CN110441792B - 同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统及相关校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统及相关校准方法，能够实现大气风速和温度的同时测量。其回收光路能收集并检测F‑P标准具的反向输出的反射信号，将该信号与F‑P标准具两信号通道的能量相加，最终得到大气回波信号的总能量，进而实现风速和温度的同时探测。能够收集信号经过光学元件的反射光，充分利用了大气回波信号，减少了信号在接收系统中传输过程中的光学损失，提高了整个系统的光学效率。系统校准简便，在原接收光路中增加分束片，耦合透镜和探测器即可对回波信号总能量进行校准，校准后进一步提高了测温精度。

Description

同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统及相关校准方法
技术领域
本发明涉及激光遥感、大气探测、光电探测技术领域，尤其涉及一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统及相关校准方法。
背景技术
中高层大气是一个重要且复杂的区域，它包含了很多重要的地球物理现象，与人类的生存和发展密切相关。利用激光雷达对中高层大气的温度和风场进行观测具有重要的科学价值和现实意义。
测风多普勒激光雷达是一种高精度、高分辨率的大气风场探测技术，在大气动力学研究，天气预报和大气环境监测等领域都有广泛应用，其主要分为相干探测和直接探测两种方式。其中相干探测通常以气溶胶粒子的后向散射信号为探测目标，适用于低对流层或边界层附近等气溶胶含量较高的区域，而对于对流层上端和中高层大气，气溶胶含量很低，可采用基于瑞利散射的直接探测方式。尽管较宽的瑞利散射谱限制了风速测量的精度，但是分子的瑞利散射可在中高层大气范围内提供一个相对稳定可靠的散射源。
瑞利散射多普勒测风激光雷达通常采用双边缘技术，它利用频谱分布相同，中心频率分开的两个Fabry-Perot(F-P)标准具作为边缘滤波器，使出射激光频率位于两个滤波器谱的交点。没有多普勒频移时，两滤波器输出信号相同。如果散射信号相对于发射激光频率存在一个频移，两个滤波器的输出信号一增一减，根据其差异可以确定多普勒频移量，进而得到大气风速。通常采用两信号的比率计算瑞利散射信号的多普勒频移，称其为瑞利响应函数。通常将瑞利响应函数写作：
Figure BDA0002174449600000011
其中T1(ν)，T2(ν)分别为瑞利散射信号经过两个滤波器的透过率。由瑞利响应函数的反函数可以确定多普勒频移，进而可以求得径向风速为：
Figure BDA0002174449600000012
其中，λ为激光发射波长。
当前在大气测温技术领域，激光雷达测温具有实时性好、探测灵敏度高和时空分辨率好的特点，主要的测量技术包括：积分技术、转动拉曼技术、共振荧光技术、差分吸收技术和布里渊-多普勒技术等。
其中，积分技术是假设已知某参考高度上的大气密度和温度，由于高度z处的分子散射信号强度正比于此高度的分子数密度，通过回波信号强度就可以得到大气的密度分布：
Figure BDA0002174449600000021
其中，z0为雷达高度；ρ(z)为高度z处的大气密度；ρ(zref)为参考高度zref处的大气密度；N(z)为高度z处接收信号光子数；N(zref)为参考高度zref处接收信号光子数；τ(zref,z)2为从zref到z的双程大气透过率。
再结合理想气体状态方程和大气静力学方程可以得到接收光子数、大气温度和探测距离三者之间的关系，进而积分求得大气温度：
Figure BDA0002174449600000022
积分技术是依赖于大气密度和回波信号总能量之间的正比关系进行温度测量的。在瑞利散射多普勒测风激光雷达中，由于F-P标准具存在一定透过率，回波信号在F-P标准具两平行板间多次反射，会有部分反射光反向输出不会被探测器探测，从而难以通过两信号通道的能量确定回波信号的总能量，也就不能实现准确的风速和温度的同时测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统及相关校准方法，可以利用F-P标准具，结合双边缘技术和积分技术来进行大气风场和温度的同时测量；同时，还可以对回波信号的总能量进行校准，校准后可以提高反演大气温度的精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统，包括：发射光路、接收光路与回收光路；其中：
所述发射光路包括：依次设置的激光发射系统、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、反射镜与望远系统；
所述接收光路的输入为，发射光路中望远系统接收并依次经过反射镜、第一四分之一波片以及第一偏振分光棱镜反射的回波信号；所述接收光路包括：依次设置的干涉滤光片、二分之一波片、第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、非偏振分光棱镜、F-P标准具、第一与第二耦合透镜、以及第一与第二信号通道探测器；
