CN106772312B - 一种用于大气探测的高光谱分光装置及分光方法 - Google Patents

一种用于大气探测的高光谱分光装置及分光方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种用于大气探测的高光谱分光装置，包括激光接收和采集部分和多光束反射部分，多光束反射部分包括旋转台和准直透镜，旋转台上设置有Fabry‑Perot多光束反射腔，准直透镜位于双孔光阑和Fabry‑Perot多光束反射腔之间。本发明还公开了利用上述分光装置进行高精度的光谱分离的方法。本发明的有益效果，利用第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板内表面产生的多光束反射光在透镜焦平面处产生干涉，实现对米散射信号和瑞利散射信号的高精度分光。改变第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板内表面反射率的膜层可以实现对任何波长的使用，突破了采用原子或分子蒸汽吸收池的高光谱分辨率激光雷达适用波长较少的局限。

Description

一种用于大气探测的高光谱分光装置及分光方法
技术领域
本发明属于激光遥感大气探测技术领域，涉及一种用于大气探测的高光谱分光装置，本发明还涉及利用上述分光装置对大气回波信号进行高精度的光谱分离的方法。
背景技术
由于环境污染的加剧，大气环境的精细监测与分析变得日益重要。激光雷达是探测气溶胶大范围分布情况的有效手段，具有高时空分辨率，适于实时观测的优点。根据探测原理的不同，激光雷达主要有米散射激光雷达、拉曼散射激光雷达、偏振激光雷达、荧光激光雷达以及高光谱分辨率激光雷达。
应用广泛的米散射雷达不能对大气的米散射和瑞利散射进行鉴别，因此无法对气溶胶光学参数进行精确测量。与传统的米散射雷达相比，高光谱分辨率气溶胶激光雷达，可以直接导出消光系数，从而实现高精度气溶胶探测，提高了参数反演的准确性。同时与拉曼激光雷达相比，也具有较高的能量利用率。在紫外和可见光波段已经有高光谱激光雷达研制。但是对于近红外波段，由于分子散射频谱较窄，同时瑞利散射信号较弱，所以实现高光谱分光技术更加困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于紫外到近红外波段的大气气溶胶精细探测分光系统装置，以便于能对激光雷达的回波散射信号进行高光谱精细分光，实现米散射和瑞利散射的高精度探测。
本发明的另一目的在于提供利用上述分光装置对大气回波信号进行高精度的光谱分离的方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种用于大气探测的高光谱分光装置，包括激光接收和采集部分和多光束反射部分，激光接收和采集部分包括三维平移台，三维平移台上设置有双孔光阑，双孔光阑竖直设置，双孔光阑侧面开有第一通孔和第二通孔，第一通孔设置有第一光纤，第二通孔设置有和第二光纤，第一光线的一端固定于第一通孔，第二光纤的一端固定于第二通孔；第一光纤用于输入光束，第二光纤用于采集经多次反射出射的光束；
多光束反射部分包括旋转台，旋转台上设置有Fabry-Perot多光束反射腔，多光束反射部分还包括准直透镜，准直透镜位于双孔光阑和Fabry-Perot多光束反射腔之间，准直透镜固定在支架上。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
Fabry-Perot多光束反射腔包括第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板，第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板竖直设置在旋转台上，第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板平行设置，第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板相对的侧面均镀有半透半反膜，第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板上、下边缘之间通过间隔支架连接，第一楔形玻璃板、第二楔形玻璃板和间隔支架构成空气腔。
第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板相对的侧面为竖直面，第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板的外侧面与水平面呈楔角，第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板的外侧面相互平行，第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板之间的距离为55mm。
第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板外侧面的楔角＜3°。
