当前较为成熟的激光主动技术测量湍流强度廓线的方法主要为基于DIMLidar的方法，但该方法测量一组湍流廓线的时空分辨率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光光柱的成像的激光雷达遥感大气光学湍流廓线的方法，通过理论推导，说明了该方法具有很高的时、空分辨率；采用差分像运动法避免折叠光路的影响；根据光柱图像的到达角起伏特征可以实现大气光学湍流强度廓线的测量。

本发明的技术方案如下：

基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法，其特征在于：首先对激光光柱成双像，再统计双像的到达角起伏特征，最后进行湍流廓线的测量计算；具体包括以下步骤：

（1）激光发射单元：激光发射单元包括有激光器和扩束镜，激光器沿天顶方向垂直向上发射，扩束镜对激光器出射光束进行扩束后形成一束光柱；

（2）光学接收单元：光学接收单元包括有望远镜、光瞳板、光楔镜和CCD，望远镜主镜前安置光瞳板，光瞳板上安装光楔镜，CCD安装在望远镜后端；当望远镜对准激光光柱对光柱成像时，由于光楔镜的分光作用，CCD的靶面上会出现两条垂直方向的光柱图像，CCD连接上位机；

（3）CCD各个像元所成的光柱像对应不同的高度上的光柱，即采用激光光柱和激光雷达结合的方法获取了大高度范围的激光光柱图像，从而使测量系统具备大高度范围的信标光源；然后基于差分像运动法统计不同高度上的CCD图像沿水平方向的抖动，上位机软件可以获得激光光柱至成像接收面这一路径上的湍流信息，实现湍流廓线的测量。

所述的基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法，其特征在于：所述的光瞳板采用两孔哈特曼光瞳板。

所述的基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法，其特征在于：所述的激光器可以采用连续激光器，也可以采用脉冲激光器，如果采用脉冲激光器，激光发射时需要提供触发信号给CCD。

本发明的优点是：

本发明采用激光光柱技术、大靶面的CCD，可以实现光柱较大空间距离场景的成像，因而该系统具有很高的时间分辨率；采用小像元、较小的基线距离，CCD单个像元视场内的激光光柱长度很短，因而该系统具有很高的空间分辨率；采用差分像运动法进行光柱图像的到达角起伏特征进行测量，可以避免双程光路中上行光路的光波到达角起伏的影响；本发明易于实现、理论较为完备，是一种可靠的测量方法。

附图说明

图1是本发明的测量系统示意图。

图2是本发明的CCD的靶面成像示意图。

图3是本发明的光路结构图。

图4a为起始高度为680 m 的每像素代表的高度分辨率的计算结果示意图。

图4b为起始高度为1300 m 的每像素代表的高度分辨率的计算结果示意图。

图5为大气相干长度为r₀的实验结果示意图。

具体实施方式

参见附图1、3。基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法，首先对激光光柱成双像，再统计双像的到达角起伏特征，最后进行湍流廓线的测量计算；具体包括以下步骤：

（1）激光发射单元：激光发射单元包括有激光器1和扩束镜2，激光器1沿天顶方向垂直向上发射，扩束镜2对激光器1出射光束进行扩束而压制光束发散角后形成一束光柱；

（2）光学接收单元：光学接收单元包括有望远镜3、光瞳板4、光楔镜5和CCD 6，望远镜3主镜前安置两孔哈特曼光瞳板4，光瞳板4上安装光楔镜5，CCD 6安装在望远镜3后端；当望远镜3对准激光光柱对光柱成像时，由于光楔镜5的分光作用，CCD 6的靶面上会出现两条垂直方向的光柱图像，CCD6连接上位机7；

（3）CCD 6各个像元所成的光柱像，对应不同的高度上的光柱，即采用激光光柱和激光雷达结合的方法获取了大高度范围的激光光柱图像，从而使测量系统具备大高度范围的信标光源；然后基于差分像运动法统计不同高度上的CCD图像沿水平方向的抖动，上位机软件可以获得激光光柱至成像接收面这一路径上的湍流信息，实现湍流廓线的测量。

