CN106597414A - 一种定标偏振激光雷达增益比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种定标偏振激光雷达增益比的方法，具体是在偏振激光雷达接收系统中的偏振分光棱镜之前放置一片半波片；半波片的快轴可以任意朝向，分别记录此时偏振分光棱镜反射通道和透射通道探测器接收到的光强和将半波片绕入射光旋转45°，再次分别记录此时反射通道和透射通道探测器接收到的光强和将半波片旋转前后两个探测器接收到的光强代入即可得到偏振激光雷达的增益比G。该定标方法严格符合穆勒矩阵‑斯托克斯矢量理论，可以直接得到偏振激光雷达系统的增益比；该定标方法具有很好的鲁棒性，其定标结果不受发射激光非理想线偏振性、大气条件、位于半波片之前光学元件非理想偏振特性等的影响；该定标方法精度高而且操作极其简捷。

Description

一种定标偏振激光雷达增益比的方法

技术领域

本发明涉及偏振激光雷达定标，特别是一种定标偏振激光雷达增益比的方法。

背景技术

光与粒子相互作用而散射时，根据散射粒子的形状和大小(相对于发射激光波长)，后向散射光的偏振态将发生不同程度的改变，偏振激光雷达正是在这一背景下发展起来的。偏振激光雷达是一种主动遥感技术，它是大气及海洋探测的重要组成部分。偏振激光雷达能够分辨出被测区域的球形粒子和非球形粒子，显著提高粒子微物理性质的反演精度，还可以用来研究多重散射。偏振激光雷达的基本原理是发射一束高纯度的线偏振光，在接收光路中添加偏振分析器(一般是偏振分光棱镜)，使得回波信号中垂直偏振分量和平行偏振分量(相对于发射激光的偏振面)分离，最终被两个探测器分别记录。根据两通道探测器的强度比，可以得到被测大气的退偏信息进而推断出散射粒子的物理特性。然而，如果这两个探测通道的增益系数不相等，那么两探测器输出信号的强度比将不等于回波信号中两正交偏振分量的强度比，进而造成测量误差。大量研究表明，因两探测通道增益系数不同造成的测量误差是偏振激光雷达的主要误差源之一，因此需要对偏振激光雷达进行增益比定标。事实上，随着环境和时间的改变，探测器、电流放大器等的增益系数会随之变化，故增益比定标需要定期进行，这要求偏振激光雷达的增益比定标过程尽可能简单，且不受大气条件的限制。

目前定标偏振激光雷达增益比的方法很多，干净大气法是常用的增益比定标方法。通过选择一段合适的探测区域，并假定该区域内只含有大气分子。根据理论模型计算得到大气分子退偏比，进而归一化得到偏振激光雷达的增益比。然而，理想的干净大气很难存在，被测区域内出现少量的非球形粒子将对定标结果造成显著影响，而且大气分子退偏比的理论值本身也存在一定的不确定性，这导致干净大气法定标精度较低，易受大气条件的限制。NASA兰利研究中心提出在偏振激光雷达接收光路中的偏振分光棱镜之前放置一片半波片，不断旋转半波片，并实时记录两个探测通道得到的信号。通过非线性最小二乘法拟合，可以反演出大气退偏比。然而，该方法操作复杂，定标时间较长，不适用于被测大气快速变化的情况，尤其是星载激光雷达。鉴于此，NASA在2006年发射升空的Caliop中偏振激光雷达部分采用的增益比定标方法是在偏振分光棱镜之前插入退偏器，产生非偏振光，进而完成增益比定标。然而，退偏器的出射光往往并不是理想的非偏振光，依然会存在一定的偏振度，进而造成定标误差。M.McGill等提出在偏振分光棱镜之前放置一块半波片，首先旋转半波片，使得偏振分光棱镜入射光的偏振面与偏振分光棱镜的入射面对齐；再将半波片旋转22.5°，使得偏振分光棱镜入射光的偏振面与偏振分光棱镜的入射面的夹角成45°，此时入射到两个探测通道的光强是相等的，最终得到两个探测通道之间的增益比。为了减小上述方法中旋转角度误差对定标精度的影响，V.Freudenthaler等在此基础上提出将半波片再旋转-22.5°，两次定标得到的增益比求几何平均作为最终的定标结果。该方法可以不受大气条件以及发射激光偏振态的影响。然而，在穆勒矩阵-斯托克斯矢量理论中，该方法并不能得到真正的系统增益比，其定标结果会受到接收系统中偏振分光棱镜之前光学元件的影响。另外，在运用该定标方法时需要首先调整半波片的快轴朝向，使得入射光的偏振面与偏振分光棱镜的入射面对齐，然而这个对齐过程会带来不可忽略的定标误差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种定标偏振激光雷达增益比的新方法。该方法严格满足穆勒矩阵-斯托克斯矢量理论，能到直接得到系统的增益比。该方法操作简单，易于快速完成，而且定标精度高，不受大气条件、发射激光非理想线偏振态、接收系统中非理想偏振光学器件等的影响，具有很好的鲁棒性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新的定标偏振激光雷达增益比的方法，其包含

