CN108957474A - 用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，包括偏振光发生系统、接收系统、偏振分析系统和数据采集处理器四个部分；本发明还公开了一种于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统的检测方法，其特征在于，具体按照利用全偏振激光雷达系统探测得到大气后向散射米勒矩阵，然后所述大气后向散射矩阵进行大气粒子形态的检测的步骤。本发明的用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，采用多方位的线偏振激光和圆偏振激光对气溶胶粒子进行探测，能够实现在大气中气溶胶粒子形状的精细判别和探测；大气中云粒子进行精细测量，用于分析云粒子的冰水相态及卷云中的粒子导向。
Description
技术领域
本发明属于激光遥感大气探测装置技术领域，涉及用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，具体涉及一种用于粒子形态精细测量的全偏振激光雷达系统，更具体的涉及一种用于大气中气溶胶粒子和云粒子形态精细测量的全偏振激光雷达系统，本发明还涉及该全偏振激光雷达系统的使用方法。
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。由于激光雷达具有高时空分辨率，适于实时观测的优点，使其成为了是探测气溶胶大范围分布情况的重要工具。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。
偏振激光雷达通过探测到的线偏振激光的退偏比信息来判别粒子的非球形程度，基于上述原理的退偏比探测已经被广泛应用于大气非球形粒子形态的遥感测量以及对沙尘暴及水云冰云的判别中。欧洲和美国自20世纪90年代初开始利用机载激光雷达进行了一系列的大气探测，并且也应用到对地探测的卫星上，如2006年4月美国和法国联合发射的CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Spaceborne Observations)卫星上搭载激光雷达对大气进行探测，利用可见光532nm通道的偏振信息获得了关于大气气溶胶和云更加详细的信息。
线偏振激光雷达结构简单，因此获得了广泛应用。但是，在有些情况下，退偏比值也容易让人产生错误的判断，这是由于传统线偏振激光雷达的理论假设所决定的。对于有规则排列的粒子来说，退偏比不能充分精确的描述其散射体的形状特性，线偏振激光雷达系统给出的偏振数据容易让人对探测对象产生错误的判断。退偏比不是散射介质偏振特性的完整描述，其仅仅是回波信号中所包含偏振信息的一部分，只在某些特定条件下与粒子形状有较好的相关性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，不仅能够大气中气溶胶粒子稀薄时对气溶胶粒子形态进行精细测量，还能够对大气中的云粒子的冰水相态及卷云中的粒子导向。
本发明还提供了一种用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统的检测方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，包括偏振光发生系统、接收系统、偏振分析系统和数据采集处理器四个部分；
其中，偏振光发生系统包括激光器，沿激光器的光路依次设置有玻片和玻片；
接收系统包括望远镜，望远镜的光轴与激光器的光轴平行；
偏振分析系统包括依次在望远镜射出光束设置的准直镜，滤光镜和第一偏振分光镜；
第一偏振分光镜的透射光光路上依次设置有第一相位补偿器和第二偏振分光镜；第一偏振分光镜的反射光光路上依次设置有第二相位补偿器和第三偏振分光镜；
第二偏振分光镜的透射光光路上依次设置有第一汇聚透镜和第一光电探测器；第二偏振分光镜的反射光光路上依次设置有第二汇聚透镜和第二光电探测器；
第三偏振分光镜透射光光路上依次设置有第三汇聚透镜和第三光电探测器；第三偏振分光镜的折射光光路上依次设置有第四汇聚透镜和第四光电探测器；
第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器均与数据采集处理器信号连接。
本发明第一种技术方案的特点还在于：
第一偏振分光镜对圆偏振光和自然光的分光比为1:1；第一偏振分光镜在透射方向对p光和s光的透过率之比为3.732；第一偏振分光镜在反射方向对p光和s光的透过率之比为0.268；第二偏振分光镜和第三偏振分光镜均由消光比不小于1000:1的偏振分光棱镜构成。
第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、第三汇聚透镜和第四汇聚透镜均为口径25.4mm、焦距50mm的球面镜。
滤光镜的带宽为0.5nm。
本发明采用的第二种技术方案是：
