CN110488252A - 一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置和标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置和标定方法，包括激光发射系统、接收系统和采集处理系统；所述接收系统包括主望远镜和辅助望远镜，所述主望远镜接收的信号经过第一小孔光阑、第一准直目镜以及第一偏振立方分光棱镜分光后分为两路，其中经过第一偏振立方分光棱镜反射的一路信号进入第一光电倍增管通道；所述辅助望远镜接收的信号通过第二小孔光阑、线偏振片和第二准直目镜后进入第四光电倍增管通道；所述采集系统包括数据采集卡和工控机，所述数据采集卡采集各个光电倍增管通道的信号送至工控机进行处理。利用本发明，可以解决地基气溶胶激光雷达在大气边界层内近地面的气溶胶观测限制问题。

Description

一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置和标定 方法

技术领域

本发明属于大气气溶胶遥感激光雷达技术领域，尤其是涉及一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置和标定方法。

背景技术

地基气溶胶激光雷达对研究大气边界层(地面延伸至距离地表1～1.5km处，具有湍流特性的大气层)内的气溶胶分布具有重要意义，但由于激光雷达系统受到重叠因子(描述发射激光束与望远镜接收视场之间的重叠区域随高度的变化)的影响，靠近地面的探测距离受限且探测结果依赖重叠因子定标的准确度。因此，基于激光雷达的有关大气边界层动力学或空气污染的研究往往不能准确地进行。为了准确反演近场激光雷达观测结果，必须校正所谓的重叠因子。

确定重叠因子的方法可以分为两大类：理论计算和实验方法。理论计算是根据激光光束截面、光束指向、光束发散角、望远镜视场角和轴间距等系统参数建模计算的，此外，还需保证发射激光束与望远镜光轴之间的高度平行。

由于上述这些因素在实验过程中存在一定程度的波动现象，比如激光指向性的随机偏移，因此很难保证计算出准确的重叠因子。为了对实际激光雷达数据进行精确校正，需要对重叠函数进行实验确定。一般的实验测定方法常需要假设大气的状态，比如大气均匀、假定一个气溶胶激光雷达比等，一方面假设会引入与实际重叠因子的偏差，另一方面，这种定标方法并不能实时反映系统的状态变化。

国内外至今尚未确定一种实时准确的定标重叠因子的有效方法，因此，在大气边界层内近地面的气溶胶的观测一直受到限制，影响了大气边界层动力学或空气污染的研究推进。

发明内容

本发明提供了一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置和标定方法，可以解决地基气溶胶激光雷达在大气边界层内近地面的气溶胶观测限制问题。

一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置，包括激光发射系统、接收系统和采集处理系统；

所述激光发射系统包括单频线偏脉冲激光器、准直扩束器和第一反射镜；所述单频线偏脉冲激光器发出的激光由准直扩束器扩束后经过第一反射镜反射进入大气；

所述接收系统包括主望远镜和辅助望远镜，所述主望远镜接收的信号经过第一小孔光阑、第一准直目镜以及第一偏振立方分光棱镜分光后分为两路，其中经过第一偏振立方分光棱镜反射的一路信号进入第一光电倍增管通道；所述辅助望远镜接收的信号通过第二小孔光阑、线偏振片和第二准直目镜后进入第四光电倍增管通道；

所述采集系统包括数据采集卡和工控机，所述数据采集卡采集各个光电倍增管通道的信号送至工控机进行处理。

本发明的装置中，所述的主望远镜和辅助望远镜用于接收不同视场角的气溶胶激光雷达光信号，所述的第一小孔光阑和第二小孔光阑用于限制望远镜的视场角；所述的准直目镜用于使望远镜接收到发散的气溶胶激光雷达光信号准直传播。

针对一些特定类型的气溶胶激光雷达系统，进一步地，还可以使得经过第一偏振立方分光棱镜分光后的透射信号射向第二立方分光棱镜，经过第二立方分光棱镜后分为两路，其中一路反射信号反射进入第二光电倍增通道，另一路透射信号通过碘分子吸收池后进入第三光电倍增通道。

四个光电倍增通道均由干涉滤光片、透镜和光电探测器组成，所述的干涉滤光片用于去除背景光噪声，所述的透镜将气溶胶激光雷达光信号聚焦至与其对应的光电探测器光敏面上，所述的光电探测器将气溶胶激光雷达光信号转化成电信号。