所述回收光路与接收光路共用第二偏振分光棱镜与第二四分之一波片；所述回收光路，还包括：第三耦合透镜与回收光路探测器；F-P标准具的部分反射信号依经非偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜、第三耦合透镜进入回收光路探测器。
一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统的校准方法，在前述系统的接收光路中设置分束片、第四耦合透镜与校准光路探测器；
所述分束片将入射光，按照i：j的比例分成两束，其中，i为透射光比例，j为反射光比例，i+j＝100，且i＞＞j；反射光由第四耦合透镜耦合进入校准光路探测器进行探测；
透射光则依次经过第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、非偏振分光棱镜与F-P标准具，最终被第一与第二信号通道探测器探测；
F-P标准具的部分反射信号依经非偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜与第三耦合透镜，被回收光路探测器探测；
利用校准光路探测器、第一与第二信号通道探测器以及回收光路探测器的探测结果进行校准。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，1)能够实现大气风速和温度的同时测量。其回收光路能收集并检测F-P标准具的反向输出的反射信号，将该信号与F-P标准具两信号通道的能量相加，最终得到大气回波信号的总能量，进而实现风速和温度的同时探测。2)能够收集信号经过光学元件的反射光，充分利用了大气回波信号，减少了信号在接收系统中传输过程中的光学损失，提高了整个系统的光学效率。3)系统校准简便，在原接收光路中增加分束片，耦合透镜和探测器即可对回波信号总能量进行校准，校准后进一步提高了测温精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统的光路示意图；
图2为本发明实施例提供的同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统的校准方法的光路示意图；
图1～图2中：1-第一信号通道探测器；2-第二信号通道探测器；3-第一耦合透镜；4-第二耦合透镜；5-第一信号通道；6-第二信号通道；7-F-P标准具；8-非偏振分光棱镜；9-第二四分之一波片；10-第二偏振分光棱镜；11-第三耦合透镜；12-回收光路探测器；13-二分之一波片；14-干涉滤光片；15-激光发射系统；16-第一偏振分光棱镜；17-第一四分之一波片；18-反射镜：19-望远系统；20-分束片；21-第四耦合透镜；22-校准光路探测器。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统，如图1所示，其主要包括：发射光路、接收光路与回收光路；其中：
所述发射光路包括：依次设置的激光发射系统15、第一偏振分光棱镜16、第一四分之一波片17、反射镜18与望远系统19；
所述接收光路的输入为，发射光路中望远系统19接收并依次经过反射镜18、第一四分之一波片17以及第一偏振分光棱镜16反射的回波信号；所述接收光路包括：依次设置的干涉滤光片14、二分之一波片13、第二偏振分光棱镜10、第二四分之一波片9、非偏振分光棱镜8、F-P标准具7、第一与第二耦合透镜(3与4)、以及第一与第二信号通道探测器(1与2)；
所述回收光路与接收光路共用第二偏振分光棱镜10与第二四分之一波片9；所述回收光路，还包括：第三耦合透镜11与回收光路探测器12；F-P标准具7的部分反射信号依经非偏振分光棱镜8、第二四分之一波片9、第二偏振分光棱镜10、第三耦合透镜11进入回收光路探测器12。
图1所示系统的主要工作过程如下：
激光发射系统16出射532nm的线偏振光，经过第一偏振分光棱镜16和第一四分之一波片17组成的光学开关，由线偏振光变成圆偏振光；再由反射镜18反射进入望远系统19后被发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用；
回波信号被望远系统19接收，再经由反射镜18导入第一四分之一波片17，此时圆偏振光变成线偏振光且偏振方向和出射激光偏振方向成90°，在第一偏振分光棱镜16处发射反射；反射光进入接收光路，先经过干涉滤光片14滤除背景光，再经由二分之一波片13将线偏振光的偏振方向旋转90°，使其能够透过第二偏振分光棱镜10；透射光经过第二四分之一波片9由线偏振光变成圆偏振光被导入非偏振分光棱镜8；非偏振分光棱镜8将光束按50:50的比例分成两束，分别进入F-P标准具7的第一信号通道5和第二信号通道6；最终第一信号通道5的出射光被第一耦合透镜3耦合进第一信号通道探测器1进行探测，第二信号通道6的出射光被第二耦合透镜4耦合进第二信号通道探测器2进行探测；
F-P标准具7有一定的透过率，信号在其中发生多次反射，部分反射信号会沿原光路经非偏振分光棱镜8反向输出进入回收光路；反射信号再次经过第二四分之一波片9由圆偏振光变成线偏振光，偏振方向旋转90°在第二偏振分光棱镜10处发生反射，最终被第三耦合透镜11耦合进入回收光路探测器12进行探测。
