CN106569228A - Ccd侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置，包括：半导体YAG激光器，发射线偏振激光脉冲光束；激光扩束器，扩展线偏振激光脉冲光束的直径，减小线偏振激光脉冲光束的发散角；广角CCD探测器，接收大气粒子的侧向散射回波信号；可旋转偏振器，使其透振方向平行于或垂直于半导体YAG激光器所发射的线偏振激光脉冲光束的偏振方向，获得相应偏振方向条件下大气粒子的侧向散射分量；三脚架，用于固定安装广角CCD探测器。本发明还公开了CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置的探测方法。本发明适用于近地面、机载或者星载载荷系统测量，操作更为简便，测量结果更加准确可靠。

Description

CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置及方法

技术领域

本发明涉及大气光学和环境监测技术领域，尤其是一种CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置及方法。

背景技术

大气气溶胶退偏振度是反映气溶胶粒子形状最直接的物理参量，也是判断大气中沙尘粒子或卷云等颗粒分布最有效的物理和光学手段。当一束线偏振光照射到大气气溶胶粒子上时，其中的球形粒子的散射光不会改变激光的偏振方向，而非球形粒子的散射光的偏振特性发生改变即产生退偏振。有时候人们更关心气溶胶退偏振度的廓线分布信息，尤其在沙尘频发、灰霾现象日益严重的今天，人们对于大气气溶胶粒子成分分布更为关注。

目前，有的用单点取样气溶胶粒子来测量其退偏振度，该方法需要事先准备气溶胶取样容器，而容器取样气溶胶缺少普遍性甚至可能改变粒子组份和形状；也有早先提出利用偏振微脉冲激光雷达系统，通过采集与激光发射偏振方向平行和垂直两个方向的后向回波信号，得到气溶胶退偏振度廓线。众所周知，所有的后向散射激光雷达都不可避免的存在几何因子和系统盲区，在雷达近端接近几百米的区域其测量结果存在较大的误差。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种可以对大气中冰晶、卷云以及沙尘等非球形粒子的分布进行高精度高空间分辨率的测量的CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置，包括：

半导体YAG激光器，发射线偏振激光脉冲光束，经激光扩束器垂直发射至大气中，被路径上分布的气溶胶球形、非球形粒子向各个方向散射；

激光扩束器，安装在半导体YAG激光器的出光口位置处，用于扩展线偏振激光脉冲光束的直径，减小线偏振激光脉冲光束的发散角；

广角CCD探测器，接收大气粒子的侧向散射回波信号；

可旋转偏振器，位于广角CCD探测器的镜头前，可旋转偏振器的透振方向平行于或垂直于半导体YAG激光器所发射的线偏振激光脉冲光束的偏振方向，获得相应偏振方向条件下大气粒子的侧向散射分量；

三脚架，用于固定安装广角CCD探测器。

所述半导体YAG激光器采用脉冲激光器，其波长为532nm，单脉冲能量大于1000mJ，脉冲重复频率20Hz。

所述激光扩束器为3倍光学扩束。

所述广角CCD探测器采用具有单光子探测能力的EMCCD相机，其采样位数为16位，像素大小为1392×1040；所述广角CCD探测器的镜头为广角镜头，其视场角大于100度；所述广角CCD探测器的镜头内设有滤光片和衰减片，滤光片的中心波长为532nm，带宽为1nm。

所述可旋转偏振器由偏振器和一个可360度自由旋转的旋转支架组成，所述偏振器安装在所述旋转支架上。

所述三脚架包含一个可二维扫描旋转的云台。

本发明的另一目的在于提供一种CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置的探测方法，该方法包括下列操作步骤：

(1)半导体YAG激光器开机预热30分钟，利用激光扩束器将光斑扩束同时减小发散角后垂直入射到大气中；

(2)固定安装广角CCD探测器，使其与半导体YAG激光器之间的水平距离为D，将广角CCD探测器的镜头面向激光光柱，仰角调至θ，这里θ表示广角CCD探测器每个像元的仰角，即与水平方向的夹角，对半导体YAG激光器发射的整个激光光柱进行成像，将半导体YAG激光器的调Q输出信号给广角CCD探测器施以同步控制，即遇到调Q脉冲的上升沿时，广角CCD探测器的快门打开进行采集，采集时间为t；

(3)旋转位于广角CCD探测器镜头前的可旋转偏振器，使其透振方向平行于激光光源的偏振方向，连续采集N个激光脉冲并将数据累加保存，记为P_//(θ)，然后将可旋转偏振器旋转90度即旋转至和激光光源偏振方向相垂直的位置，再连续采集N个脉冲累加保存，记为P_⊥(θ)；