激光器1可以采用连续激光器，也可以采用脉冲激光器，如果采用脉冲激光器，激光发射时需要提供触发信号给CCD。

本发明的测量原理是：

脉冲激光经扩束后通过发射望远镜垂直发射至天顶，形成一束光柱，距离发射望远镜 D处的CCD接收到激光器外触发信号后，对光柱进行成像。成像CCD垂直方向上不同像元对应不同高度上的激光束，其中像元视场是由接收望远镜系统焦距和像元大小决定的。假定激光后向散射角为θ，激光器CCD单个像元的张角为dθ，则高度Z处的激光光束成像于CCD单个像元上的能量为：

其中K_l为系统常数，A为CCD镜头面积，E₀为激光器单发脉冲能量，β _N(z,θ)为Z高度处大气与气溶胶的角散射系数，T_Z为Z方向的透过率，T_R表示接收光路上的透过率，R为散射高度至探测器之间的距离。

从附图1的几何关系上可以得到：

Z=-tanα=-D/tgθ(2)

对(2)式进行求导，可以得到

dz=-D(-dθ/sin²θ)=D(dθ)(D²/R²)=R²dθ/D (3)

因此(1)式可以简化为:

E_r=K_lE₀Aβ_N(z,θ)T_zT_Rdθ/D(4)

由式(4)可以看出，单个像素的接收视场与激光雷达中熟知的1/R² 因子没有关联，这就意味着接收高层激光光柱的CCD像元与接收底层光柱的CCD像元接收能量的区别仅限于大气后向散射系数和双程透过率上的差别，出现这种现象主要是由于接收高层光柱信号的CCD像元具有较低的空间分辨率造成的，下面给出一个算例。

表1 系统配置参数

由于CCD视场有限，测量光柱高度区间直接与望远镜系统焦距、测量起始高度、望远镜与CCD之间的基线距离、CCD像元分辨率和尺寸有关。以表1给出的参数进行计算，图4为计算结果。从图4a、4b可以看出，若测量起始高度为680 m ，CCD测量的光柱高度区间为680 m 至1300 m，若干起始高度为1300 m时，CCD测量的光柱高度区间为1300 m至 14 km。因此只需要改变两次接收CCD接收视场的起始位置，即可以测量到680 m 至14 km高度的光柱图像。

从图4 可以看出，当测量初始高度为680 m 时候，每像素的对应的高度分辨率都在在3m以内。当初始高度取1300 m时，像素分辨率对应的空间高度从2.3 m至接近300 m，因此像素对应的光柱的高度分辨率逐渐降低，可以接收到更广区间的光柱光强以补偿距离平方因子影响。

由于CCD各个像素接收到的光强与接收距离无关，高低层单个像素视场内接收到的光强与后向散射系数β_N(z,θ)、发射光路和接收光路的透过率T_Z,T_R有关。

后向散射系数β_N(z,θ)可以分为两部分，大气分子的瑞利散射β_Natm(z,θ)和大气气溶胶米散射β_Naer(z,θ)，表达式为：

β_N(z,θ)=β_Natm(z,θ)+β_Naer(z,θ)(5)

式中：

式(7)中，n为气溶胶粒子对入射光的折射率，m为气溶胶粒子的复折射率，i_l(α,m,θ)为散射光强度分布函数，α为尺度参数α=2π·r/λ，r为粒子尺度。

以下内容分析在1.3km至14km范围内，3km高度和14km高度上单个像素的接收光强的区别。由于发射激光器与接收CCD的距离为2m，对应的后向散射角度分别为179.90°和179.98°,为计算方便，并可以避免激光偏振特性的影响，散射角度可以近似取180度。

表2 计算条件

依据表2的条件，参照Cart软件，可以得出1.3km与14km透过率之比为：

β_N(1.3km,θ)T_Z1.3kmT_R1.3km/β(14km,θ)T_Z14kmT_R14km=52  (7) 

这就说明随着高度的增加，信号衰减量比较显著，说明需要更高激光功率、更好的光斑质量才可以测量到更高的高度。

基于以上分析可以表明，采用激光主动光源的成像雷达可以实现从近地面至高空14km的激光光束的成像，CCD测量高低层像素的信号起伏范围小。此外，湍流折射率结构常数  随着距离的增加逐渐减小，最低分辨率在300m以内，一般测量方法中，在高空往往是采用公里级的分辨率，因此采用此方法进行湍流测量对应的时、空分辨率是满足要求的。

