CN108614278A - 一种基于偏振调制的大气激光遥感方法及偏振激光雷达 - Google Patents

一种基于偏振调制的大气激光遥感方法及偏振激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振调制的大气激光遥感方法。本发明利用特殊设计的偏振调制光信号作为探测光；待测目标的后向散射光包含两路偏振正交的回波信号，分别携有载波和正一阶边带信号。这样在接收端只需要用一个探测器探测反射回波，通过测量回波信号中拍频电信号的频率及功率即可以同时对大气中的风速信息和退偏比信息进行实时测量。本发明还公开了一种偏振激光雷达。相比现有技术，本发明通过对探测光信号进行巧妙设计，可实现对待测大气的风速及退偏效应同时进行实时准确的测量，并且只需要一套探测器，系统结构更简单，实现成本更低。

Description

一种基于偏振调制的大气激光遥感方法及偏振激光雷达
技术领域
本发明涉及一种气激光遥感方法，尤其涉及一种基于偏振调制的大气激光遥感方法。
背景技术
大气是人类赖以生存的保障，大气环境状态的改变对人类的活动有着直接并且重要的影响，因此对大气进行探测和研究具有重要的科学与实际意义。根据探测方法，大气探测分为目测、直接探测、与遥感三种。所谓大气遥感，即探测仪器与被测大气不直接接触而进行的探测。遥感探测释放了探测仪器位置依赖以及探测范围的局限，使得仪器能够同时对大范围的大气进行测量，实现对全球及区域大气时空连续的观测。近年来，激光雷达因其方向性好、精度高、分辨率高、小型化等优点，被广泛应用于天气观测和大气遥感等领域。尤其在大气遥感中，激光雷达不仅能够进行多普勒测速获得大气风廓线；更可以根据反射光信号的退偏特性获得大气中气溶胶性质，在雾霾监测、大气污染防治等领域具有重要的应用前景。
具体而言，大气风速遥感测量主要通过激光多普勒测速实现，该方法是根据光学多普勒效应研制的一种精密测速方法。利用相干探测的方法，测量大气后向散射光的多普勒频移，进而实现风速测量，具有非接触测量、动态响应快、分析精度高、测量范围宽、可测多维速度和判别速度方向等优点，被广泛应用大气测风中。而对于大气物质特性的遥感中，偏振激光雷达则是一种常用的测量装置，被广泛用于获取大气气溶胶垂直分布信息。偏振激光雷达通过探测正交偏振态上的散射光，不仅能够获得气溶胶的分布情况，还可以根据后向散射光偏振状态分辨气溶胶的种类。理论上，气溶胶颗粒越接近球形(如汽车尾气和工业废气)，其后向散射光的退偏比越小，而非球形颗粒物(如沙尘)等，则会导致较高的退偏比。因此在激光雷达中，通过不同偏振态的光强，即可获得大气后向散射光的退偏比，进而分辨大气中气溶胶的种类和来源。
目前，典型的偏振激光雷达系统可分为两类，一类是利用两个不同的探测器同时测量两个正交偏振方向的大气后向散射光，通过比较两者的光强获得大气退偏比；另一类则通过周期性地改变激光的偏振态，同时用一个探测器测量指定偏振方向上的大气后向散射光，通过比较不同时间段的光强获得大气退偏比。然而，以上两类偏振激光雷达系统都相对复杂，第一类偏振激光雷达中需要两套探测和信息获取装置，造价较高，并且不同探测器的效率涨落将会对退偏比的测量造成不利影响，第二类偏振激光雷达中需要额外的偏振旋转装置，同时由于对于不同偏振态后向散射光的测量是在不同时间段完成的，因此无法实现真正意义上的实时测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于偏振调制的大气激光遥感方法，可同时对大气的风速及退偏效应进行准确的实时测量，且结构更简单，实现成本更低。