(4)关闭激光光源，采集N×t时长的背景信号P_g(θ)，分别被上述两个偏振方向采集的信号减去，得到去除背景之后的有效平行分量和垂直分量分别为：P′_//(θ)＝P_//(θ)-P_g(θ)，P′_⊥(θ)＝P_⊥(θ)-P_g(θ)，根据退偏振度定义式得到大气退偏振度随仰角θ的变化满足：然后根据θ和高度z的一一对应关系，即可得到退偏振度廓线分布信息，z表示激光发射端距待测气溶胶粒子的垂直距离。

根据米散射偏振激光雷达方程以及气溶胶角散射理论，广角CCD探测器每个像元的立体角对应的气溶胶粒子群在两个偏振方向的侧向散射分量满足如下关系式：

其中，下角标//,⊥分别表示与激光线偏振方向平行和垂直的两个方向，P₀表示半导体YAG激光器的发射光功率，C₁,C₂分别表示平行、垂直的两个偏振方向上的系统常数，β_//(θ),β_⊥(θ)表示仰角为θ的像元对应的平行和垂直两个方向上气溶胶粒子的侧向散射系数，z表示激光发射端距待测气溶胶粒子的垂直距离，r表示广角CCD探测器距待测气溶胶粒子的斜程距离，σ_//,σ_⊥表示平行和垂直两个偏振方向上气溶胶粒子的消光系数；

将(2)式除以(1)式，得到

对于随机取向的气溶胶粒子，满足σ_⊥(r)＝σ_//(r)，由于系统对应的平行和垂直两个通道参数完全一致，因此有C₂＝C₁，带入(3)式，由此得到大气退偏振度表达式为：

根据几何关系z＝Dtanθ，进一步得到δ(z)，即大气退偏振度的高度廓线。

由上述技术方案可知，本发明首次提出利用广角CCD测量大气退偏振度廓线技术，与传统探测气溶胶和卷云偏振特性的后向散射激光雷达相比，本发明有效地克服了后者因雷达几何因子和系统盲区的存在而导致的近端测量存在较大误差，而且具有更高的空间分辨率，最高小于1米，将平行和垂直分量的回波信号求和便得到总的侧向散射回波信息，具备一般CCD侧向激光雷达系统的测量功能，适用于近地面、机载或者星载载荷系统测量，操作更为简便，测量结果更加准确可靠。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明中像元成像的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置，包括：半导体YAG激光器1，发射线偏振激光脉冲光束，经激光扩束器2垂直发射至大气中，被路径上分布的气溶胶球形、非球形粒子向各个方向散射；激光扩束器2，安装在半导体YAG激光器1的出光口位置处，保证线偏振激光脉冲光束全部垂直入射到其入射筒上，用于扩展线偏振激光脉冲光束的直径，减小线偏振激光脉冲光束的发散角，因为被扩束光束的发散角和扩束比成反比变化；广角CCD探测器3，接收大气粒子的侧向散射回波信号；可旋转偏振器4，位于广角CCD探测器3的镜头前，可旋转偏振器4的透振方向平行于或垂直于半导体YAG激光器1所发射的线偏振激光脉冲光束的偏振方向，获得相应偏振方向条件下大气粒子的侧向散射分量，利用关系式：退偏振度＝垂直方向的偏振分量/平行偏振方向分量，从而得到大气退偏振度廓线分布信息；三脚架5，用于固定安装广角CCD探测器3。

如图1所示，所述半导体YAG激光器1采用脉冲激光器，其波长为532nm，单脉冲能量大于1000mJ，脉冲重复频率20Hz。所述激光扩束器2为3倍光学扩束。所述广角CCD探测器3采用具有单光子探测能力的EMCCD相机，其采样位数为16位，像素大小为1392×1040，与同样具有单光子探测能力的ICCD相机相比，EMCCD相机具有几大优点：空间分辨率高、峰值量子转换效率高、对暗电流等噪声抑制效果更好以及适宜在背景较强的白天进行信号探测等。所述广角CCD探测器3的镜头为广角镜头，其视场角大于100度，从而保证当广角CCD探测器3被调整到一定仰角时对半导体YAG激光器1发射的整个激光光柱全部进行成像，从而保证大气退偏振度测量总高度达几千米甚至几十千米。所述三脚架5包含一个可二维扫描旋转的云台，用于支撑广角CCD探测器3并将其精确的进行水平和俯仰的角度定位。