所述单频线偏脉冲激光器发出的激光频谱宽度≤150MHz，发射的激光发散角全角≤0.5mrad；所述准直扩束器的扩束倍数≥5倍，经过准直扩束后出射的激光发散角全角≤0.1mrad。

所述主望远镜的接收视场角全角范围在0.2mrad至0.5mrad之间，略大于发射激光光束的发散角；所述的辅助望远镜的接收视场角全角范围在1mrad至2mrad之间，远大于发射激光光束的发散角。

所述第二立方分光棱镜采用透射率远大于反射率的分光棱镜，透射率和反射率的分光比可以为90：10。

本发明还提供了一种利用上述地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置对重叠因子进行标定的方法，包括：

(1)将激光发射系统、接收系统以及采集处理系统根据需要安装在目标位置，特别地，应当使辅助望远镜轴心与发射激光光轴间距较小；

(2)调整主望远镜、辅助望远镜与激光发射系统最后射入大气的激光光束之间的夹角，使两个望远镜与发射的激光光束均保持平行；

(3)调节第一小孔光阑和第二小孔光阑，使辅助望远镜的视场角远大于激光发射系统发射激光光束的发散角，主望远镜的视场角略大于发射激光光束的发散角；

(4)调节辅助望远镜的线偏振片，使得第一光电倍增管通道与第四光电倍增管通道所探测大气后向散射信号的偏振态相同；

(5)根据第一光电倍增管通道、第二光电倍增管通道、第三光电倍增管和第四光电倍增管通道的信号计算得到大气后向散射系数和消光系数；

(6)将高光谱分辨率激光雷达的重叠因子标定出，并将消光系数的反演推导至近地面的重叠因子过渡区内。

步骤(1)、(3)中，调节主望远镜的接收视场角全角范围在0.2mrad至0.5mrad之间，调节辅助望远镜的接收视场角全角范围在1mrad至2mrad之间，且辅助望远镜轴心与发射激光光轴距离小于200mm。

步骤(5)的具体过程为：

(5-1)首先列出第一至第四光电倍增管通道的激光雷达方程

其中，B_i为校正后系统常数因子与距离后的激光雷达回波信号，i表示通道序号；O_I表示主望远镜与发射激光束的重叠因子，O_II表示辅助望远镜与发射激光束的重叠因子；为气溶胶粒子或大气分子的垂直(上标为⊥)后向散射系数；为气溶胶粒子或大气分子的平行(上标为||)后向散射系数，j＝A表示气溶胶粒子，j＝M表示大气分子；R₀表示探测起点，R表示探测终点；α_j为气溶胶粒子或大气分子的消光系数，T_j表示第三光电倍增管通道的气溶胶粒子或大气分子散射信号透过率；

(5-2)根据上述公式，得到主望远镜与发射激光束的重叠因子O_I的计算表达式

O_I＝O_II·B₁/B₄＝B₁/B₄

其中，由于辅助调节望远镜的接收视场角远大于发射激光束发散角，且辅助望远镜轴心与发射激光光轴距离较近，可视为O_II＝1。

根据上述公式，可以得到大气气溶胶粒子的后向散射系数β_A的反演表达式

其中，是大气分子退偏比，与大气分子的其他光学参数均可以通过大气模型精确的评估得到；δ＝B₁/B₂为第一、第二探测通道信号之比，其物理意义是大气总退偏比，K＝B₂/B₃为第二第三探测通道信号之比；

进一步推得消光系数的反演表达式为

其中，O_I为所求得的重叠因子，T_j表示第三光电倍增管通道的气溶胶粒子或大气分子散射信号透过率，j＝A表示气溶胶粒子，j＝M表示大气分子。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的装置不需要对使用待定标激光雷达系统做出任何改变，即可定标出重叠因子过渡区的形状和数值，将大气气溶胶相关参数的精确反演延伸至近地面；

2、本发明的装置不需要在特定大气状态下进行定标，可以实时采集激光雷达信号让定标与观测同步进行，保证了定标结果随系统状态波动的准确性；

3、本发明的装置结构简单，成本较低，具有很强的推广价值。

4、本发明的装置和方法具有启发性，可适用于多种类型气溶胶激光雷达系统如米散射激光雷达、拉曼激光雷达、高光谱分辨率激光雷达等的重叠因子定标，具有较好的可拓展性和泛用性。