用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统的检测方法，具体按照下述步骤进行：
步骤1，利用全偏振激光雷达系统探测得到大气后向散射米勒矩阵；
步骤2，根据大气后向散射矩阵进行大气粒子形态的检测。
本发明第二种技术方案的特点还在于：
步骤1中利用全偏振激光雷达系统探测得到Mueller矩阵具体按照下述方法进行：
步骤1.1，激光器发出线偏振激光直接进入大气中，在大气中散射后进入望远镜中，通过望远镜汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，根据第一光电探测器获取的探测能量I11、第二光电探测器获取的探测能量I12、第三光电探测器获取的探测能量I13和第四光电探测器获取的探测能量I14，得到第一能量矩阵：
I1＝[I11，I12，I13，I14]T (1)；
其中所述线偏振激光的斯托克斯矢量为S1＝[S11，S12，S13，S14]T；
步骤1.2，调节玻片和玻片的角度和方位，使得经过λ/2玻片和玻片后从玻片射出的偏振激光振动方向变化90°，调节激光器发出线偏振激光，依次经过玻片和玻片后进入大气中，在大气中散射后进入望远镜中，通过望远镜汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，得到第一光电探测器获取的探测能量I21、第二光电探测器获取的探测能量I22、第三光电探测器获取的探测能量I23和第四光电探测器获取的探测能量I24，得到第二能量矩阵：
I2＝[I21，I22，I23，I24]T (2)，
其中，进入振动方向变化90°的偏振激光的stokes矢量记为S2＝[S21，S22，S23，S24]T；
步骤1.3，调节玻片和玻片的角度和方位，使得经过玻片和玻片后从玻片射出激光为45°振动偏振光，调节激光器发出线偏振激光，依次经过玻片和玻片后变成45°振动偏振光进入大气中，45°振动偏振光在大气中散射后进入望远镜中，通过望远镜汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，得到第一光电探测器的探测能量I31、第二光电探测器的探测能量I32、第三光电探测器的探测能量I33和第四光电探测器四个探测器的探测能量I34，得到第三能量矩阵：
I3＝[I31，I32，I33，I34]T (3)，
所述45°振动偏振光的stokes矢量记为S3＝[S31，S32，S33，S34]T；
步骤1.4，调节玻片和玻片的角度和方位，使得经过玻片和玻片后从玻片射出激光为左旋圆偏振光，调节激光器发出线偏振激光，依次经过玻片和玻片后变成左旋圆偏振光进入大气中，左旋圆偏振光在大气中散射后进入望远镜中，通过望远镜汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，根据第一光电探测器的探测能量I41、第二光电探测器的探测能量I42、第三光电探测器的探测能量I43和第四光电探测器四个探测器的探测能量I44，得到第四能量矩阵：
I4＝[I41，I42，I43，I44]T (4)，
所述＝[S31，S32，S33，S34]T；
步骤1.5，将第一能量矩阵I1、线偏振激光的stokes矢量S1、第二能量矩阵I2、振动方向变化90°的偏振激光的stokes矢量S2、第三能量矩阵、45°振动偏振光的stokes矢量S3、第四能量矩阵I4和左旋圆偏振光的stokes矢量S3组合成矩阵得到米勒矩阵A：
步骤2中粒子形态的检测具体按照下述方法进行：
步骤2.1，采用四点放精确标定偏振分析系统的仪器矩阵AR；
步骤2.2，根据大气后向散射米勒矩阵和仪器矩阵AR得到大气后向散射相矩阵F：
步骤2.3，利用大气后向散射相矩阵F对粒子形态进行检测。
步骤2.3中按照下述方法对粒子形态进行检测：
步骤2.3.1，根据大气后向散射相矩阵F计算得到后向散射比β，线退偏比δ和二向衰减系数μ：
β＝F11 (7)
步骤2.3.2，根据所述后向散射比、线退偏比和二向衰减系数判断得到粒子形态。
本发明的有益效果是
本发明的用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，采用多方位的线偏振激光和圆偏振激光对气溶胶粒子进行探测，能够实现在大气中气溶胶粒子稀薄时对气溶胶粒子的精细探测；
本发明的用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统能够对大气中云粒子进行精细测量，用于分析云粒子的冰水相态及卷云中的粒子导向。
附图说明
图1是本发明用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统及其检测方法中全偏振激光雷达系统的结构示意图。