如图1所示，所述广角CCD探测器3的镜头内设置有滤光片和衰减片，滤光片的中心波长为532nm，带宽为1nm，用于滤除侧向散射回波信号中带宽以外的杂散光，提高信噪比；衰减片将接收到的侧向散射回波信号整体衰减，尤其是白天进行探测时防止广角CCD探测器3的信号饱和。所述可旋转偏振器4由偏振器和一个可360度自由旋转的旋转支架组成，所述偏振器安装在所述旋转支架上，激光光源发出的线偏振光经过不同形状的气溶胶粒子散射后偏振特性发生了部分变化，旋转支架改变偏振器的透振方向，分别让与发射激光光束偏振方向相平行和垂直方向的侧向散射分量透射到达广角CCD探测器3。为了进一步提高信噪比，尤其保证白天强背景条件下的信号采集，利用半导体YAG激光器1的调Q脉冲给广角CCD探测器3施以触发信号并进行同步采集，而在脉冲间歇广角CCD探测器3处于暂停状态。

本探测方法包括下列操作步骤：

(1)半导体YAG激光器1开机预热30分钟左右，保证能量和光束质量达到稳定状态，利用激光扩束器2将光斑扩束同时减小发散角后垂直入射到大气中，与分布在大气中不同形状的气溶胶粒子相互作用而向各个方向散射，其中的球形粒子的散射光不改变入射激光的偏振方向，而非球形粒子的散射光改变入射激光的偏振方向，从而产生不同于入射激光偏振方向的分量即产生激光退偏振；

(2)固定安装广角CCD探测器3，使其与半导体YAG激光器1之间的水平距离为D，将广角CCD探测器3的镜头面向激光光柱，仰角调至θ，θ表示广角CCD探测器3每个像元的仰角即与水平方向的夹角，对半导体YAG激光器1发射的整个激光光柱进行成像，将半导体YAG激光器1的调Q输出信号给广角CCD探测器3施以同步控制，即遇到调Q脉冲的上升沿时，广角CCD探测器3的快门打开进行采集，采集时间为t，采集时间t略大于激光脉宽且远小于激光脉冲时间间隔；广角CCD探测器3采集的像素灰度值的大小代表了不同高度位置处球形和非球形粒子的侧向散射偏振分量，这些参量与气溶胶侧向角散射系数、粒子形状和粒子谱分布等物理量密切相关；

(3)旋转位于广角CCD探测器3镜头前的可旋转偏振器4，使其透振方向平行于激光光源的偏振方向，连续采集N个激光脉冲并将数据累加保存，记为P_//(θ)，然后将可旋转偏振器4旋转90度即旋转至和激光光源偏振方向相垂直的位置，再连续采集N个脉冲累加保存，记为P_⊥(θ)；为了提高整个系统的信噪比，避免激光脉冲间隙时间段采集大量的冗余背景信号，通过半导体YAG激光器1的调Q开关，对广角CCD探测器3施以同步时序控制，即每当半导体YAG激光器1触发出光时，广角CCD探测器3开始采集，其曝光时间设置略大于激光脉宽而远小于脉冲时间间隔，随后广角CCD探测器3暂停工作，直到下一个调Q触发到来时再继续采集；

(4)关闭激光光源，采集N×t时长的背景信号P_g(θ)，分别被上述两个偏振方向采集的信号减去，得到去除背景之后的有效平行分量和垂直分量分别为：P′_//(θ)＝P_//(θ)-P_g(θ)，P′_⊥(θ)＝P_⊥(θ)-P_g(θ)，根据退偏振度定义式得到大气退偏振度随仰角θ的变化满足：然后根据θ和高度z的一一对应关系，即可得到退偏振度廓线分布信息，z表示激光发射端距待测气溶胶粒子的垂直距离。

不同高度上大气退偏振度与广角CCD探测器3每个像元的测量结果一一对应，具体的大气退偏振度廓线计算方法如下：

根据米散射偏振激光雷达方程以及气溶胶角散射理论，广角CCD探测器3每个像元的立体角对应的气溶胶粒子群在两个偏振方向的侧向散射分量满足如下关系式：

其中，下角标//,⊥分别表示与激光线偏振方向平行和垂直的两个方向，P₀表示半导体YAG激光器1的发射光功率，C₁,C₂分别表示平行、垂直的两个偏振方向上的系统常数，β_//(θ),β_⊥(θ)表示仰角为θ的像元对应的平行和垂直两个方向上气溶胶粒子的侧向散射系数，z表示激光发射端距待测气溶胶粒子的垂直距离，r表示广角CCD探测器3距待测气溶胶粒子的斜程距离，σ_//,σ_⊥表示平行和垂直两个偏振方向上气溶胶粒子的消光系数；