本发明实施例中，激光发射系统15采用1064nm种子激光器产生窄线宽连续激光注入到主振放大器，经脉冲放大，倍频后输出532nm激光脉冲。
本发明实施例中，发射光路中的第一偏振分光棱镜16与第一四分之一波片17组成光学开关，只允许P偏振光透过，S偏振光在分光表面发射反射作用。
本发明实施例中，第二偏振分光棱镜10与第二四分之一波片9组成光学开关，将接收的信号光由线偏振光变成圆偏振光导入非偏振分光棱镜8和F-P标准具7；还将由F-P标准具7反射出来的信号光变成S偏振光反射进入回收光路探测器12进行探测。
本发明实施例中，F-P标准具7作为窄带鉴频器来检测多普勒频移，包括第一与第二信号通道；当没有多普勒频移时，两信号通道得到的透过率曲线相同，当回波信号相对出射激光产生频移时，两信号通道的透过率曲线不再相等，通过两通道的透过率之比从而计算出多普勒频移。
本发明实施例中，反射镜18用于调整光路传输方向，使整个系统布局更加紧凑。
本发明实施例中，望远系统19为收发同制的信号收发装置，用于将激光发射至大气中，并接受回波信号。
本发明实施例中，第一、第二与第三耦合透镜都是用于将信号耦合进入探测器进行探测。
本发明实施例上述方案，利用F-P标准具，结合双边缘技术和积分技术来进行大气风场和温度的同时测量。由于F-P标准具存在一定透过率，回波信号在F-P标准具两平行板间多次反射，会有部分反射光反向输出不会被两信号通道探测器探测，本系统设计一条回收光路，能够收集并检测这部分反射光，得到回波信号的总能量，实现风速和温度的同时测量。
本发明另一实施例还提供一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统的校准方法，该方法通过在前述图1所示系统的接收光路中设置分束片、第四耦合透镜与校准光路探测器；
所述分束片将入射光，按照i：j的比例分成两束，其中，i为透射光比例，j为反射光比例，i+j＝100，且i＞＞j；反射光由第四耦合透镜耦合进入校准光路探测器进行探测；
透射光则依次经过第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、非偏振分光棱镜与F-P标准具，最终被第一与第二信号通道探测器探测；
F-P标准具的部分反射信号依经非偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜与第三耦合透镜，被回收光路探测器探测；
利用校准光路探测器、第一与第二信号通道探测器以及回收光路探测器的探测结果进行校准。
为了便于表示，相关校准方法所涉及的光路中去除了部分发射光路，具体可参见图2。
如图2所示，激光发射系统15发射532nm的线偏振光，经反射镜18反射后，被分束片20按i:j的透反比分成两束。其中小部分反射光进入校准光路，由第四耦合透镜21耦合进入校准光路探测器22进行探测，大部分透射光透过第二偏振分光棱镜10后，再经第二四分之一波片9由线偏振光变成圆偏振光。圆偏振光进入非偏振分光棱镜8按50:50的比例分成两束，分别进入F-P标准具7的第一信号通道5和第二信号通道6，其中第一信号通道5输出的能量被第一耦合透镜3耦合进第一信号通道探测器1进行探测，第二信号通道6输出的能量被第二耦合透镜4耦合进第二信号通道探测器2进行探测。由于F-P标准具7存在一定的透过率，信号光在两平行玻璃板之间发生多次反射，会有部分反射光经由非偏振分光棱镜8反向输出。这部分反射光再次经过第二四分之一波片9时，由圆偏振光变成线偏振光，偏振方向使得其在第二偏振分光棱镜10发射反射进入回收光路。回收的反射光被第三耦合透镜耦合进回收光路探测器12进行探测。
本领域技术人员可以理解，i+j＝100，且i＞＞j时，可以根据实际情况进行数值设定，例如，设置i＝97，j＝3。小部分的反射光经耦合透镜耦合进入校准光路探测器进行测量，测得的能量乘以分束比可以得到透射光能量，进而得到接收总能量。
因为在双边缘测风技术中，瑞利响应函数是两信号通道透过率的相对变化值，传输过程中的光损失对其影响不大，不会影响风速测量的精度。而对于积分测温技术，需考虑传输过程中存在光损失，对测得的信号总能量进行校准，提高温度测量的精度。
校准时，通过第一信号通道探测器、第二信号通道探测器、回收光路探测器、以及校准光路探测器测得相应的信号光子数，对应的记为N1、N2、N3以及N4，满足：
Figure BDA0002174449600000071
其中，N0为进入接收光路的光子数，C为校准常数；
记录不同激光能量下同一时刻的N1、N2、N3与N4从而计算出校准常数C，进而校准测得的回波信号总能量，提高温度反演的精度。
本发明实施例上述方案，考虑回波信号在接收系统中的传输损失，提出了针对测风测温瑞利散射激光雷达接收系统的校准方法，可以对回波信号的总能量进行校准，校准后可以提高反演大气温度的精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统，其特征在于，包括：发射光路、接收光路与回收光路；其中：
所述发射光路包括：依次设置的激光发射系统、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、反射镜与望远系统；
