CN105891804A - 一种多波长拉曼偏振激光分光系统及雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达装置领域，尤其是一种多波长拉曼偏振激光雷达的分光系统及雷达系统。包括，一旋转装置，所述旋转装置上以旋转装置的转轴为圆心，同心均匀设置有两个以上的分光装置；所述分光装置一一对应设置的光滤波器，用于对分光装置反射的指定波长光线进一步滤波；聚光透镜，用于将光滤波器筛选过的光线聚焦并传递至光电探测器件。本发明提供的基于多波长拉曼偏振激光雷达的分光系统，通过将一个以上的反射指定波长的反光装置设置在一旋转装置上，实现仅利用一个光电探测器件就可以接收不同波长的激光信号，简化了分光系统的结构，节省了分光系统的制作成本，同时由于减少了电子元器件，从而增加了系统的稳定性。

Description

一种多波长拉曼偏振激光分光系统及雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达装置领域，尤其是一种多波长拉曼偏振激光雷达分光系统及雷达系统。

背景技术

激光雷达（Lidar: Light detection and ranging）作为一种主动遥感探测工具，已经广泛应用于气象参数探测、环境监测等领域。作为一种高新技术，激光雷达技术实用性及应用前景越来越受到广泛的关注。

目前，针对大气温度廓线探测，激光雷达的主要方式有：（1）瑞利散射测温激光雷达、（2）振动拉曼测温激光雷达、（3）差分吸收测温雷达、（4）瑞利散射光谱法测温激光雷达、（5）转动拉曼光谱原理的转动拉曼测温激光雷达等。其中，利用转动拉曼光谱探测温度的原理主要是由于大气分子（N₂和O₂）的产生的高、低量子数转动拉曼光谱的谱线信号强度与大气温度之间存在着依赖性。自从Cooney1972年提出利用这种原理探测大气温度的原理以来，国内外在利用转动拉曼激光雷达对底层大气的温度进行探测方面取得了明显的进步，并开始逐步走向实用。

但是，由于转动拉曼散射的截面积相对于气溶胶引起的米散射和大气分子引起的瑞利散射截面积要小3-4个数量级，因此，高精度大气温度的探测一方面需要大的激光能量和望远镜接收系统，另一方面需要对强烈的米－瑞利散射信号进行10^-7个数量级以上的抑制，从而提取出微弱的转动拉曼谱线，这就要求转动拉曼测温激光雷达的分光系统具有极高的带外抑制能力和很高的光谱分辨能力。因此，设计具有高精度，高可靠性的分光系统一直是拉曼测温激光雷达技术的核心问题。目前，拉曼激光雷达的分光系统依然不能很好的实现一方面提取出微弱的转动拉曼谱线，一方面对强烈的米－瑞利散射信号进行10^-7个数量级以上的抑制的要求。

另外，由于在针对大气气溶胶光学参数（气溶胶消光系数、后向散射系数）、微物理特性（气溶胶粒子谱）、气溶胶偏振退偏比、大气水汽混合比、激光雷达比等参数进行探测时需要针对不同波长激光进行接收分析，现有的激光雷达系统中，多采用将不同波长的激光进行分光，将分光后的各路激光分别耦合入各自对应的光处理电路进行接收、分析，这造成了激光雷达系统中的分光系统及光处理电路非常复杂，不但提高了雷达系统的成本，也提高了雷达系统的故障率。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过旋转实现选择不同反光装置，进而实现对光波信号进行筛选的分光系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多波长拉曼偏振激光雷达分光系统，包括，