将(2)式除以(1)式，得到

对于随机取向的气溶胶粒子，满足σ_⊥(r)＝σ_//(r)，由于系统对应的平行和垂直两个通道参数完全一致，因此有C₂＝C₁，带入(3)式，由此得到大气退偏振度表达式为：

根据几何关系z＝Dtanθ，进一步得到δ(z)，即大气退偏振度的高度廓线。

在数据处理过程中，将采集得到的与发射激光线偏振方向分别平行和垂直两个方向的偏振分量，分别减去背景信号，并分别将多幅图像累加，有利于提高信噪比，使的测量结果更加精确可靠。长时间连续采集处理，可得到大气退偏振度廓线的时间演化信息，进而可以得到大气退偏振度的昼夜时-空间演化。

结合图2，具体分析下CCD每个像元成像的过程，研究仰角为θ的像元，其视场角dθ对应的待测气溶胶粒子的高度区域为dz，斜程距离为r，不难看出D,z,θ满足z＝Dtanθ，所以dz＝Dsec²θdθ，这样就把垂直高度z和不同仰角位置θ的像元建立了一一对应关系。

在地基测量中，本系统可以克服常规偏振微脉冲激光雷达在几何因子和系统盲区内无法准确测量的不足，高精度高空间分辨率地获得气溶胶退偏振度廓线分布，进一步对灰霾、沙尘等特殊天气条件下气溶胶成分进行分析研究；对机载和星载系统，本系统以其结构简单易操作的优势，可准确的获得卷云、冰晶以及高空沙尘粒子的垂直分布信息等，具有重要工程意义和科学价值。

综上所述，本发明首次提出利用广角CCD测量大气退偏振度廓线技术，与传统探测气溶胶和卷云偏振特性的后向散射激光雷达相比，本发明有效地克服了后者因雷达几何因子和系统盲区的存在而导致的近端测量存在较大误差，而且具有更高的空间分辨率，最高小于1米，将平行和垂直分量的回波信号求和便得到总的侧向散射回波信息，具备一般CCD侧向激光雷达系统的测量功能，适用于近地面、机载或者星载载荷系统测量，操作更为简便，测量结果更加准确可靠。

Claims (8)

1.一种CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置，其特征在于：包括：

半导体YAG激光器，发射线偏振激光脉冲光束，经激光扩束器垂直发射至大气中，被路径上分布的气溶胶球形、非球形粒子向各个方向散射，其中的球形粒子的散射光不改变入射激光的偏振方向，而非球形粒子的散射光改变入射激光的偏振方向，从而产生不同于入射激光偏振方向的分量即产生激光退偏振；

激光扩束器，安装在半导体YAG激光器的出光口位置处，用于扩展线偏振激光脉冲光束的直径，减小线偏振激光脉冲光束的发散角；

广角CCD探测器，接收大气粒子的侧向散射回波信号；

可旋转偏振器，位于广角CCD探测器的镜头前，可旋转偏振器的透振方向平行于或垂直于半导体YAG激光器所发射的线偏振激光脉冲光束的偏振方向，获得相应偏振方向条件下大气粒子的侧向散射分量；

三脚架，用于固定安装广角CCD探测器。

2.根据权利要求1所述的CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置，其特征在于：所述半导体YAG激光器采用脉冲激光器，其波长为532nm，单脉冲能量大于1000mJ，脉冲重复频率为20Hz。

3.根据权利要求1所述的CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置，其特征在于：所述激光扩束器为3倍光学扩束。

4.根据权利要求1所述的CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置，其特征在于：所述广角CCD探测器采用具有单光子探测能力的EMCCD相机，其采样位数为16位，像素大小为1392×1040；所述广角CCD探测器的镜头为广角镜头，其视场角大于100度；所述广角CCD探测器的镜头内设有滤光片和衰减片，滤光片的中心波长为532nm，带宽为1nm。

5.根据权利要求1所述的CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置，其特征在于：所述可旋转偏振器由偏振器和一个可360度自由旋转的旋转支架组成，所述偏振器安装在所述旋转支架上。

6.根据权利要求1所述的CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置，其特征在于：所述三脚架包括一个可二维扫描旋转的云台。

