CN110471047B - 一种偏振激光雷达的标定方法 - Google Patents

一种偏振激光雷达的标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏振激光雷达的标定方法,属于激光雷达定标技术领域。该方法是一种基于偏振分束镜（PBS）漏光比的偏振激光雷达标定方法，用于修正偏振激光雷达的退偏比；本方法通过调换两个通道的光电倍增管，计算两种情形下的退偏比，进而计算出两个光电倍增管间的增益比G,再结合标准大气分子的退偏值计算出漏光比a的值。G和a都是系统常数，并不会因天气而改变，所以这两个定标常数可以用来订正后续观测中的退偏比。本发明可以有效且精确地进行偏振激光雷达系统的标定工作。

Description

一种偏振激光雷达的标定方法
技术领域
本发明涉及一种偏振激光雷达的标定方法,属于激光雷达定标技术领域。
背景技术
根据粒子散射理论，当入射光与粒子发生散射作用时，粒子的形状和大小将会改变散射光的偏振态，根据回波信号的偏振态可以计算出大气粒子的形状，偏振激光雷达也因此得到发展。
偏振激光雷达作为研究沙尘气溶胶和卷云的一种有效工具，与普通的米散射激光雷达相比，其中继光路的探测系统中加入偏振分束镜，使得在电磁场相互正交的光信号分成两束在空间上相互垂直的光信号，然后分别被两个光电探测器探测，得到回波信号中的平行分量和垂直分量，垂直分量与平行分量的比值即为退偏比。退偏比通常用来表示粒子的形状特性，值在0-1之间，球形粒子的退偏值为0，退偏比越大表示粒子形状越不规则。
为了更好地将偏振激光雷达投入应用，实现气溶胶和云的准确测量，需要事先对该偏振激光雷达系统进行标定工作。标定的意思是确定仪器或测量系统的输入—输出关系，赋予仪器或测量系统分度值，并可以同时消除系统误差，改善仪器或系统的精确度，因此在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。
如果不进行偏振激光雷达系统的标定工作，即使使用该偏振激光雷达对于大气进行实测得到相应的数据，也无法通过该数据得到所探测粒子的形状。另一方面，如果标定工作做的不好，那么标定得到的也会存在误差，影响偏振激光雷达的反演精度。
目前用于偏振激光雷达标定的方法很多，V.Freudenthaler等人提出了可以通过在偏振分束镜前放置一半波片，通过旋转半波片可以完成激光雷达的标定过程，卜令兵等提出基于琼斯矩阵对激光雷达的偏振常数进行定标，这些方法需要先将半波片的主轴调整至与偏振分束镜偏振面平行，这在实际操作过程中甚难做到。
发明内容
本发明提出了一种偏振激光雷达的标定方法，可以有效且精确地进行偏振激光雷达系统的标定工作。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方法：
一种基于偏振激光雷达系统的标定方法，包括如下步骤：
(1)选择标定天气进行实验，偏振激光雷达的激光器发射激光，经过扩束镜、反射镜垂直进入大气，后向散射信号被望远镜接收，依次经过反射镜、小孔、准直镜、窄带滤光片后进入偏振分束镜后分解成平行分量和垂直分量分别进入两个通道被第一探测器和第二探测器接收并进行光电转换，最后由采集卡采集存储，在此条件下采集10min数据；
(2)其它条件不变，交换第一探测器和第二探测器，在此条件下再采集10min数据；
(3)利用两种条件下采集的数据分别计算退偏比，δraw1和δraw2为分别为探测器调换前后计算的原始退偏振比，
Figure BDA0002185721160000031
Figure BDA0002185721160000032
a表示漏光比，G表示两个通道的倍增管的增益比，P||和P⊥分别表示平行通道和垂直通道接收到的后向散射信号，
Figure BDA0002185721160000033
使用调换前后的退偏比就能计算得到两个光电倍增管的增益比G；
(4)计算出两个的光电倍增管的增益比，将
Figure BDA0002185721160000034
带入式
Figure BDA0002185721160000035
中，并变形得到
Figure BDA0002185721160000036
δ0为大气分子的退偏，其值为0.0036，由此计算得到漏光比a；
(5)漏光比a和增益比G确定后，用其来进行退偏订正，δ＝(1-a)·Gδraw-a，δraw为订正前的退偏比，δ为订正后的退偏比。
步骤(1)所述标定天气必须为雨后晴朗的天气。
步骤(1)所述采集卡采用P7882型号的光子计数卡。
步骤(1)所述激光器发射激光波长为532nm。
步骤(1)和(2)所述第一探测器、第二探测器均为H10682-110型号的光电倍增管。
步骤(1)所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm。
本发明的有益效果如下：
将标定参数分为探测器增益比和激光雷达漏光比，通过对调两个通道的光电倍增管分别解出这两个参数。因此不需要将半波片的主轴调整至与偏振分束镜偏振面平行，避免了在标定过程中因偏振态不匹配而产生的误差。
附图说明
图1是偏振激光雷达系统结构图。
图2是偏振激光雷达后向散射光分光示意图。
图3(a)是标定个例的后向散射系数廓线图，图3(b)是标定前后的退偏比廓线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
标定方法所用的偏振激光雷达系统见图1。
被标定的偏振激光雷达系统包括发射系统以及接收系统。