附图说明

图1为本发明一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中系统重叠因子示意图；

图3为本发明实施例中按照提供的理论参数计算得到的重叠因子；

图4为本发明实施例中反演得到的重叠因子与理论计算重叠因子的对比。

图中，窄带单频线偏脉冲激光器1、准直扩束器2、第一反射镜3、主望远镜4、辅助望远镜5、第一小孔光阑6、第一准直目镜7、第二反射镜8、偏振立方分光棱镜9、立方分光棱镜10、碘分子吸收池11、第二小孔光阑12、线偏振片13、第二准直目镜14、第一光电倍增管通道15、第二光电倍增管通道16、第三光电倍增管通道17、第四光电倍增管通道18、数据采集卡19、工控机20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置，包括激光发射系统、接收系统和采集处理系统。

激光发射系统包括窄带单频线偏脉冲激光器1、准直扩束器2和第一反射镜3。接收系统包括主望远镜4、第一小孔光阑6、第一准直目镜7、第二反射镜8、偏振立方分光棱镜9、立方分光棱镜10、碘分子吸收池11、辅助望远镜5、第二小孔光阑12、线偏振片13、第二准直目镜14、第一光电倍增管通道15、第二光电倍增管通道16、第三光电倍增管通道17和第四光电倍增管通道18。采集系统包括数据采集卡19和工控机20，数据采集卡19采集各个光电倍增管通道的信号送至工控机20进行处理。

四个光电倍增通道均由干涉滤光片、透镜和光电探测器组成，干涉滤光片用于去除背景光噪声，透镜将气溶胶激光雷达光信号聚焦至与其对应的光电探测器光敏面上，光电探测器将气溶胶激光雷达光信号转化成电信号。

激光发射系统中的窄带单频线偏脉冲激光器1发射的P偏振态光束经过准直扩束器2的准直后，经第一反射镜3发射到大气中；被大气分子和气溶胶粒子的散射，产生激光雷达可接收的后向散射回波信号。激光雷达回波信号分别由两个望远镜收集：大口径小视场的主望远镜4接收的信号经偏振立方分光棱镜9分光，一路信号被反射进入第一光电倍增管通道15，另一路信号透射到立方分光棱镜10后分为两路，一路信号被反射进入第二光电倍增管通道16，另一路信号透射通过碘分子吸收池11后进入第三光电倍增管通道17；小口径大视场的辅助望远镜5接收的信号通过线偏振片13后留下P偏振态的光后进入第四光电倍增管通道18。

经过数据采集卡19采集各个光电倍增管信号送至工控机20处理，第一至第三光电倍增管通道信号经过公式计算获得大气后向散射系数，第四光电倍增管通道信号与第二光电倍增管通道信号计算获得小视场高光谱分辨率激光雷达的重叠因子，进而精确反演其盲区以上的大气消光系数。

具体进行重叠因子标定的方法如下：

首先列出第一至第三光电倍增管通道的激光雷达方程

其中，B_i为校正后系统常数因子与距离后的激光雷达回波信号(i表示通道序号)，O_I表示望远镜4与发射激光束的重叠因子，β_j为气溶胶粒子或大气分子的后向散射系数(j＝A表示气溶胶，j＝B表示分子，后同)，R₀表示探测起点，R表示探测终点，α_j为气溶胶粒子或大气分子的消光系数，T_j表示第三光电倍增管通道的气溶胶粒子或大气分子散射信号透过率。根据式(7)，可以得到大气气溶胶粒子的后向散射系数β_A的反演表达式

其中，是大气分子退偏比，与大气分子的其他光学参数均可以通过大气模型精确的评估得到；δ＝B₁/B₂为第一第二探测通道信号之比，其物理意义是大气总退偏比(包括大气分子与气溶胶的贡献)，K＝B₂/B₃为第二第三探测通道信号之比。根据式(2)，O_I在通道信号相除时被消除，因此在高光谱分辨率激光雷达装置中，重叠因子对近场后向散射系数的反演没有影响。得到后向散射系数后，由式(1)进一步推得消光系数的表达式为

根据式(3)，第三探测通道需要校正重叠因子O_I后才能准确反演近场气溶胶的消光系数。为此，引入一个小口径大视场的望远镜5接收米散射与瑞利散射信号，第四光电倍增管通道的激光雷达方程表示为

其中，O_II表示辅助望远镜5与发射激光束的重叠因子，两个望远镜与激光发射光束构成的重叠因子O_I与O_II的变化情况如图2所示。由于辅助望远镜5视场角远大于发射激光的发散角，在近地面主望远镜4的过渡区内即可完全接收激光的回波，视为O_II已经到1。对比式(1)与(4)，望远镜与发射激光束的重叠因子可以表示为