图中，1.激光器，2.玻片，3.玻片，4.望远镜，5.准直镜，6.窄带滤光片，7.第一偏振分光镜，8.第一相位补偿器，9.第二偏振分光镜，10.第一汇聚透镜，11.第一光电探测器，12.第二汇聚透镜，13.第二光电探测器，14.第二相位补偿器，15.第三偏振分光镜，16.第三汇聚透镜，17.第三光电探测器，18.第四汇聚透镜，19.第四光电探测器，20.数据采集处理器。
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。
用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，如图1所示，包括偏振光发生系统、接收系统、偏振分析系统和数据采集处理器20四个部分；
其中，偏振光发生系统包括激光器1，其中激光器1采用Nd:YAG脉冲激光器，选择波长为1064nm，例如美国Continuum公司的Nd:YAG型surelite III脉冲激光器，单脉冲能量625mJ，重复频率10Hz，脉冲宽度4～6nsec。
沿激光器1的光路依次设置有玻片2和玻片3，玻片2和玻片3均为Thorlabs公司的0级玻片；
接收系统包括望远镜4，望远镜4为对称型反射式望远镜，如日本Takahashi公司生产的250mm卡塞格林望远镜
望远镜4用于接收散射激光并将其汇聚后发出；其中，望远镜4的光轴与激光器4的光轴平行，望远镜4包括机械遮光套筒,机械遮光套筒的一端配设有主镜，机械遮光套筒的另一端配设有次镜，主镜是曲率半径为-1312mm的非球面镜，次镜是曲率半径为-585.9mm的非球面镜，主镜和次镜之间的距离为459.2mm。
偏振分析系统包括依次在望远镜4发出光束的光路设置的准直镜5，带宽为0.5nm滤光镜6和第一偏振分光镜7；其中，准直镜5为口径25.4mm，焦距50mm的非球面镜；
第一偏振分光镜7的透射光光路上依次设置有第一相位补偿器8和第二偏振分光镜9；第一偏振分光镜7的反射光光路上依次设置有第二相位补偿器14和第三偏振分光镜15；
第二偏振分光镜9的透射光光路上依次设置有第一汇聚透镜10和第一光电探测器11；第二偏振分光镜9的反射光光路上依次设置有第二汇聚透镜12和第二光电探测器13；
第三偏振分光镜15透射光光束上依次设置有第三汇聚透镜16和第三光电探测器17；第三偏振分光镜15的折射光光束上依次设置有第四汇聚透镜18和第四光电探测器19；
其中，第一偏振分光镜7对圆偏振光和自然光的分光比为1:1；第一偏振分光镜7在透射方向对p光和s光的透过率之比为3.732；第一偏振分光镜7在反射方向对p光和s光的透过率之比为0.268；第二偏振分光镜9和第三偏振分光镜10均由消光比不小于1000:1的偏振分光棱镜构成。
第一汇聚透镜10、第二汇聚透镜12、第三汇聚透镜13和第四汇聚透镜18均为口径25.4mm、焦距50mm的球面镜。
第一相位补偿器8.和第二相位补偿器14均为巴比捏相位补偿器；
第一光电探测器11、第二光电探测器13、第三光电探测器17和第四光电探测器19均为滨松公司的硅基雪崩管Si:APD。
第一光电探测器11、第二光电探测器13、第三光电探测器17和第四光电探测器19均与数据采集处理器20信号连接。
数据采集处理器20为立科公司的示波器
用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统的检测方法，其特征在于，具体按照下述步骤进行：
步骤1，利用全偏振激光雷达系统探测得到大气后向散射米勒矩阵，具体按照下述方法进行：
步骤1.1，激光器(1)发出线偏振激光直接进入大气中，在大气中散射后进入望远镜(2)中，通过望远镜(1)汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，根据第一光电探测器11获取的探测能量I11、第二光电探测器13获取的探测能量I12、第三光电探测器17获取的探测能量I13和第四光电探测器19获取的探测能量I14，得到第一能量矩阵：
I1＝[I11，I12，I13，I14]T (1)；
其中所述线偏振激光的斯托克斯矢量为S1＝[S11，S12，S13，S14]T；
步骤1.2，调节玻片(2)和玻片(3)的角度和方位，使得经过λ/2玻片(2)和玻片(3)后从玻片(3)射出的偏振激光振动方向变化90°，调节激光器(1)发出线偏振激光，依次经过玻片(2)和玻片(3)后进入大气中，在大气中散射后进入望远镜(2)中，通过望远镜(1)汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，得到第一光电探测器11获取的探测能量I21、第二光电探测器13获取的探测能量I22、第三光电探测器17获取的探测能量I23和第四光电探测器19获取的探测能量I24，得到第二能量矩阵：
I2＝[I21，I22，I23，I24]T (2)，
其中，进入振动方向变化90°的偏振激光的stokes矢量记为S2＝[S21，S22，S23，S24]T；