双孔光阑的第一通孔和第二通孔竖直排列，第二通孔在第一通孔下方，第一通孔和第二通孔的直径均为0.2mm，第一通孔和第二通孔之间的距离为0.5mm。
准直透镜为非球面消像差透镜。
半透半反膜在1064.195nm的反射率为0.4。
准直透镜和Fabry-Perot多光束反射腔的中心共线。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种用于大气探测的高光谱分光装置对大气回波信号进行高精度的光谱分离的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：调整三维平移台的前后位置及高度，使得安装其上的双孔光阑位于准直透镜的焦平面上；
步骤2：连接第一光纤与激光雷达接收望远镜底部的法兰；
步骤3：连接第二光纤与激光雷达信号处理模块上的法兰；
步骤4：第一光纤接收激光雷达的大气后向散射信号，进入双孔光阑上的第一通孔；
步骤5：通过双孔光阑上第一通孔的光经准直透镜准直后成为准直光，入射到Fabry-Perot多光束反射腔；
步骤6：调整旋转台，改变步骤5产生的准直光与Fabry-Perot多光束反射腔的相互角度，直到被反射的光束进双孔光阑上的第二通孔；
步骤7：进入第二通孔的光束通过第二光纤进入激光雷达的信号处理模块，得到经过高光谱精细分光后的光谱信号。
本发明第二种技术方案的特点还在于，
步骤2中的激光雷达中的激光器频宽不大于150MHz。
激光雷达中的接收望远镜可采用反射式或者折返式望远镜。
激光雷达中的信号处理模块由光电探测器和数据处理系统组成。
本发明的有益效果在于：
(1)利用第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板内表面产生的多光束反射光在透镜焦平面处产生干涉，形成凹陷型的干涉条纹，可以实现对米散射信号和瑞利散射信号的高精度分光，抑制米散射信号，获取瑞利散射信号。
(2)改变第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板内表面反射率的膜层可以实现对任何波长的使用，突破了采用原子或分子蒸汽吸收池的高光谱分辨率激光雷达适用波长较少的局限，使得在多个波长的大气精细探测得以实现。
附图说明
图1是本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置的结构示意图；
图2是本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置中的双孔光阑的结构示意图；
图3是本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置的使用过程图；
图4是本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置的实施例中所设计的高光谱滤波器的光谱透过曲线；
图5是本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置的实施例中对1064nm散射谱的透过谱线与1064nm的大气米散射谱和瑞利散射谱的对比曲线。
图中，1.第一光纤，2.第二光纤，3.三维平移台，4.双孔光阑，5.准直透镜，6.第一楔形玻璃板，7.半透半反膜，8.第二楔形玻璃板，9.间隔支架，10.旋转台，11.空气腔，12.支架，13.第一通孔，14.第二通孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置，其结构如图1所示，包括激光接收和采集部分和多光束反射部分，其特征在于，激光接收和采集部分包括三维平移台3，三维平移台3上设置有双孔光阑4，三维平移台3的高度可调整，使得双孔光阑连线的中心位于准直透镜的焦点上，双孔光阑4竖直设置，双孔光阑4侧面开有第一通孔13和第二通孔14，第一通孔13设置有第一光纤1，第二通孔14设置有和第二光纤2，第一光线1的一端固定于第一通孔13，第二光纤2的一端固定于第二通孔14；第一光纤1用于输入光束，第二光纤2用于采集经多次反射出射的光束；
多光束反射部分包括旋转台10，旋转台10上设置有Fabry-Perot多光束反射腔，多光束反射部分还包括准直透镜5，准直透镜5位于双孔光阑4和Fabry-Perot多光束反射腔之间，准直透镜5固定在支架12上。
其中，所述Fabry-Perot多光束反射腔包括第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8，第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8竖直设置在旋转台10上，第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8平行设置，第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8相对的侧面均镀有半透半反膜7，第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8上、下边缘之间通过间隔支架9连接，第一楔形玻璃板6、第二楔形玻璃板8和间隔支架9构成空气腔11。