进而，消光系数的反演式可以表示为

从而将高光谱分辨率激光雷达的重叠因子定标出，并将消光系数的反演推导至近地面的重叠因子过渡区内。

本发明的装置中，窄带单频线偏脉冲激光器1发出的激光频谱宽度不大于150MHz，激光发散角全角不大于0.5mrad。准直扩束器2扩束倍数不小于5倍，经过准直扩束后出射的激光发散角全角不大于0.1mrad。望远镜4的接收视场角全角不小于0.2mrad且不大于0.5mrad。所述的望远镜5的接收视场角全角不小于1mrad且不大于2mrad。立方分光棱镜10的分光比不是50％：50％，而是透射率远大于反射率的分光棱镜，如R:T＝10％:90％。

本实施例中，窄带单频线偏脉冲激光器1采用频宽不大于150MHz，激光发散角全角不大于0.5mrad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532.26nm，例如美国Continuum公司的Nd:YAG脉冲激光器，采用种子注入技术，单脉冲能量300mJ，重复频率10Hz，频宽150MHz，激光发散角全角0.5mrad。

上述准直扩束器2可以采用高功率扩束器，例如美国Thorlabs公司的BE05-532型号扩束镜，5倍扩束，扩束镜后出射的激光发散角全角0.1mrad，激光光斑大小为30mm；

上述第一反射镜3和第二反射镜8采用普通两英寸反射镜即可，例如北京大恒公司的GCC-101044，直径40mm；

上述主望远镜4可采用反射式、折反式等通用望远镜，例如美国Celestron公司生产的口径280mm，焦距2800mm的施密特-卡塞格林望远镜C11-AXLT；

上述辅助望远镜5可采用折射式望远镜，例如美国Meade公司生产的口径50mm，焦距600mm的折射式望远镜Infinity 50；

上述第一小孔光阑6和第二小孔光阑12分别采用1.5mm和1mm通光口径，产品型号例如美国Thorlabs公司的SM1D12C；

上述第一准直目镜7和第二准直目镜14均采用100mm焦距，例如北京大恒公司的GCL-010111；

上述偏振立方分光棱镜9为普通偏振分光棱镜，S偏振反射，P偏振透射，例如美国Thorlabs公司的PBS252型号分光棱镜；

上述立方分光棱镜10为反射率低于透射率的分光镜，例如美国Thorlabs公司的BS025型号分光镜；

上述线偏振片13为普通线偏振片，消光比500:1，例如北京大恒公司的GCL-050003；

上述四个光电探测通道中可以采用同一型号种类的光电探测器件，可以选用高速响应和高灵敏度的光电二极管、光电倍增管或者电荷耦合器件(CCD)，例如日本滨松公司的R6358型号光电倍增管；其中的滤光片选用窄带通干涉滤光片即可，波长范围527nm-537nm，例如北京大恒公司的GCC-202003；其中的光学透镜为普通的光学透镜，焦距100mm，例如北京大恒公司的GCL-010111；

上述的数据采集系统19，可以采用北京阿尔泰公司的PCI8504数据采集系统；

上述的上位机20，可以采用杭州研祥公司的IPC-810工控机。

结合图2，主望远镜4、第一小孔光阑6和第一准直目镜7构成的接收光路视场角为0.5mrad，与激光发射轴间距为250mm；辅助望远镜5、第一小孔光阑12和第二准直目镜14构成的接收光路视场角为1.6mrad，与激光发射轴间距为100mm。按照该仪器的理论参数计算得到两个望远激光系统的重叠因子如图3所示，在O_I的重叠因子过渡区内，O_II早已到1，满足反演需求。

根据误差传播理论，O_I的反演误差可由下式评估

其中，表示重叠因子O_I的总相对误差，σ表示对应量的统计误差(统计标准差)，表示对应通道的统计平均值。由于实验过程中激光光斑形状不规则、激光指向的略微偏离以及发散角度无法精确测准等因素，理论计算的重叠因子存在与实验测量结果存在一定出入较为正常。如图4所示，为在实验测量结果与其误差范围内，重叠因子与理论计算值吻合的情况，表明该技术具有较高的准确性。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置，其特征在于，包括激光发射系统、接收系统和采集处理系统；