步骤一：在偏振激光雷达接收光路中的偏振分光棱镜之前插入一片与探测波长相应的半波片，半波片与偏振分光棱镜之间不存在其他光学元件；

步骤二：将半波片的快轴旋转至任意朝向，记录此时半波片快轴与偏振分光棱镜入射面的夹角θ以及反射通道和透射通道出射光强和

步骤三：将该半波片绕入射光旋转45°，即半波片快轴的朝向角变为θ+45^°，记录此时反射通道和透射通道的出射光强分别为和

步骤四：将步骤二和步骤三中的信号强度代入即可直接得到偏振激光雷达的增益比G。

由以上技术方案可知，本发明所述的定标方法操作极其简单，对半波片快轴的初始朝向没有要求，这也避免了将入射光偏振面与偏振分光棱镜入射面对齐时带来的误差，显著提高了定标精度。另外，该方法的定标结果与入射到半波片的回波信号的偏振态是无关的。这大大提高该方法的鲁棒性，使得定标结果不受发射激光的非理想线偏振特性，大气散射退偏，接收光路中半波片至望远镜之间光学元件非理想偏振性质等的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基本的偏振激光雷达结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种定标偏振激光雷达增益比的光路示意图。

图3是本发明实施例提供的一种偏振激光雷达增益比定标方法流程图。

其中1为激光器，2、8均为反射镜，3为起偏器，4为扩束镜，5为望远镜，6为孔径光阑，7为准直透镜，9为窄带滤光片，10为半波片，11为偏振分光棱镜，12、13均为汇聚透镜，14是透射通道探测器，15为反射通道探测器。

具体实施方式

为了更加清楚地展示本发明的目的、技术方法以及优点，下面结合附图以及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是一个基本的偏振激光雷达结构示意图。激光器1向大气中发射一束高纯度的线偏振激光，由望远镜5等接收回波信号并滤除背景噪音，通过偏振分光棱镜11对回波信号进行偏振分离，进而分别被透射通道和反射通道的探测器14、15记录。本发明所述的增益比定标主要牵涉到半波片10及其后续光路，具体如图2所示。基本的实施流程如图3所示，详细的操作步骤为：

1、在如图2所示的光路中，一束光入射到偏振分光棱镜11。在偏振分光棱镜11之前插入半波片10，此时半波片10的快轴与偏振分光棱镜11的入射面之间存在夹角θ；

2、半波片10的出射光经过偏振分光棱镜11后分离，分别被反射通道探测器14和透射通道探测器15接收，两个探测器得到的光强分别为和

3、将半波片10绕入射光旋转45°，半波片10的快轴与偏振分光棱镜11的入射面的夹角由θ变为θ+45°。此时光束经过偏振分光棱镜11分离后，反射通道探测器14和透射通道探测器15得到的光强分别为和

4、将半波片旋转前后探测器得到的光强代入

即可得到偏振激光雷达的增益比G。

进一步地，可以将半波片绕入射光旋转45°，也可以将半波片绕入射光旋转角度且

其中n可以是任意整数。

更进一步地，旋转半波片时，既可以是顺时针方向，也可以是逆时针方向。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种定标偏振激光雷达增益比的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：在偏振激光雷达接收系统中的偏振分光棱镜前放置一片半波片，偏振分光棱镜与半波片之间不存在其他的光学元件；

S2：半波片的快轴可任意朝向，分别记录此时偏振分光棱镜反射通道和透射通道两个探测器得到的光强和

S3：将半波片绕入射光旋转角度再次分别记录此时两个通道探测器的光强和其中n可以是任意整数；

S4：将步骤S2和S3中获得的光强代入

$\frac{I_R^a+I_R^b}{I_T^a+I_T^b}=G;$

即可得到偏振激光雷达的增益比G。

2.如权利要求1所述的一种定标偏振激光雷达增益比的方法，其特征在于，所述步骤S1中的半波片是对应于偏振激光雷达的探测波长。

3.如权利要求1所述的一种定标偏振激光雷达增益比的方法，其特征在于，所述步骤S3中半波片的旋转角度可以是45°。

4.如权利要求1所述的一种定标偏振激光雷达增益比的方法，其特征在于，所述步骤S3中半波片的旋转方向既可以是顺时针，也可以是逆时针。