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于偏振调制的大气激光遥感方法，在发射端，将单频微波信号偏振调制于光载波上，生成偶数阶边带和奇数阶边带分别处于正交的两个偏振态上，且载波和正一阶边带的幅值大小相等的偏振调制光信号；以所述偏振调制光信号作为探测光向大气物质发射；在接收端，利用偏振分束单元将大气物质所反射的回波信号分离成两路偏振正交的信号，将和所述光载波存在固定频率差的参考光信号与其中一路与进行拍频，并对所得拍频电信号进行检测，并根据检测结果判断：如其中只含有偶数阶边带和参考光信号的拍频电信号，或只含有奇数阶边带和参考光信号的拍频电信号，则表明大气物质未发生退偏现象，否则，表明大气物质发生退偏现象；所述偏振分束单元被预先配置为：当将所述探测光向无退偏现象的目标发射时，偏振分束单元能将该目标所反射的回波信号中的偶数阶边带和奇数阶边带完全分离。
进一步地，当判断大气物质发生退偏现象时，根据所述拍频电信号中载波和参考光信号的拍频信号分量与正一阶边带和参考光信号的拍频信号分量的功率比值确定大气物质的退偏比。
更进一步地，所述方法还包括：在接收端，从所述拍频电信号中提取出大气物质的多普勒频移，并根据所述多普勒频移确定大气物质的运动速度。
优选地，所述偏振分束单元包括依次连接的偏振控制器、偏振分束器。
优选地，所述参考光信号通过对所述光载波的分束光信号进行固定频率差的移频得到。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种偏振激光雷达，包括发射端和接收端；所述发射端包括探测光生成模块和发射模块；探测光生成模块用于将单频微波信号偏振调制于光载波上，生成偶数阶边带和奇数阶边带分别处于正交的两个偏振态上，且载波和正一阶边带的幅值大小相等的偏振调制光信号；发射模块用于以所述偏振调制光信号作为探测光向待测目标发射；所述接收端包括接收模块、偏振分束单元、参考光模块、光电探测器、检测模块；接收模块用于接收待测目标所反射的回波信号；偏振分束单元用于将回波信号分离成两路偏振正交的信号，该偏振分束单元被预先配置为：当将所述探测光向无退偏现象的目标发射时，偏振分束单元能将该目标所反射的回波信号中的偶数阶边带和奇数阶边带完全分离；参考光模块用于生成和所述光载波存在固定频率差的参考光信号；光电探测器用于将参考光信号与偏振分束单元所分离出的其中一路信号进行拍频；检测模块用于对所得拍频电信号进行检测，并根据检测结果判断：如其中只含有偶数阶边带和参考光信号的拍频电信号，或只含有奇数阶边带和参考光信号的拍频电信号，则表明待测目标未发生退偏现象，否则，表明待测目标发生退偏现象。
优选地，所述检测模块包括退偏比确定子模块，用于在判断大气物质发生退偏现象时，根据所述拍频电信号中载波和参考光信号的拍频信号分量与正一阶边带和参考光信号的拍频信号分量的功率比值确定待测目标的退偏比。
进一步地，所述检测模块还包括测速子模块，用于从所述拍频电信号中提取出待测目标的多普勒频移，并根据所述多普勒频移确定待测目标的运动速度。
优选地，所述偏振分束单元包括依次连接的偏振控制器、偏振分束器。
优选地，所述参考光模块包括光分束器和移频模块，光分束器用于获取所述光载波的分束光信号，移频模块用于对分束光信号进行固定频率差的移频。
相比现有技术，本发明技术方案及其进一步改进或优选技术方案具有以下有益效果：
本发明通过对探测光信号进行巧妙设计，可实现对待测大气的风速及退偏效应同时进行实时准确的测量，并且只需要一套探测器，系统结构更简单，实现成本更低。
附图说明
图1为本发明所涉及的信号示意图；
图2为本发明的测量原理示意图；
图3为本发明偏振激光雷达一个优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
针对现偏振激光雷达的不足，本发明的解决思路是利用特殊设计的偏振调制光信号作为探测光；待测目标的后向散射光包含两路偏振正交的回波信号，分别携有载波和正一阶边带信号。这样在接收端只需要用一个探测器探测反射回波，通过测量回波信号中拍频电信号的频率及功率即可以同时对大气中的风速信息和退偏比信息进行实时测量。