其中第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8相对的侧面为竖直面，第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8的外侧面与水平面呈楔角，第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8的外侧面相互平行，第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8之间的距离为55mm，第一楔形玻璃板6和第二楔形玻璃板8外侧面的楔角＜3°。准直透镜5为像差较小、焦距较长的非球面消像差透镜，例如索雷博公司的AL100200，有效焦距200mm，外径100mm。半透半反膜7在1064.195nm的反射率为0.4。准直透镜5和Fabry-Perot多光束反射腔的中心在共线。
本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置中的双孔光阑，其结构如图2所示，双孔光阑4的第一通孔13和第二通孔14竖直排列，第二通孔14在第一通孔13下方，第一通孔13和第二通孔14的直径均为0.2mm，第一通孔13和第二通孔14之间的距离为0.5mm。
本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置的使用过程图，如图3所示，利用本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置对大气回波信号进行高精度的光谱分离的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：调整三维平移台3的前后位置及高度，使得安装其上的双孔光阑4位于准直透镜5的焦平面上；
步骤2：连接第一光纤1与激光雷达接收望远镜底部的法兰；
步骤3：连接第二光纤2与激光雷达信号处理模块上的法兰；
步骤4：第一光纤1接收激光雷达的大气后向散射信号，进入双孔光阑4上的第一通孔13；
步骤5：通过双孔光阑4上第一通孔13的光经准直透镜5准直后成为准直光，入射到Fabry-Perot多光束反射腔；
步骤6：调整旋转台10，改变步骤5产生的准直光与Fabry-Perot多光束反射腔的相互角度，直到被反射的光束进双孔光阑4上的第二通孔14；
步骤7：进入第二通孔14的光束通过第二光纤2进入激光雷达的信号处理模块，得到经过高光谱精细分光后的光谱信号。
其中激光雷达中的激光器采用频宽不大于150MHz的单纵模脉冲激光器，如种子注入式单纵模脉冲激光器、单纵模光纤激光器，单纵模脉冲激光器波长1064.195nm，例如美国Continuum公司的Nd:YAG型surelite III脉冲激光器，采用NP公司的掺铒光纤单频激光器作为种子注入源，种子注入后主激光器单脉冲能量625mJ，重复频率10Hz，脉冲宽度4～6nsec，激光线宽0.005cm-1，对应频宽150MHz；
激光雷达中的接收望远镜可采用反射式、折返式等通用望远镜，例如日本Takahashi公司生产的250mm卡塞格林望远镜；
激光雷达中的信号处理模块由光电探测器和数据处理系统组成，选用高速响应和高灵敏度的光电二极管、雪崩二极管或者电和耦合器件(CCD)，例如日本滨松公司的s11519-30型号雪崩二极管；上述的数据处理系统18，可以采用力科公司的HDO4000系列示波器；
第一光纤1和第二光纤2为普通光纤，例如上海瀚宇公司生产的光纤芯径为200μm，数值孔径为0.12的多模光纤。
本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置的实施例中所设计的高光谱滤波器的光谱透过曲线，如图4所述。本发明的一种用于大气探测的高光谱分光装置的实施例中对1064nm散射谱的透过谱线与1064nm的大气米散射谱和瑞利散射谱的对比曲线，如图5所述。1064nm激光经过大气散射后的谱包含米散射信号和瑞利散射信号，米散射信号的带宽为100MHz，瑞利散射信号的带宽为1.3GHz。该高光谱滤波装置对米散射信号的抑制率可以达到10-3量级，对瑞利信号的透过率可以达到50％以上。
本发明提供一种适用于紫外到近红外波段的大气气溶胶精细探测分光系统装置，以便于能对激光雷达的回波散射信号进行高光谱精细分光，实现米散射和瑞利散射的高精度探测。本发明还提供利用上述分光装置对大气回波信号进行高精度的光谱分离的方法。本发明的有益效果如下：
(1)利用第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板内表面产生的多光束反射光在透镜焦平面处产生干涉，形成凹陷型的干涉条纹，可以实现对米散射信号和瑞利散射信号的高精度分光，抑制米散射信号，获取瑞利散射信号。
(2)改变第一楔形玻璃板和第二楔形玻璃板内表面反射率的膜层可以实现对任何波长的使用，突破了采用原子或分子蒸汽吸收池的高光谱分辨率激光雷达适用波长较少的局限，使得在多个波长的大气精细探测得以实现。

Claims (10)

