CN105785341A - 一种提高回波动态范围的新型双通道激光雷达接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高回波动态范围的新型双通道激光雷达接收系统，由扩束镜与后续光路组成的同轴接收单元负责近场距离回波信号的接收检测，由另一个大口径望远镜与后续光路组成的旁轴接收单元负责远场距离回波信号的接收检测，然后将两个通道的信号曲线在重复区域拼接，获得完整的回波波形。本发明增大了回波信号的动态范围，能有效增强承载该接收系统的激光雷达系统的探测能力。

Description

一种提高回波动态范围的新型双通道激光雷达接收系统

技术领域

本发明涉及激光雷达测量领域，尤其是一种同时采用同轴和旁轴两种方式的全波形激光雷达接收系统。

背景技术

激光雷达是以发射激光束来探测目标特征量的雷达系统，目前已成为探测大气成分及其垂直分布的最有效的手段之一。发射机发出超短激光脉冲(5-200ns)，进入大气后在行进的过程中不断与大气中的待测物质(分子或微小颗粒)发生相互作用，其后向Raman散射，后向Mie散射，后向Rayleigh散射，可作为回波信号被望远镜接收，由光电探测器检测变成光电流，进而转换成电压信号，送给模数转换器件(ADC)以便于后续的信号处理与反演工作。

下式公式1为一般激光雷达方程:

$P_r\left(R\right)=K\mathrm{\β}\left(R\right)ex\[p-2{\∫}_0^R\mathrm{\α}\left(r\right)dr\]/R^2---\left(1\right)$

P_r(R)是回波信号功率，K是激光系统的常数，决定于发射能量，望远镜有效面积，光学系统透过率，β(R)后向散射系数，α(r)消光系数(衰减系数)。从公式中可以看出，随着激光脉冲行进高度增加(距离递增)，信号随之衰减，且P_r(R)与激光脉冲到达高度(距离)R的平方成反比。因此，近处的回波信号(强)与远处的回波信号(弱)之间的幅度差别会很大，甚至可能相差5-6个数量级，如图2所示。如果是同轴收发激光雷达系统，一般的光电探测器很难在这样宽的动态范围下还能保持良好的线性输出特性(电压与接收光功率成正比)，所以需要采取一些其它措施来保证输出。

针对旁轴收发激光雷达系统，引入“几何重叠因子O(R)”，表示距离为R处后向散射光进入探测器的比例，如图1。则雷达方程可改写为：

$P_r\left(R\right)=KO\left(R\right)\mathrm{\β}\left(R\right)ex\[p-2{\∫}_0^R\mathrm{\α}\left(r\right)dr\]/R^2---\left(2\right)$

其中0.0≤O(R)≤1.0。为了获得探测器的良好输出，需要信号的动态范围不能过大，通常的做法是将发射光轴与接收光轴拉开适当的距离。由于激光的发散角与望远镜的视场角都比较小，这就使得最近场的强散射信号不会进入接收视场(几何重叠因子等于零，称之为盲区)；随着距离的增加，两个视场逐渐开始相交，稍近场强信号部分进入接收视场(几何重叠因子介于0～1.0，并逐渐增大)；到特定高度之后，发射视场完全进入接收视场(几何重叠因子等于1.0)，则此高度之后的回波会被望远镜完全接收。这样压缩了回波信号的动态范围，使得最强信号与最弱信号的比值不至于太大，能够获得良好的输出，如图3。

这种做法通过增加近场盲区、减小近场接收视场和发射视场的重叠因子来达到衰减近场信号强度、实现压缩信号强度的动态范围。它有明显的缺点:盲区的存在牺牲了近场信号，失去了近距离(近地面)信息，比如大气边界层以下水汽、气溶胶等重要信息。因此，如何弥补这一缺点，正是本发明所要解决的核心问题。

发明内容

本发明旨在提出一种提高回波动态范围的新型双通道激光雷达接收系统，这样做的目的在于提高激光雷达回波的动态范围又不失精度，提升探测能力以及减小测量盲区。

所述激光雷达接收系统包括同轴接收单元和旁轴接收单元。在继承经典旁轴激光雷达收发结构的同时，增加复用扩束器的同轴收发通道，把用作扩束器的小口径发射镜筒变成双重身份的光学器件，一方面继续担当扩束器，将发射激光的发散角变小，另一方面用作小口径望远镜，接收近场距离的大气散射回波信号，由于该镜筒口径较小，根据公式2可以得知通过其获得的大气散射回波信号也会较小，便于探测；大口径镜筒采用旁轴工作方式，只作为望远镜，接收远场距离的大气散射回波，它的光轴与发射光轴平行并且分开一定的距离，在近处有一段盲区，不会接收到近场过强的回波信号。

所述激光雷达接收系统的同轴接收单元由扩束器，四分之一波片，偏振分束片，滤光片组，同轴会聚透镜，近场探测器构成。线偏振激光经过偏振分束片反射，透过四分之一波片后变成圆偏振激光射入大气，与待测物质作用后的回波信号会变为旋转方向相反的圆偏振光并沿着发射光路返回，被扩束镜收集，经过四分之一波片变为与激光器出射激光偏振方向垂直的线偏振光，可以透过偏振分束片，经过滤光片组后会聚在近场探测器的探测面上。由于复用了扩束器，与激光发射光路完全同轴，为了防止发射脉冲激光窜入接收通道而使得近场探测器发生饱和、甚至烧坏，要对偏振分束片合理镀膜，同时对探测器的工作电压设置延时门控。由激光器调Q信号触发探测器门控电路产生一个延时脉冲，将激光发射脉冲的时间置于这个延时脉冲时间内，在此期间，探测器的工作电压置零或置负值，高压工作电源(雪崩二极管300-400V电压源或光电倍增管9000-14000V电压源)只有在延时脉冲结束之后才加到探测器上。