其中发射系统包括：激光器、扩束镜和反射镜。接收系统包括：望远镜、小孔、反射镜、准直镜、滤光片、偏振分束镜、平行通道光电倍增管和垂直通道光电倍增管。
本发明提出了一种可将标定参数分为探测器增益比和激光雷达漏光比，通过对调两个通道的光电倍增管，分别解出这两个参数。其标定方法具体如下：如图2所示，激光雷达望远镜接收到激光信号经滤光准直之后进入偏振分束镜(PBS)。若不考虑由于偏振棱角不匹配，则经过分束镜之后两通道接收到的光信号分别为P||和P⊥。由于偏振棱角的不匹配，平行通道光会漏到垂直通道，垂直通道的光也会漏到平行通道。但是由于垂直通道的光信号较弱，因此忽略不计。考虑到这两个道通的漏光，则两个通道接收的光信号分别为(1-a)P||和P⊥+aP||，其中：a表示漏光比，两个通道的探测器的增益比G＝KD1/KD2，其中：KD1和KD2为分别为平行通道和垂直通道探测器的增益，因此在两个探测器对调前后满足如下两个方程。其中δraw1和δraw2为分别为调换前后计算的原始退偏振比
Figure BDA0002185721160000051
Figure BDA0002185721160000052
其中：G为两个通道的探测器的增益比，公式(2)式除以公式(1)式得：
Figure BDA0002185721160000053
将
Figure BDA0002185721160000054
带入公式(1)中，并变形可以等到
Figure BDA0002185721160000055
δ＝(1-a)·Gδraw-a (5)
其中：a表示漏光比，是不随天气而变化的系统常数；δraw为订正前的退偏比，δ为订正后的退偏比，δ0为大气分子的退偏，其值为0.0036。
基于此计算方法，我们在雨后的晴朗天气完成了两个通道的对调实验。根据测得的数据和理论计算我们得到增益比G＝1.221。由于此方法需要在利用大气分子的退偏振比作为定标依据，因此要求标定高度气溶胶较小或者没有气溶胶，在此我们可以利用fernald反演方法气溶胶的消光系数看判定该区域是否干净，反演结果如图3(a)所示，其中虚线代表分子的后向散射，实线代表气溶胶的后向散射。根据反演的结果可以看出，气溶胶的后向散射小于大气分子的后向散射，因此可以证明说此时几乎没有大气气溶胶。根据偏振通道的信号比并结合气溶胶垂直廓线，我们选取9km到11km的高度作为标定区域。根据公式(4)，计算得到漏光比a＝0.0298，然后利用公式(5)即可以计算出米散射和瑞丽散射总的退偏振比。图3(b)的虚线给出了未标定时测得的原始退偏振比，实线给出了经标定后的线性退偏振比，点线表征大气分子退偏值。由该图可知，经标定后高空探测的退偏比接近于分子的退偏振比，说明此次标定有效。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方法基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种偏振激光雷达的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选择标定天气进行实验，偏振激光雷达的激光器发射激光，经过扩束镜、反射镜垂直进入大气，后向散射信号被望远镜接收，依次经过反射镜、小孔、准直镜、窄带滤光片后进入偏振分束镜后分解成平行分量和垂直分量分别进入两个通道被第一探测器和第二探测器接收并进行光电转换，最后由采集卡采集存储，在此条件下采集10min数据；
(2)其它条件不变，交换第一探测器和第二探测器，在此条件下再采集10min数据；
(3)利用两种条件下采集的数据分别计算退偏比，δraw1和δraw2为分别为探测器调换前后计算的原始退偏振比，
Figure FDA0002185721150000011
Figure FDA0002185721150000012
a表示漏光比，G表示两个通道的倍增管的增益比，P||和P⊥分别表示平行通道和垂直通道接收到的后向散射信号，
Figure FDA0002185721150000013
使用调换前后的退偏比就能计算得到两个光电倍增管的增益比G；
(4)计算出两个的光电倍增管的增益比，将
Figure FDA0002185721150000014
带入式
Figure FDA0002185721150000015
中，并变形得到
Figure FDA0002185721150000016
δ0为大气分子的退偏，其值为0.0036，由此计算得到漏光比a；
(5)漏光比a和增益比G确定后，用其来进行退偏订正，δ＝(1-a)·Gδraw-a，δraw为订正前的退偏比，δ为订正后的退偏比。
2.根据权利要求1所述的一种偏振激光雷达的标定方法，其特征在于，步骤(1)所述标定天气必须为雨后晴朗的天气。
3.根据权利要求1所述的一种偏振激光雷达的标定方法，其特征在于，步骤(1)所述采集卡采用P7882型号的光子计数卡。
4.根据权利要求1所述的一种偏振激光雷达的标定方法，其特征在于，步骤(1)所述激光器发射激光波长为532nm。
5.根据权利要求1所述的一种偏振激光雷达的标定方法，其特征在于，步骤(1)和(2)所述第一探测器、第二探测器均为H10682-110型号的光电倍增管。
6.根据权利要求1所述的一种偏振激光雷达的标定方法，其特征在于，步骤(1)所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm。
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