具体而言，本发明所提出的基于偏振调制的大气激光遥感方法具体如下：
在发射端，将单频微波信号偏振调制于光载波上，生成偶数阶边带和奇数阶边带分别处于正交的两个偏振态上，且载波和正一阶边带的幅值大小相等的偏振调制光信号；以所述偏振调制光信号作为探测光向大气物质发射；在接收端，利用偏振分束单元将大气物质所反射的回波信号分离成两路偏振正交的信号，将和所述光载波存在固定频率差的参考光信号与其中一路与进行拍频，并对所得拍频电信号进行检测，并根据检测结果判断：如其中只含有偶数阶边带和参考光信号的拍频电信号，或只含有奇数阶边带和参考光信号的拍频电信号，则表明大气物质未发生退偏现象，否则，表明大气物质发生退偏现象；所述偏振分束单元被预先配置为：当将所述探测光向无退偏现象的目标发射时，偏振分束单元能将该目标所反射的回波信号中的偶数阶边带和奇数阶边带完全分离。
本发明所提出的偏振激光雷达，包括发射端和接收端；所述发射端包括探测光生成模块和发射模块；探测光生成模块用于将单频微波信号偏振调制于光载波上，生成偶数阶边带和奇数阶边带(分别处于正交的两个偏振态上，且载波和正一阶边带的幅值大小相等的偏振调制光信号；发射模块用于以所述偏振调制光信号作为探测光向待测目标发射；所述接收端包括接收模块、偏振分束单元、参考光模块、光电探测器、检测模块；接收模块用于接收待测目标所反射的回波信号；偏振分束单元用于将回波信号分离成两路偏振正交的信号，该偏振分束单元被预先配置为：当将所述探测光向无退偏现象的目标发射时，偏振分束单元能将该目标所反射的回波信号中的偶数阶边带和奇数阶边带完全分离；参考光模块用于生成和所述光载波存在固定频率差的参考光信号；光电探测器用于将参考光信号与偏振分束单元所分离出的其中一路信号进行拍频；检测模块用于对所得拍频电信号进行检测，并根据检测结果判断：如其中只含有偶数阶边带和参考光信号的拍频电信号，或只含有奇数阶边带和参考光信号的拍频电信号，则表明待测目标未发生退偏现象，否则，表明待测目标发生退偏现象。
首先，可基于偏振调制器，将单频微波信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中偶数阶边带(含载波信号)和奇数阶边带(含正一阶边带)信号分别处于正交的两个偏振态上；调节单频微波信号强度，使偏振调制光信号中的载波和正一阶边带幅值大小相等，然后以该信号作为探测光向待测物体发射。待测物体(通常为大气)的后向散射光中包含两个偏振正交的回波信号。假设其中回波信号A携带偶数阶边带(含载波信号)，回波信号B携带奇数阶边带(含正一阶边带)，使得不同偏振态的后向散射光在频域上实现了分离。回波信号A中偶数阶边带与参考光拍频，产生不同频率的拍频电信号，其中回波信号中载波与参考光的拍频电信号分量为A1；回波信号B中奇数阶边带与参考光拍频，产生不同频率的拍频电信号，其中正一阶边带与参考光的拍频电信号分量为B1。利用预先校准的偏振分束单元可以分离回波信号A和回波信号B，利用电域带通滤波器，选出拍频电信号A1和B1，根据电信号A1和B1即可测量大气风速和大气退偏比。
偏振分束单元的校准方法具体为：利用无退偏效应的物体(例如无退偏效应的反射镜)作为待测物，调整偏振分束单元使得该目标的反射信号中的回波信号A和回波信号B分别进入偏振分束单元的通道A和通道B。当通道A中仅能观测到偶数阶边带的拍频电信号(包括电信号A1)或通道B中只能观测到奇数阶边带的拍频电信号(包括电信号B1)时，即回波信号中的偶数阶边带和奇数阶边带被完全分离，则校准完成。
校准完成后，保持偏振分束单元的状态不变，对待测大气进行实际测量。测量过程中，在通道A或通道B中探测回波信号，大气未发生退偏效应时，回波信号A将完全进入通道A，回波信号B全部进入通道B，通道A或者通道B中只能探测到电信号A1和电信号B1中的一个；大气后向散射光发生退偏效应时，一部分回波信号B偏振方向改变，进入通道A，一部分回波信号A偏振方向改变，进入通道B，使得在通道A或者通道B中，同时探测到电信号A1和电信号B1，依据两信号的功率比值即可获得大气的退偏比。此外，还可以根据拍频电信号A1或B1的频率提取多普勒频移信息，进而获得大气风速信息。