旋转装置，所述旋转装置上，以旋转装置的转轴为圆心，同心均匀设置有两个以上的分光装置；每个所述分光装置用于反射指定波长的光线；

进一步的，所述分光系统还包括光滤波器，所述光滤波器与分光装置数量相同，并与所述分光装置一一对应设置，其用于通过对应的分光装置反射的指定波长光线；

进一步的，所述分光系统还包括聚光透镜，用于将光滤波器筛选过的光线聚焦并传递至光电探测器件。光探测器件可选择光电倍增管或光电雪崩二极管中的一种。

进一步的，还包括偏振装置，所述偏振装置设置在光滤波器与聚光透镜之间，其与指定光滤波器配合，用于将特定波长光线偏振为水平偏振光或垂直偏振光。

进一步的，所述偏振装置为偏振分光棱镜。

进一步的，所述分光装置为分束镜（又称分光镜）。

进一步的，所述光滤波器为干涉滤光镜或光子晶体。

进一步的，所述光电探测器件为光电倍增管或光电雪崩二极管。

进一步的，所述旋转装置中包括驱动装置及上位机通信连接的控制装置，所述控制装置自上位机接收命令，并通过驱动装置驱动旋转装置旋转。

本发明同时提供一种多波长拉曼偏振激光雷达系统，包括，

脉冲激光器，用于发射指定波长激光；

准直扩束系统，用于将激光准直并发送至反射装置，所述放射装置用将激光传递至指定位置，并沿预设角度发射至大气；

望远镜，用于自大气中接收激光信号，并将该激光信号耦合入如上所述的多波长拉曼偏振激光雷达分光系统；

处理器，用于自所述多波长拉曼偏振激光雷达分光系统接收光电信号并处理分析。

进一步的，所述激光信号通过透镜及光纤耦合入所述多波长拉曼偏振激光雷达分光系统；或，

所述激光信号通过透镜及反射镜耦合入所述多波长拉曼偏振激光雷达分光系统；或，

所述激光信号通过透镜、反射镜及光纤耦合入所述多波长拉曼偏振激光雷达分光系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的基于多波长拉曼偏振激光雷达分光系统及雷达系统，通过将一个以上的反射指定波长的反光装置设置在一旋转装置上，实现仅利用一个光电探测器件就可以接收不同波长的激光信号，简化了分光系统的结构，节省了分光系统的制作成本，同时由于减少了电子元器件，从而增加了系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的分光系统具体实施例中的光线处理示意图；

图2a是本发明提供的分光系统具体实施例中分光装置在旋转装置上分布示意图；

图2b是本发明提供的分光系统另一实施例中分光装置在旋转装置上分布示意图；

图2c是本发明提供的分光系统又一实施例中分光装置在旋转装置上分布示意图；

图3是本发明提供的多波长拉曼偏振激光雷达系统具体实施例原理图；

附图标记：1-脉冲激光器；2-准直扩束系统；3-望远镜；4-分光系统；41-旋转装置；42-分光装置；43-光滤波器；44-聚光透镜；45-光电探测器件；46-反射镜；47-偏振装置（第一偏振装置或第二偏振装置）；5-处理器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：如图1所示，本实施例提供一种多波长拉曼偏振激光雷达分光系统4，包括，

旋转装置41，所述旋转装置41中包括驱动装置及上位机通信连接的控制装置，所述控制装置自上位机接收命令，并通过驱动装置驱动旋转装置41旋转。

以旋转装置41的转轴为圆心，同心均匀设置有两个以上的分光装置42；每个所述分光装置42用于反射指定波长的光线；本实施例中，所述分光装置42为分束镜，且设置有六个，分别为第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第四分束镜、第五分束镜、第六分束镜、第七分束镜、第八分束镜；其分别用于反射波长为1064nm、532nm、532nm、355nm、530.6nm、528.8nm、660nm、607nm的光线。

光滤波器43，所述光滤波器43与分光装置42数量相同，并与所述分光装置42一一对应设置（即，第一光滤波器与第一分束镜对应设置、第二光滤波器与第二分束镜对应设置、第三光滤波器与第三分束镜对应设置、第四光滤波器与第四分束镜对应设置、第五光滤波器与第五分束镜对应设置、第六光滤波器与第六分束镜对应设置、第七光滤波器与第七分束镜对应设置、第八光滤波器与第八分束镜对应设置），所述光滤波器43可选择与对应的分光装置42直接固定连接或者间接固定连接（间接固定连接只两者之前存在一定间隙，但两者相对位置固定设置）；其用于接收对应的分光装置42反射的指定波长光线并进一步对其进行过滤；本实施例中所述光滤波器43选用干涉滤光镜或光子晶体，应注意的是，一个光滤波器43中，可以包含一个以上的干涉滤光镜或光子晶体，在同一光滤波器43中的干涉滤光镜或光子晶体的中心波长相同。当光滤波器43中的干涉滤光镜或光子晶体数量为2个以上时，可以更加有效地提高光滤波器43对指定波长光的滤波效果。图1仅用于对光线路径进行示意，其并未显示所有可视的分光装置42及光滤波器43，而是仅显示了部分分光装置42及光滤波器43。