差分像运动测量法测量整层大气湍流强度是目前较为成熟大气湍流强度测量方法，在大型光学望远镜选址中广为使用。

在本研究中采用DIMM方法有诸多优点，该方法可以克服外界抖动的影响，克服激光能量的不稳定性，而且由于二次光程属于非相干光源成像，可以避免出现激光散斑现象以及对闪烁的影响不敏感，更为重要的是，二次光程的技术方法，可以克服一般成像激光雷达上行光路引起的到达角起伏。这主要是对于激光主动光源技术测量大气湍流而言，都会面临着折叠光路的问题，即测量路径是从激光至某散射体，然后往返至探测器这一双程路径，因此测量到湍流信息既包含激光发射光路路径上行的湍流信息，又包含接收光路下行的湍流信息。采用差分像运动法可以消除激光上行光路的湍流信息。

对于双程光路，激光上行过程中产生的到达角起伏对于接收两孔光路是相同的，对于某一帧图像而言：

式中， 为接收面上图像1波前到达角起伏、 为发射光束的到达角起伏、为反射光束的到达角起伏。

式中， 为接收面上图像2波前到达角起伏、为反射光束的到达角起伏。

(8)式减去(9)式，可以得到：

式中，d为两孔间距。 

图像1和图像2的差分到达角方差为：

两孔图像径向方向的抖动量为：

式中 为图像径向运动方差、D为子孔直径、r₀为大气相干长度。

对于激光光柱的后向散射成像，光源可以看作是球面波，r₀表达式为：

由以上论述可以看出，如果测量光柱沿着径向方向的抖动方差，即可以计算出相干长度，而根据r₀与 的关系，即有可能得到 的高度廓线。

基于以上论述，搭建了测量系统。采用本方案，一个主要问题是激光束的高度不易判断，因此本实验采用一个有高云的晚上进行。通过用于气溶胶测量的激光雷达可以测出云高高度约为10km，此时激光束在CCD上出现一个亮斑图像，降低望远镜的仰角，就可以获取到云层以下的激光束图像。采用的主要设备技术参数如下：

表3 系统配置参数

根据云层高度和表3的技术参数，可以计算出图2图像测量高度是在3km至9km之间。取CCD底部和顶端的像素沿水平方向的抖动进行差分计算，即可以 利用式(12)计算得出3km高度和9km两个位置的大气相干长度。为对该测量结果进行对比测量，在距离本实验100m远的位置搭建一台基于DIMM原理研制的大气相干长度测量仪。该仪器以恒星图像作为光源，实时进行大气相干长度测量。由于云层影响，相干长度测量不能持续，在21:30在21:59时间段不能得到同步测量结果。

从图5的实验结果可以看出，激光成像激光雷达测量到的r₀与大气相干长度测量到的r₀变化趋势较为一致。另外从3km与9km位置的测量结果上看，相干长度变化趋势一致。由于一次测量可以同时得到多个高度上的r₀，这为本方法进行湍流廓线测量提供了可行性。

Claims (3)

1.基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法，其特征在于：首先对激光光柱成双像，再统计双像的到达角起伏特征，最后进行湍流廓线的测量计算；具体包括以下步骤：

（1）激光发射单元：激光发射单元包括有激光器和扩束镜，激光器沿天顶方向垂直向上发射，扩束镜对激光器出射光束进行扩束后形成一束光柱；

（2）光学接收单元：光学接收单元包括有望远镜、光瞳板、光楔镜和CCD，望远镜主镜前安置光瞳板，光瞳板上安装光楔镜，CCD安装在望远镜后端；当望远镜对准激光光柱对光柱成像时，由于光楔镜的分光作用，CCD的靶面上会出现两条垂直方向的光柱图像，CCD连接上位机；

（3）CCD各个像元所成的光柱像对应不同的高度上的光柱，即采用激光光柱和激光雷达结合的方法获取了大高度范围的激光光柱图像，从而使测量系统具备大高度范围的信标光源；然后基于差分像运动法统计不同高度上的CCD图像沿水平方向的抖动，上位机软件可以获得激光光柱至成像接收面这一路径上的湍流信息，实现湍流廓线的测量。

2.根据权利要求1所述的基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法，其特征在于：所述的光瞳板采用两孔哈特曼光瞳板。

3.根据权利要求1所述的基于激光光柱的成像激光雷达测量大气光学湍流廓线的方法，其特征在于：所述的激光器可以采用连续激光器，也可以采用脉冲激光器，如果采用脉冲激光器，激光发射时需要提供触发信号给CCD。