所述激光发射系统包括单频线偏脉冲激光器、准直扩束器和第一反射镜；所述单频线偏脉冲激光器发出的激光由准直扩束器扩束后经过第一反射镜反射进入大气；

所述接收系统包括主望远镜和辅助望远镜，所述主望远镜接收的信号经过第一小孔光阑、第一准直目镜以及第一偏振立方分光棱镜分光后分为两路，其中经过第一偏振立方分光棱镜反射的一路信号进入第一光电倍增管通道；所述辅助望远镜接收的信号通过第二小孔光阑、线偏振片和第二准直目镜后进入第四光电倍增管通道；

所述采集系统包括数据采集卡和工控机，所述数据采集卡采集各个光电倍增管通道的信号送至工控机进行处理。

2.根据权利要求1所述的地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置，其特征在于，经过第一偏振立方分光棱镜分光后的透射信号射向第二立方分光棱镜，经过第二立方分光棱镜后分为两路，其中一路反射信号反射进入第二光电倍增通道，另一路透射信号通过碘分子吸收池后进入第三光电倍增通道。

3.根据权利要求2所述的地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置，其特征在于，所述的第一光电倍增管通道、第二光电倍增管通道、第三光电倍增管通道和第四光电倍增管通道均由干涉滤光片、透镜和光电探测器组成，所述的干涉滤光片用于去除背景光噪声，所述的透镜用于将气溶胶激光雷达光信号聚焦至与其对应的光电探测器光敏面上，所述的光电探测器将气溶胶激光雷达光信号转化成电信号。

4.根据权利要求1所述的地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置，其特征在于，所述单频线偏脉冲激光器发出的激光频谱宽度≤150MHz，发射的激光发散角全角≤0.5mrad；

所述准直扩束器的扩束倍数≥5倍，经过准直扩束后出射的激光发散角全角≤0.1mrad。

5.根据权利要求4所述的地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置，其特征在于，所述主望远镜的接收视场角全角范围在0.2mrad至0.5mrad之间，略大于发射激光光束的发散角；所述的辅助望远镜的接收视场角全角范围在1mrad至2mrad之间，远大于发射激光光束的发散角。

6.一种利用权利要求1～5任一所述的地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置对重叠因子进行标定的方法，其特征在于，包括：

(1)将激光发射系统、接收系统以及采集处理系统根据需要安装在目标位置，使辅助望远镜轴心与发射激光光轴间距较小；

(2)调整主望远镜、辅助望远镜与激光发射系统最后射入大气的激光光束之间的夹角，使两个望远镜与发射的激光光束均保持平行；

(3)调节第一小孔光阑和第二小孔光阑，使辅助望远镜的视场角远大于激光发射系统发射激光光束的发散角，主望远镜的视场角略大于发射激光光束的发散角；

(4)调节辅助望远镜的线偏振片，使得第一光电倍增管通道与第四光电倍增管通道所探测大气后向散射信号的偏振态相同；

(5)根据第一光电倍增管通道、第二光电倍增管通道、第三光电倍增管和第四光电倍增管通道的信号计算得到大气后向散射系数和消光系数；

(6)将高光谱分辨率激光雷达的重叠因子标定出，并将消光系数的反演推导至近地面的重叠因子过渡区内。

7.根据权利要求6所述的对重叠因子进行标定的方法，其特征在于，步骤(1)和(3)中，调节主望远镜的接收视场角全角范围在0.2mrad至0.5mrad之间，调节辅助望远镜的接收视场角全角范围在1mrad至2mrad之间，且辅助望远镜轴心与发射激光光轴距离小于200mm。

8.根据权利要求6所述的对重叠因子进行标定的方法，其特征在于，步骤(5)的具体过程为：

(5-1)首先列出第一至第四光电倍增管通道的激光雷达方程

其中，B_i为校正后系统常数因子与距离后的激光雷达回波信号，i表示通道序号；O_I表示主望远镜与发射激光束的重叠因子，O_II表示辅助望远镜与发射激光束的重叠因子；为气溶胶粒子或大气分子的垂直后向散射系数；为气溶胶粒子或大气分子的平行后向散射系数，j＝A表示气溶胶粒子，j＝M表示大气分子；R₀表示探测起点，R表示探测终点；α_j为气溶胶粒子或大气分子的消光系数，T_j表示第三光电倍增管通道的气溶胶粒子或大气分子散射信号透过率；

(5-2)根据上述公式，得到主望远镜与发射激光束的重叠因子O_I的计算表达式

O_I＝O_II·B₁/B₄＝B₁/B₄

其中，由于辅助调节望远镜的接收视场角远大于发射激光束发散角，且辅助望远镜轴心与发射激光光轴距离较近，可视为O_II＝1。