步骤1.3，调节玻片(2)和玻片(3)的角度和方位，使得经过玻片(2)和玻片(3)后从玻片(3)射出激光为45°振动偏振光，调节激光器(1)发出线偏振激光，依次经过玻片(2)和玻片(3)后变成45°振动偏振光进入大气中，45°振动偏振光在大气中散射后进入望远镜(2)中，通过望远镜(1)汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，得到第一光电探测器11的探测能量I31、第二光电探测器13的探测能量I32、第三光电探测器17的探测能量I33和第四光电探测器19的探测能量I34，得到第三能量矩阵：
I3＝[I31，I32，I33，I34]T (3)，
所述45°振动偏振光的stokes矢量记为S3＝[S31，S32，S33，S34]T；
步骤1.4，调节玻片(2)和玻片(3)的角度和方位，使得经过玻片(2)和玻片(3)后从玻片(3)射出激光为左旋圆偏振光，调节激光器(1)发出线偏振激光，依次经过玻片(2)和玻片(3)后变成左旋圆偏振光进入大气中，左旋圆偏振光在大气中散射后进入望远镜(2)中，通过望远镜(1)汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，根据第一光电探测器11的探测能量I41、第二光电探测器13的探测能量I42、第三光电探测器17的探测能量I43和第四光电探测器19的探测能量I44，得到第四能量矩阵：
I4＝[I41，I42，I43，I44]T (4)，
所述＝[S31，S32，S33，S34]T；
步骤1.5，将所述第一能量矩阵I1、线偏振激光的stokes矢量S1、第二能量矩阵I2、振动方向变化90°的偏振激光的stokes矢量S2、第三能量矩阵、45°振动偏振光的stokes矢量S3、第四能量矩阵I4和左旋圆偏振光的stokes矢量S3组合成矩阵得到米勒矩阵A：
步骤2，根据所述大气后向散射矩阵进行大气粒子形态的检测，具体按照下述方法进行：
步骤2.1，采用四点放精确标定偏振分析系统的仪器矩阵AR：
步骤2.2，根据大气后向散射米勒矩阵和仪器矩阵AR得到大气后向散射相矩阵F：
步骤2.3，利用大气后向散射相矩阵F对粒子形态进行检测，包括下述步骤
步骤2.3.1，根据大气后向散射相矩阵F计算得到后向散射比β，线退偏比δ和二向衰减系数μ：
β＝F11 (7)
步骤2.3.2，根据所述后向散射比、线退偏比和二向衰减系数判断得到粒子形态。
Claims (8)
1.用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，其特征在于，包括偏振光发生系统、接收系统、偏振分析系统和数据采集处理器(20)四个部分；
其中，偏振光发生系统包括激光器(1)，沿激光器(1)的光路依次设置有玻片(2)和玻片(3)；
所述接收系统包括望远镜(4)，所述望远镜(4)的光轴与激光器(1)的光轴平行；
所述偏振分析系统包括依次在望远镜(4)射出光束设置的准直镜(5)，滤光镜(6)和第一偏振分光镜(7)；
所述第一偏振分光镜(7)的透射光光路上依次设置有第一相位补偿器(8)和第二偏振分光镜(9)；所述第一偏振分光镜(7)的反射光光路上依次设置有第二相位补偿器(14)和第三偏振分光镜(15)；
所述第二偏振分光镜(9)的透射光光路上依次设置有第一汇聚透镜(10)和第一光电探测器(11)；所述第二偏振分光镜(9)的反射光光路上依次设置有第二汇聚透镜(12)和第二光电探测器(13)；
所述第三偏振分光镜(15)透射光光路上依次设置有第三汇聚透镜(16)和第三光电探测器(17)；所述第三偏振分光镜(15)的折射光光路上依次设置有第四汇聚透镜(18)和第四光电探测器(19)；
所述第一光电探测器(11)、第二光电探测器(13)、第三光电探测器(17)和第四光电探测器(19)均与数据采集处理器(20)信号连接。
2.根据权利要求1所述的用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，其特征在于，所述第一偏振分光镜(7)对圆偏振光和自然光的分光比为1:1；第一偏振分光镜(7)在透射方向对p光和s光的透过率之比为3.732；第一偏振分光镜(7)在反射方向对p光和s光的透过率之比为0.268；所述第二偏振分光镜(9)和第三偏振分光镜(10)均由消光比不小于1000:1的偏振分光棱镜构成。
3.根据权利要求1所述的用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，其特征在于，所述第一汇聚透镜(10)、第二汇聚透镜(12)、第三汇聚透镜(13)和第四汇聚透镜(18)均为口径25.4mm、焦距50mm的球面镜。
4.根据权利要求1所述的用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统，其特征在于，所述滤光镜(6)的带宽为0.5nm。