聚焦透镜44，用于将光滤波器43筛选过的光线聚焦并传递至光电探测器件45。

使用时，光线可透过一光纤或反射镜46或以透镜传至分光装置42，如图1所示，本实施例中，所述待测试光线为通过一反射镜46反射至分光装置42处，控制器向选装装置中的控制装置发送控制指令，将指定的分光装置42旋转至与聚焦透镜44对齐位置，如，当需要接收1064nm波长的光线时，将第一分束镜旋转至与聚焦透镜44对齐位置，此时光线自反射镜46反射至第一分束镜，第一分束镜将1064nm波长光线反射至第一光滤波器，经过第一光滤波器滤波后，光线经聚焦透镜44准直，传递至光电探测器件45处；而当需要接收607nm波长的光线时，将第八分束镜旋转至与聚焦透镜44对齐位置，第八分束镜将传自反射镜46的光线中的607nm波长的光线经第八光滤波器滤波照射至聚焦透镜44，传递至光电探测器件45处。

具体的，所示旋转装置41可以是如图2a（图2a可以认为是图1的俯视图或仰视图）所示的圆盘，也可以是如图2b、图2c所示的可以旋转的支撑体或圆环；两个以上的分光装置42可根据旋转装置41结构的不同，选择设置在旋转装置41的不同位置上，如当旋转装置41为圆盘时，两个以上的分光装置42可以设置在圆盘的下表面或上表面；而当旋转装置41为图2b所示的结构时，分光装置42可以设置在旋转装置41支撑杆端头；当旋转装置41为如图2c所示的结构时，分光装置42可设置在圆环下端或上端；同样的道理，不管旋转装置41的具体结构如何，只要两个以上的分光装置42可以同心设置，即可实现本发明的发明目的。

进一步的，由于需要同时利用532nm的激光光线的米散射水平偏振信号和垂直偏振信号进行反演偏振退偏比，因此本实施例中，第二分束镜、第三分束镜为相同的分束镜，其同样用于将532nm光线反射至对应的光滤波器43，不同点在于，在第二分束镜对应的第二光滤波器另一侧以及对第三分束镜对应的第三光滤波器另一侧均设置有一偏振装置，其中，在第二分束镜对应的第二光滤波器另一侧设置有第一偏振装置，第三分束镜对应的第三光滤波器另一侧设置有第二偏振装置，所述第一偏振装置用于将经过第二光滤波器的532nm光信号偏振为水平偏振光；同样的，所述第二偏振装置用于将经过第三光滤波器的532nm光信号偏振为垂直偏振光；这样，在设置有第一偏振装置的第二分束镜、第二光滤波器组合旋转至与聚焦透镜44对齐位置时，所述光电探测器件45接收到的是532nm光信号的水平偏振信号（532nm(P)）；而当设置有第二偏振装置的第三分束镜、第三光滤波器组合旋转至与聚焦透镜44对齐位置是，所述光电探测器件45接收到的是532nm光信号的垂直偏振信号（532nm(S)）。

本实施例中，第一分束镜、第二分束镜及第三分束镜分别反射的1064nm、532nm（P）、532nm（S）、355nm为三个波长光信号为米散射信号，即，第一分束镜、第一光滤波器组合、第二分束镜、第二光滤波器、第一偏振装置组合、第三分束镜、第三光滤波器、第二偏振装置组合及第四分束镜、第四光滤波器组合分别与聚焦透镜44对齐时，光电探测器件45接收到的信号是用于反演气溶胶粒子谱； 其中，两个532nm（P）、532nm（S）波长信号分别为米散射的水平和垂直偏振信号，用于反演偏振退偏比；而第五分束镜、第六光滤波器组合对准聚焦透镜44时，光电探测器件45接收到的530.6nm波长光信号为氮气、氧气的转动拉曼散射低量子数信号；第六分束镜、第六光滤波器组合对齐聚焦透镜44时，光电探测器件45接收到的528.8nm波长光信号为氮气、氧气的转动拉曼高量子数信号，其与转动拉曼散射低量子数信号相比后，可以反演大气温度廓线；而第七分束镜、第七光滤波器组合对准聚焦透镜44时，光电探测器件45接收到的660nm波长光信号为水汽的振动拉曼散射，可用于反演大气水汽混合比；第八分束镜、第八光滤波器组合对齐聚焦透镜44时，光电探测器件45接收到的607nm波长光信号为氮气的振动拉曼信号，可以用于反演激光雷达比。因此，本系统可以用于同步探测大气气溶胶光学参数（气溶胶消光系数、后向散射系数）、微物理特性（气溶胶粒子谱）、气溶胶偏振退偏比、大气温度、大气水汽混合比、激光雷达比等参数。