为便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
由光源产生载波信号，
Ein∝cos(2πfct)
随后经过偏振调制，调节调制电压使载波和一阶边带幅值大小一致，则电场可以表示为(仅考虑载波和正一阶边带)：
如图1中黑色实线所示，偏振调制光信号在45°方向的偏振态上主要携带光载波信号cos(2πfct)，在-45°方向的偏振态上主要携带正一阶边带信号cos(2π(fc+fm)t)。其中fm为单频调制微波信号。
利用这一包含两个正交偏振态的光束作为探测光，进行大气遥感。测量前，需进行偏振分束单元的校准。校准时，采用无退偏效应的物体(例如反射镜)作为标准物，其反射光可以表示为：
其中，fd为探测目标做相对运动所产生的多普勒频移。σ＝和σ⊥分别为两个正交偏振方向上的散射系数，一般可以近似认为σ＝＝σ⊥＝σ。利用偏振分束器分离上述两个正交偏振态，调节与偏振分束器连接的偏振控制器方向，可将上述两个正交偏振态导入偏振分束器的两个通道，分别获得回波信号A和回波信号B：
EA＝σcos(2π(fc+fd)t)
EB＝σcos(2π(fc+fd+fm)t)
(1)测量中，保持偏振控制器方向不变，如取A通道信号与参考光进行拍频，其中参考光为光载波的分束信号通过移频获得：
Er∝cos(j2πfrt)
其中，fr为参考光频率，fr＝fc+fs，fs为移频频率，大小已知。当大气后向散射光未发生退偏效应时，通道A中仅存在回波信号A，则光电探测器输出单频的拍频电信号A1可以表示为：
Ebeat∝cos[2π(fs-fd)t]
当大气后向散射光发生退偏时，后向散射光的电场表达式为：
其中p为大气退偏比，表征从线偏光退化为自然光的部分占全部光束能量的比值。
则A通道中回波信号与参考光拍频后，获得拍频电信号为：
该电信号为双频电信号，如图2所示，其中，拍频电信号A1频率为fs-fd，拍频电信号B1频率为fm+fd-fs(假设fm＞fs-fd,fs＞fd)。
退偏比为：
其中，IA1和IB1分别为拍频电信号A1与B1的功率。
(2)如取B通道信号与参考光进行拍频，当大气后向散射光发生退偏时，后向散射光的电场表达式为：
其中p为大气退偏比，表征从线偏光退化为自然光的部分占全部光束能量的比值。
则B通道中回波信号与参考光拍频后，获得拍频电信号为：
则退偏比为：
其中，IA1和IB1分别为拍频电信号A1与B1的功率。
由于拍频电信号A1的频率fs-fd及拍频电信号B1的频率fs-fd-fm中都携带有多普勒频移fd，而参考光频率fr和移频频率fs均已知，因此可很容易得到多普勒频移fd，进而获得目标的运动速度。
图3显示了本发明偏振激光雷达一个优选实施例的基本结构。如图3所示，光源发出的光载波被光分束器分为两路，一路输入偏振调制器，一路输入声光调制器进行移频以获得参考光信号；偏振调制器将微波源输出的单频微波信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中偶数阶(含载波信号)和奇数阶边带(含正一阶边带)信号分别处于正交的两个偏振态上；调节微波信号强度，使载波和正一阶边带幅值大小相等，然后以该信号作为探测光通过激光发射模块向待测物体发射；待测物体的反射回波包含两个偏振正交的回波信号，被激光接收模块接收，由偏振控制器和偏振分束器所组成的偏振分束单元(预先经过校准)将其中两个正交的偏振态信号分离出来分别送往通道A和通道B；通道A中的信号与参考光信号经光合束器合束后在光电探测器中拍频；电域带通滤波器从光电探测器输出的拍频电信号中选出拍频电信号A1和拍频电信号B1；频率测量与数据处理模块对拍频电信号A1和拍频电信号B1进行处理，获得待测物体的退偏信息和速度信息。