1.一种用于大气探测的高光谱分光装置，包括激光接收与采集部分和多光束反射部分，其特征在于，激光接收与采集部分包括三维平移台(3)，三维平移台(3)上设置有双孔光阑(4)，双孔光阑(4)竖直设置，双孔光阑(4)开有第一通孔(13)和第二通孔(14)，第一通孔(13)设置有第一光纤(1)，第二通孔(14)设置有和第二光纤(2)，第一光纤(1)的一端固定于第一通孔(13)，第二光纤(2)的一端固定于第二通孔(14)；所述第一光纤(1)用于输入光束，第二光纤(2)用于采集经多次反射出射的光束；
多光束反射部分包括旋转台(10)，旋转台(10)上设置有Fabry-Perot多光束反射腔，多光束反射部分还包括准直透镜(5)，准直透镜(5)位于双孔光阑(4)和Fabry-Perot多光束反射腔之间，准直透镜(5)固定在支架(12)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于大气探测的高光谱分光装置，其特征在于，所述Fabry-Perot多光束反射腔包括第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)，第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)竖直设置在旋转台(10)上，第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)平行设置，第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)相对的侧面均镀有半透半反膜(7)，第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)上、下边缘之间通过间隔支架(9)连接，第一楔形玻璃板(6)、第二楔形玻璃板(8)和间隔支架(9)构成空气腔(11)。
3.根据权利要求2所述的一种用于大气探测的高光谱分光装置，其特征在于，所述第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)相对的侧面为竖直面，第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)的外侧面与水平面呈楔角，第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)的外侧面相互平行，第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)之间的距离为55mm。
4.根据权利要求3所述的一种用于大气探测的高光谱分光装置，其特征在于，所述第一楔形玻璃板(6)和第二楔形玻璃板(8)外侧面的楔角＜3°。
5.根据权利要求2所述的一种用于大气探测的高光谱分光装置，其特征在于，所述双孔光阑(4)的第一通孔(13)和第二通孔(14)竖直排列，第二通孔(14)在第一通孔(13)下方，第一通孔(13)和第二通孔(14)的直径均为0.2mm，第一通孔(13)和第二通孔(14)之间的距离为0.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种用于大气探测的高光谱分光装置，其特征在于，所述准直透镜(5)为非球面消像差透镜。
7.根据权利要求6所述的一种用于大气探测的高光谱分光装置，其特征在于，所述半透半反膜(7)在1064.195nm的反射率为0.4。
8.根据权利要求7所述的一种用于大气探测的高光谱分光装置，其特征在于，所述准直透镜(5)和Fabry-Perot多光束反射腔的中心共线。
9.一种用于大气探测的高光谱分光装置对大气回波信号进行高精度的光谱分离的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：调整三维平移台(3)的前后位置及高度，使得安装其上的双孔光阑(4)位于准直透镜(5)的焦平面上；
步骤2：连接第一光纤(1)与激光雷达接收望远镜底部的法兰；
步骤3：连接第二光纤(2)与激光雷达信号处理模块上的法兰；
步骤4：第一光纤(1)接收激光雷达的大气后向散射信号，进入双孔光阑(4)上的第一通孔(13)；
步骤5：通过双孔光阑(4)上第一通孔(13)的光经准直透镜(5)准直后成为准直光，入射到Fabry-Perot多光束反射腔；
步骤6：调整旋转台(10)，改变步骤5产生的准直光与Fabry-Perot多光束反射腔的相互角度，直到被反射的光束进双孔光阑(4)上的第二通孔(14)；
步骤7：进入第二通孔(14)的光束通过第二光纤(2)进入激光雷达的信号处理模块，得到经过高光谱精细分光后的光谱信号。
10.根据权利要求9所述的一种用于大气探测的高光谱分光装置对大气回波信号进行高精度的光谱分离的方法，其特征在于，所述步骤2中的激光雷达中的激光器频宽不大于150MHz；
所述激光雷达中的接收望远镜可采用反射式或者折返式望远镜；
所述激光雷达中的信号处理模块由光电探测器和数据处理系统组成。
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