7.一种如权利要求1所述的CCD侧向激光雷达的大气退偏振度廓线探测装置的探测方法，该方法包括下列操作步骤：

(1)半导体YAG激光器开机预热30分钟，利用激光扩束器将光斑扩束同时减小发散角后垂直入射到大气中；

(2)固定安装广角CCD探测器，使其与半导体YAG激光器之间的水平距离为D，将广角CCD探测器的镜头面向激光光柱，仰角调至θ，这里θ表示广角CCD探测器每个像元的仰角，即与水平方向的夹角，对半导体YAG激光器发射的整个激光光柱进行成像，将半导体YAG激光器的调Q输出信号给广角CCD探测器施以同步控制，即遇到调Q脉冲的上升沿时，广角CCD探测器的快门打开进行采集，采集时间为t；

(3)旋转位于广角CCD探测器镜头前的可旋转偏振器，使其透振方向平行于激光光源的偏振方向，连续采集N个激光脉冲并将数据累加保存，记为P_//(θ)，然后将可旋转偏振器旋转90度即旋转至和激光光源偏振方向相垂直的位置，再连续采集N个脉冲累加保存，记为P_⊥(θ)；

(4)关闭激光光源，采集N×t时长的背景信号P_g(θ)，分别被上述两个偏振方向采集的信号减去，得到去除背景之后的有效平行分量和垂直分量分别为：P′_//(θ)＝P_//(θ)-P_g(θ)，P′_⊥(θ)＝P_⊥(θ)-P_g(θ)，根据退偏振度定义式得到大气退偏振度随仰角θ的变化满足：然后根据θ和高度z的一一对应关系，即可得到退偏振度廓线分布信息，z表示激光发射端距待测气溶胶粒子的垂直距离。

8.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于：根据米散射偏振激光雷达方程以及气溶胶角散射理论，广角CCD探测器每个像元的立体角对应的气溶胶粒子群在两个偏振方向的侧向散射分量满足如下关系式：

$P_{//}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{C_1{P}_0}{r^2}{\mathrm{\β}}_{//}\left(\mathrm{\θ}\right)\exp \[-{\∫}_0^z{\mathrm{\σ}}_{//}\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}-{\∫}_0^r{\mathrm{\σ}}_{//}\left(r^{\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′}\]---\left(1\right)$

$P_{\⊥}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{C_2{P}_0}{r^2}{\mathrm{\β}}_{\⊥}\left(\mathrm{\θ}\right)\exp \[-{\∫}_0^z{\mathrm{\σ}}_{//}\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}-{\∫}_0^r{\mathrm{\σ}}_{\⊥}\left(r^{\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′}\]---\left(2\right)$

其中，下角标//,⊥分别表示与激光线偏振方向平行和垂直的两个方向，，P₀表示半导体YAG激光器的发射光功率，C₁,C₂分别表示平行、垂直的两个偏振方向上的系统常数，β_//(θ),β_⊥(θ)表示仰角为θ的像元对应的平行和垂直两个方向上气溶胶粒子的侧向散射系数，z表示激光发射端距待测气溶胶粒子的垂直距离，r表示广角CCD探测器距待测气溶胶粒子的斜程距离，σ_//,σ_⊥表示平行和垂直两个偏振方向上气溶胶粒子的消光系数；

将(2)式除以(1)式，得到

$\frac{P_{\⊥}\left(\mathrm{\θ}\right)}{P_{//}\left(\mathrm{\θ}\right)}=\frac{C_2{\mathrm{\β}}_{\⊥}\left(\mathrm{\θ}\right)}{C_1{\mathrm{\β}}_{//}\left(\mathrm{\θ}\right)}\exp \[-{\∫}_0^r\left({\mathrm{\σ}}_{\⊥}\right(r^{\′})-{\mathrm{\σ}}_{//}(r^{\′}\left)\right){\mathrm{dr}}^{\′}\]---\left(3\right)$

对于随机取向的气溶胶粒子，满足σ_⊥(r)＝σ_//(r)，由于系统对应的平行和垂直两个通道参数完全一致，因此有C₂＝C₁，带入(3)式，由此得到大气退偏振度表达式为：

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_{\⊥}\left(\mathrm{\θ}\right)}{{\mathrm{\β}}_{//}\left(\mathrm{\θ}\right)}=\frac{P_{\⊥}\left(\mathrm{\θ}\right)}{P_{//}\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(4\right)$

根据几何关系z＝Dtanθ，进一步得到δ(z)，即大气退偏振度的高度廓线。