Claims (10)

1.一种基于偏振调制的大气激光遥感方法，其特征在于，
在发射端，将单频微波信号偏振调制于光载波上，生成偶数阶边带和奇数阶边带分别处于正交的两个偏振态上，且载波和正一阶边带的幅值大小相等的偏振调制光信号；以所述偏振调制光信号作为探测光向大气物质发射；
在接收端，利用偏振分束单元将大气物质所反射的回波信号分离成两路偏振正交的信号，将和所述光载波存在固定频率差的参考光信号与其中一路与进行拍频，并对所得拍频电信号进行检测，并根据检测结果判断：如其中只含有偶数阶边带和参考光信号的拍频电信号，或只含有奇数阶边带和参考光信号的拍频电信号，则表明大气物质未发生退偏现象，否则，表明大气物质发生退偏现象；所述偏振分束单元被预先配置为：当将所述探测光向无退偏现象的目标发射时，偏振分束单元能将该目标所反射的回波信号中的偶数阶边带和奇数阶边带完全分离。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，当判断大气物质发生退偏现象时，根据所述拍频电信号中载波和参考光信号的拍频信号分量与正一阶边带和参考光信号的拍频信号分量的功率比值确定大气物质的退偏比。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，还包括：在接收端，从所述拍频电信号中提取出大气物质的多普勒频移，并根据所述多普勒频移确定大气物质的运动速度。
4.如权利要求1～3任一项所述方法，其特征在于，所述偏振分束单元包括依次连接的偏振控制器、偏振分束器。
5.如权利要求1～3任一项所述方法，其特征在于，所述参考光信号通过对所述光载波的分束光信号进行固定频率差的移频得到。
6.一种偏振激光雷达，包括发射端和接收端；其特征在于，所述发射端包括探测光生成模块和发射模块；探测光生成模块用于将单频微波信号偏振调制于光载波上，生成偶数阶边带和奇数阶边带分别处于正交的两个偏振态上，且载波和正一阶边带的幅值大小相等的偏振调制光信号；发射模块用于以所述偏振调制光信号作为探测光向待测目标发射；所述接收端包括接收模块、偏振分束单元、参考光模块、光电探测器、检测模块；接收模块用于接收待测目标所反射的回波信号；偏振分束单元用于将回波信号分离成两路偏振正交的信号，该偏振分束单元被预先配置为：当将所述探测光向无退偏现象的目标发射时，偏振分束单元能将该目标所反射的回波信号中的偶数阶边带和奇数阶边带完全分离；参考光模块用于生成和所述光载波存在固定频率差的参考光信号；光电探测器用于将参考光信号与偏振分束单元所分离出的其中一路信号进行拍频；检测模块用于对所得拍频电信号进行检测，并根据检测结果判断：如其中只含有偶数阶边带和参考光信号的拍频电信号，或只含有奇数阶边带和参考光信号的拍频电信号，则表明待测目标未发生退偏现象，否则，表明待测目标发生退偏现象。
7.如权利要求6所述偏振激光雷达，其特征在于，所述检测模块包括退偏比确定子模块，用于在判断待测目标发生退偏现象时，根据所述拍频电信号中载波和参考光信号的拍频信号分量与正一阶边带和参考光信号的拍频信号分量的功率比值确定待测目标的退偏比。
8.如权利要求7所述偏振激光雷达，其特征在于，所述检测模块还包括测速子模块，用于从所述拍频电信号中提取出待测目标的多普勒频移，并根据所述多普勒频移确定待测目标的运动速度。
9.如权利要求6～8任一项所述偏振激光雷达，其特征在于，所述偏振分束单元包括依次连接的偏振控制器、偏振分束器。
10.如权利要求6～8任一项所述偏振激光雷达，其特征在于，所述参考光模块包括光分束器和移频模块，光分束器用于获取所述光载波的分束光信号，移频模块用于对分束光信号进行固定频率差的移频。
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