所述激光雷达接收系统的旁轴接收单元由望远镜，光阑，场镜，旁轴干涉滤光片，旁轴会聚透镜，远场探测器构成，望远镜光轴与发射激光光轴采取旁轴放置的方式。由公式1可以看到，望远镜口径与接收到的回波功率成正比，因此为了接收到远场信号，此处选取大口径望远镜。远场回波经望远镜接收后，由会聚光路会聚到远场探测器探测面上。

在双光轴、双通道模式工作时，两个通道的接收视场在一定高度范围内须有重叠区域，以便于在信号预处理中将两个通道的回波信号即回波垂直分布曲线按高度(距离)在重叠区域融合衔接在一起，构成由远及近的完整回波强度波形。

附图说明

图1发射光轴与接收光轴平行而分开收发视场的重叠情况示意图(φ>θ，接收视场总是大于发射视场)。

图2模拟的激光雷达回波功率随散射体(激光路经的某大气体积单元)高度变化的曲线。

图3回波相对强度P_r(R)的动态范围被重叠因子O(R)压缩而近地面区域存在盲区的示意图。

图4本发明的一个具体实施方式示意图。图中标号:1-脉冲激光器、2-望远镜、3-扩束器、4-四分之一波片、5-偏振分束片、6-中性密度滤光片、7-同轴干涉滤光片、8-同轴会聚透镜、9-近场探测器、10-调Q触发信号、11-高压电源、12-门控延时、13-光阑、14-场镜、15-旁轴干涉滤光片、16-旁轴会聚透镜、17-远场探测器、18-反射镜组成。

具体实施方式

图4所示为所述激光雷达接收系统用于激光雷达系统的实例。脉冲激光器1发射线偏振激光脉冲，脉冲宽度在1ns-200ns范围，偏振分束片5与入射光轴成45°角安置，围绕工作平面的法线旋转偏振分束片，使其偏振方向与发射激光的偏振方向匹配，发射光束被偏振分束片5全反射，旋转四分之一波片4，使波片晶体的光轴与入射光束的偏振方向成45°角，线偏振的发射光束穿过四分之一波片4之后变成圆偏振光束，圆偏振光束通过扩束器3，发散角随之减小，束径增大，最终进入大气的光束的发散角小于望远镜2的接收视场角(全角)。

在激光经过的大气路径都有后向散射回波，并且回波是旋转方向与入射大气激光相反的圆偏振光。近场的散射回波返回扩束器3，再次穿过四分之一波片4时，被还原成线偏振态，且偏振方向与激光器1出射激光的偏振方向垂直，因此它不被偏振分束片5反射，而是透过偏振分束片5，再穿过由中性密度滤光片6和同轴干涉滤光片7组成的滤光片组，被同轴会聚透镜8会聚到近场探测器9上。

远场信号由大口径望远镜2接收，经过光阑13，场镜14，反射镜18，旁轴干涉滤光片15，由旁轴会聚透镜16会聚到远场探测器17上。

为同轴接收单元的探测电路设置门控延时12，延时时间略大于激光脉冲宽度，门控延时12由激光器的调Q触发信号10触发，在门控延时12的延时时间内，近场探测器9的高压电源11将与近场探测器9断开，近场探测器9上的工作电压被置为零或负值；当门控延时12结束后，电源高压11恢复接入近场探测器9。

以上所述仅为本发明用于激光雷达系统的一种具体实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，因此本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种提高回波动态范围的新型双通道激光雷达接收系统，包括同轴接收单元和旁轴接收单元，其特征在于：

所述的同轴接收单元包括扩束器(3)，四分之一波片(4)，偏振分束片(5)，由中性密度滤光片(6)和同轴干涉滤光片(7)构成的滤光片组，同轴会聚透镜(8)，近场探测器(9)，所述的旁轴接收单元包括望远镜(2)，光阑(13)，场镜(14)，反射镜(18)，旁轴干涉滤光片(15)，旁轴会聚透镜(16)，远场探测器(17)；

同轴接收单元中：圆偏振激光与待测物质作用后的近场距离回波信号沿着发射光路返回，被扩束镜(3)收集，经四分之一波片(4)与偏振分束片(5)后与发射光路分离，经由中性密度滤光片(6)和同轴干涉滤光片(7)构成的滤光片组及同轴会聚透镜(8)被近场探测器(9)接收；

旁轴接收单元中：激光与待测物质作用后的远场距离回波信号被望远镜(2)收集，经光阑(13)，场镜(14)，反射镜(18)，旁轴干涉滤光片(15)及旁轴会聚透镜(16)后被远场探测器(17)接收；

两个单元的探测器接收到的回波信号即回波垂直分布曲线按高度或者距离在重叠区域融合衔接在一起，构成由远及近的完整回波强度波形。