5.用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统的检测方法，其特征在于，具体按照下述步骤进行：
步骤1，利用全偏振激光雷达系统探测得到大气后向散射米勒矩阵；
步骤2，根据所述大气后向散射矩阵进行大气粒子形态的检测。
6.根据权利要求5所述的用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统的检测方法，其特征在于，所述步骤1中利用全偏振激光雷达系统探测得到Mueller矩阵具体按照下述方法进行：
步骤1.1，激光器(1)发出线偏振激光直接进入大气中，在大气中散射后进入望远镜(2)中，通过望远镜(1)汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，根据第一光电探测器(11)获取的探测能量I11、第二光电探测器(13)获取的探测能量I12、第三光电探测器(17)获取的探测能量I13和第四光电探测器(19)获取的探测能量I14，得到第一能量矩阵：
I1＝[I11，I12，I13，I14]T (1)；
其中所述线偏振激光的斯托克斯矢量为S1＝[S11，S12，S13，S14]T；
步骤1.2，调节玻片(2)和玻片(3)的角度和方位，使得经过λ/2玻片(2)和玻片(3)后从玻片(3)射出的偏振激光振动方向变化90°，调节激光器(1)发出线偏振激光，依次经过玻片(2)和玻片(3)后进入大气中，在大气中散射后进入望远镜(2)中，通过望远镜(1)汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，得到第一光电探测器(11)获取的探测能量I21、第二光电探测器(13)获取的探测能量I22、第三光电探测器(17)获取的探测能量I23和第四光电探测器(19)获取的探测能量I24，得到第二能量矩阵：
I2＝[I21，I22，I23，I24]T (2)，
其中，进入振动方向变化90°的偏振激光的stokes矢量记为S2＝[S21，S22，S23，S24]T；
步骤1.3，调节玻片(2)和玻片(3)的角度和方位，使得经过玻片(2)和玻片(3)后从玻片(3)射出激光为45°振动偏振光，调节激光器(1)发出线偏振激光，依次经过玻片(2)和玻片(3)后变成45°振动偏振光进入大气中，45°振动偏振光在大气中散射后进入望远镜(2)中，通过望远镜(1)汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，得到第一光电探测器(11)的探测能量I31、第二光电探测器(13)的探测能量I32、第三光电探测器(17)的探测能量I33和第四光电探测器(19)探测能量I34，得到第三能量矩阵：
I3＝[I31，I32，I33，I34]T (3)，
所述45°振动偏振光的stokes矢量记为S3＝[S31，S32，S33，S34]T；
步骤1.4，调节玻片(2)和玻片(3)的角度和方位，使得经过玻片(2)和玻片(3)后从玻片(3)射出激光为左旋圆偏振光，调节激光器(1)发出线偏振激光，依次经过玻片(2)和玻片(3)后变成左旋圆偏振光进入大气中，左旋圆偏振光在大气中散射后进入望远镜(2)中，通过望远镜(1)汇聚后进入到偏振分析系统中，在经过偏振分析系统后，根据第一光电探测器(11)的探测能量I41、第二光电探测器(13)的探测能量I42、第三光电探测器(17)的探测能量I43和第四光电探测器(19)的探测能量I44，得到第四能量矩阵：
I4＝[I41，I42，I43，I44]T (4)，
所述＝[S31，S32，S33，S34]T；
步骤1.5，将所述第一能量矩阵I1、线偏振激光的stokes矢量S1、第二能量矩阵I2、振动方向变化90°的偏振激光的stokes矢量S2、第三能量矩阵、45°振动偏振光的stokes矢量S3、第四能量矩阵I4和左旋圆偏振光的stokes矢量S3组合成矩阵得到米勒矩阵A：
7.根据权利要求5所述的用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统的检测方法，其特征在于所述步骤2中粒子形态的检测具体按照下述方法进行：
步骤2.1，采用四点放精确标定偏振分析系统的仪器矩阵AR；
步骤2.2，根据大气后向散射米勒矩阵和仪器矩阵AR得到大气后向散射相矩阵F：
步骤2.3，利用大气后向散射相矩阵F对粒子形态进行检测。
8.根据权利要求7所述的用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统的检测方法，其特征在于所述步骤2.3中按照下述方法对粒子形态进行检测：
步骤2.3.1，根据大气后向散射相矩阵F计算得到后向散射比β，线退偏比δ和二向衰减系数μ：
β＝F11 (7)
步骤2.3.2，根据所述后向散射比、线退偏比和二向衰减系数判断得到粒子形态。
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