应注意的是，本实施例中，反射镜46、聚焦透镜44及光电探测器件45的位置相对固定，通过将反射特定波长的分光装置42旋转至与聚焦透镜44对齐的位置实现对不同波长光线的接收，但是在另外一些实施例中，也可以选择将光接收装置（如望远镜3）聚焦透镜44及光电探测器件45旋转（或移动），而将可以反射特定波长的分光装置42位置相对固定的方式实现同样的功能，该实施方式应被认为是本发明的变形。

实施例2：如图3所示，本实施例提供一种多波长拉曼偏振激光雷达系统，包括，

脉冲激光器1，用于发射指定波长激光；

准直扩束系统2，用于将激光准直并发送至反射装置，所述放射装置用将激光传递至指定位置，并沿预设角度发射至大气；

望远镜3，用于自大气中接收激光信号，并将该激光信号耦合入如实施例1所述的多波长拉曼偏振激光雷达分光系统4；

处理器5，用于自所述多波长拉曼偏振激光雷达分光系统4接收光电信号并处理分析。

进一步的，所述激光信号通过透镜及光纤耦合入所述多波长拉曼偏振激光雷达分光系统4；或，

所述激光信号通过透镜及反射镜46耦合入所述多波长拉曼偏振激光雷达分光系统4；或，

所述激光信号通过透镜、反射镜46及光纤耦合入所述多波长拉曼偏振激光雷达分光系统4。

本实施例中电源为高压电源，当光电探测器件45为光电倍增管（PMTphotomultiplier tube）时，高压电源为其提供负高压，供压范围为500V-1200V，当光电探测器件45为光电雪崩二极管（APD）时，所述电源为其提供正高压，高压范围为180V-280V。光电倍增管输出的微电流信号经过高增益、低噪声、高输入阻抗、低输出阻抗的运算放大器进行放大，由处理器5进行进一步分析处理。

Claims (10)

1.一种多波长拉曼偏振激光雷达分光系统，其特征在于：包括，

旋转装置，所述旋转装置上，以旋转装置的转轴为圆心，同心均匀设置有两个以上的分光装置；每个所述分光装置用于反射指定波长的光线。

2.如权利要求1所述的分光系统，其特征在于：还包括

光滤波器，所述光滤波器与分光装置数量相同，并与所述分光装置一一对应设置，其用于通过对应的分光装置反射的指定波长光线。

3.如权利要求2所述的分光系统，其特征在于：还包括

聚光透镜，用于将光滤波器筛选过的光线聚焦并传递至光电探测器件。

4.如权利要求3所述的分光系统，其特征在于，还包括偏振装置，所述偏振装置设置在光滤波器与聚光透镜之间，其与指定光滤波器配合，用于将特定波长光线偏振为水平偏振光或垂直偏振光。

5.如权利要求4所述的分光系统，其特征在于，所述偏振装置为偏振分光棱镜。

6.如权利要求1所述的分光系统，其特征在于，所述分光装置为分束镜。

7.如权利要求2所述的分光系统，其特征在于，所述光滤波器为干涉滤光镜或光子晶体。

8.如权利要求3所述的分光系统，其特征在于，所述光电探测器件为光电倍增管或光电雪崩二极管。

9.如权利要求1所述的分光系统，其特征在于，所述旋转装置中包括驱动装置及上位机通信连接的控制装置，所述控制装置自上位机接收命令，并通过驱动装置驱动旋转装置旋转。

10.一种多波长拉曼偏振激光雷达系统，其特征在于，包括，

脉冲激光器，用于发射指定波长激光；

准直扩束系统，用于将激光准直并发送至反射装置，所述反射装置用将激光传递至指定位置，并沿预设角度发射至大气；

望远镜，用于自大气中接收激光信号，并将该激光信号耦合入如权利要求1至9任一项所述的多波长拉曼偏振激光雷达分光系统；

处理器，用于自所述多波长拉曼偏振激光雷达分光系统接收光电信号并处理分析。