所述接收光路的输入为，发射光路中望远系统接收并依次经过反射镜、第一四分之一波片以及第一偏振分光棱镜反射的回波信号；所述接收光路包括：依次设置的干涉滤光片、二分之一波片、第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、非偏振分光棱镜、F-P标准具、第一与第二耦合透镜、以及第一与第二信号通道探测器；
所述回收光路与接收光路共用第二偏振分光棱镜与第二四分之一波片；所述回收光路，还包括：第三耦合透镜与回收光路探测器；F-P标准具的部分反射信号依经非偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜、第三耦合透镜进入回收光路探测器。
2.根据权利要求1所述的一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统，其特征在于，
激光发射系统出射532nm的线偏振光，经过第一偏振分光棱镜和第一四分之一波片组成的光学开关，由线偏振光变成圆偏振光；再由反射镜反射进入望远系统后被发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用；
回波信号被望远系统接收，再经由反射镜导入第一四分之一波片，此时圆偏振光变成线偏振光且偏振方向和出射激光偏振方向成90°，在第一偏振分光棱镜处发射反射；反射光进入接收光路，先经过干涉滤光片滤除背景光，再经由二分之一波片将线偏振光的偏振方向旋转90°，使其能够透过第二偏振分光棱镜；透射光经过第二四分之一波片由线偏振光变成圆偏振光被导入非偏振分光棱镜；非偏振分光棱镜将光束按50:50的比例分成两束，分别进入F-P标准具的第一信号通道和第二信号通道；最终第一信号通道的出射光被第一耦合透镜耦合进第一信号通道探测器进行探测，第二信号通道的出射光被第二耦合透镜耦合进第二信号通道探测器进行探测；
F-P标准具有一定的透过率，信号在其中发生多次反射，部分反射信号会沿原光路经非偏振分光棱镜反向输出进入回收光路；反射信号再次经过第二四分之一波片由圆偏振光变成线偏振光，偏振方向旋转90°在第二偏振分光棱镜处发生反射，最终被第三耦合透镜耦合进入回收光路探测器进行探测。
3.根据权利要求1或2所述的一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统，其特征在于，激光发射系统采用1064nm种子激光器产生窄线宽连续激光注入到主振放大器，经脉冲放大，倍频后输出532nm激光脉冲。
4.根据权利要求1或2所述的一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统，其特征在于，发射光路中的第一偏振分光棱镜与第一四分之一波片组成光学开关，只允许P偏振光透过，S偏振光在分光表面发射反射作用。
5.根据权利要求1或2所述的一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统，其特征在于，第二偏振分光棱镜与第二四分之一波片组成光学开关，将接收的信号光由线偏振光变成圆偏振光导入非偏振分光棱镜和F-P标准具；还将由F-P标准具反射出来的信号光变成S偏振光反射进入回收光路探测器进行探测。
6.根据权利要求1或2所述的一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统，其特征在于，F-P标准具作为窄带鉴频器来检测多普勒频移，包括第一与第二信号通道；当没有多普勒频移时，两信号通道得到的透过率曲线相同，当回波信号相对出射激光产生频移时，两信号通道的透过率曲线不再相等，通过两通道的透过率之比从而计算出多普勒频移。
7.一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统的校准方法，其特征在于，在权利要求1-6任一项所述系统的接收光路中设置分束片、第四耦合透镜与校准光路探测器；
所述分束片将入射光，按照i：j的比例分成两束，其中，i为透射光比例，j为反射光比例，i+j＝100，且i＞＞j；反射光由第四耦合透镜耦合进入校准光路探测器进行探测；
透射光则依次经过第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、非偏振分光棱镜与F-P标准具，最终被第一与第二信号通道探测器探测；
F-P标准具的部分反射信号依经非偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜与第三耦合透镜，被回收光路探测器探测；
利用校准光路探测器、第一与第二信号通道探测器以及回收光路探测器的探测结果进行校准。
8.根据权利要求7所述的一种同时测风测温的瑞利散射激光雷达系统的校准方法，其特征在于，
校准时，通过第一信号通道探测器、第二信号通道探测器、回收光路探测器、以及校准光路探测器测得相应的信号光子数，对应的记为N1、N2、N3以及N4，满足：
Figure FDA0002174449590000031
其中，N0为进入接收光路的光子数，C为校准常数；
记录不同激光能量下同一时刻的N1、N2、N3与N4从而计算出校准常数C，进而校准测得的回波信号总能量。
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