CN110865396A - 一种高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置和方法，其中，装置包括激光发射系统、接收系统和采集处理系统；所述的接收系统包括望远镜，所述望远镜接收激光雷达回波信号依次经过小孔光阑、准直目镜、第二反射镜以及立方分光棱镜后分为两路，其中一路信号被反射进入后向散射通道，另一路信号透射通过干涉光谱鉴频器后进入高光谱通道；所述的后向散射通道和高光谱通道均由干涉滤光片、透镜和光电探测器组成；所述的干涉光谱鉴频器接有频率扫描控制器；所述采集处理系统包括数据采集卡和上位机，所述数据采集卡采集各个通道的信号送至上位机处理。利用本发明，可以简便、准确地对基于干涉光谱鉴频器的高光谱分辨率激光雷达进行定标。

Description

一种高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置和方法
技术领域
本发明属于大气气溶胶遥感激光雷达技术领域，尤其是涉及一种高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置和方法。
背景技术
大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001～100微米的尘埃、烟雾等固体或液体颗粒。大气中的气溶胶一方面强烈地影响着大气的辐射能量平衡从而影响全球气候，另一方面其作为污染物也直接影响到大气及整个生态环境。对大气气溶胶光学特性精确而高效的探测，是推断气溶胶微物理特性，从而精确厘清气候变化、环境污染的演变规律并提出科学治理方案的前提。
高光谱分辨率激光雷达是一种无需假设消光系数和后向散射系数之比(也称激光雷达比)就可以精确反演气溶胶及云光学特性参数的新型激光雷达系统。高光谱分辨率激光雷达相比普通的后向散射激光雷达引入了关键的特征器件——光谱鉴频器，其系统复杂程度增加。对于高光谱分辨率激光雷达的系统参数，尤其是光谱鉴频器相关参数的准确定标极为关键，关系到最终光学特性产品反演精度，从而决定了是否能发挥出高光谱分辨率激光雷达的根本优势。
高光谱分辨率激光雷达需要定标的基本系统参数包括发射光路与接收光路的重叠因子、各探测器接收的背景噪声、各个探测通道的接收效率(指光进入望远镜之后引起的各通道探测器的响应)或接收效率之比、高光谱分辨通道的气溶胶散射信号透过率与大气分子散射信号透过率等。普通的后向散射激光雷达中需要定标的重叠因子、背景噪声等，经过多年的研究，已经积累了丰富的定标方法。而高光谱分辨率激光雷达中的光谱鉴频器相关的系统常数包括高光谱分辨通道与后向散射通道的接收效率之比(以下简称增益比)、高光谱分辨通道的气溶胶散射信号透过率与大气分子散射信号透过率。常见的532nm波段基于碘分子吸收池光谱鉴频器的高光谱分辨率激光雷达通过移开光谱鉴频器、碘吸收谱线计算或测定的方式可以在观测前分别对上述参数进行标定，但这种方式对于光谱透过率对入射角度极为敏感、精密不宜挪动的干涉光谱鉴频器来说无法沿用与碘分子吸收池光谱鉴频器相同的标定方式，对于干涉光谱鉴频器的参数定标一直是个难题，从而限制了基于干涉光谱鉴频器的高光谱分辨率激光雷达的精确反演和推广应用。
因此，发展一种基于干涉光谱鉴频器的高光谱分辨率激光雷达定标技术可以促进除532nm波段以外其他波段的高光谱分辨率激光雷达的发展，是进一步推动多波段气溶胶光学特性精确反演的技术基础。
发明内容
本发明提供了一种高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置简便、准确的实时定标装置，可以解决高光谱分辨率激光雷达系统中干涉光谱鉴频器定标的难题。
一种高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置，包括激光发射系统、接收系统和信号采集处理系统；
所述激光发射系统发射激光光束到大气中，产生激光雷达回波信号；
所述的接收系统包括望远镜、小孔光阑、准直目镜、第二反射镜、立方分光棱镜、干涉光谱鉴频器、后向散射通道以及高光谱通道，所述望远镜接收激光雷达回波信号依次经过小孔光阑、准直目镜、第二反射镜以及立方分光棱镜后分为两路，其中一路信号被反射进入后向散射通道，另一路信号透射通过干涉光谱鉴频器后进入高光谱通道；所述的后向散射通道和高光谱通道均由干涉滤光片、透镜和光电探测器组成；
所述信号采集处理系统包括数据采集卡和上位机，所述数据采集卡采集各个光电倍增管通道的信号送至上位机处理。
所述的激光发射系统包括窄带单频偏振脉冲激光器、准直扩束器和第一反射镜，脉冲激光器发射的P偏振态光束经过准直扩束器准直后，经第一反射镜发射到大气中，产生激光雷达回波信号。
本发明的装置中，所述的望远镜用于接收激光雷达回波信号，所述的小孔光阑用于限制望远镜的接收视场角，所述的准直目镜用于使望远镜接收到激光雷达光信号准直传播，所述的分光棱镜用于分开激光雷达回波信号，分别导入高光谱通道与后向散射通道，所述的干涉光谱鉴频器包括用于分离气溶胶散射信号与大气分子散射信号的干涉仪光路部分，以及可以连续往复调节干涉光谱鉴频器的频谱透过率曲线，从而改变气溶胶散射信号与大气分子散射信号透过比例的频率扫描控制器，所述的干涉滤光片用于去除太阳背景光噪声，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，所述的数据采集卡与光电探测器、控制电路、上位机连接，用于与上位机进行通讯，并对光电倍增管输出的电信号数据进行量化采集记录。
基于上述装置，本发明还同时提供了一种利用高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置对干涉鉴频器的气溶胶散射信号透过率、大气分子散射信号透过率，以及高光谱通道与后向散射通道的接收效率之比进行标定的方法，可以简便、准确地对基于干涉光谱鉴频器的高光谱分辨率激光雷达进行定标。具体包括以下步骤：
(1)将激光发射系统、接收系统以及采集系统根据需要安装在目标位置；
(2)调整激光发射系统发射的激光光束与望远镜之间的夹角，使望远镜接收光轴与发射的激光光束保持平行，光电探测器接收到全部的光信号；
(3)设置干涉光谱鉴频器的频率扫描控制器，使干涉光谱鉴频器频谱透过率曲线调谐，频率扫描范围大于一个干涉光谱鉴频器的自由光谱范围，保证一个扫描周期内高光谱通道能获得气溶胶散射信号透过率最大和最小的信号；
(4)获取一个扫描周期内高光谱通道中光电探测器接收到的气溶胶散射信号最多时激光雷达信号强度BA以及气溶胶散射信号最少时激光雷达信号强度BM，同时获取后向散射通道中光电探测器接收到的激光雷达信号强度BT；
(5)根据上述获取的激光雷达信号强度，计算高光谱通道中气溶胶散射信号透过率与大气分子散射信号透过率，以及高光谱通道与后向散射通道的接收效率之比。
利用高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置进行标定的过程中，保证激光雷达回波信号完全通过干涉仪光路时，控制所述的频率扫描控制器对干涉光谱鉴频器进行频谱透过率曲线往复扫描，具体来说，即通过控制干涉仪光路中干涉臂长或者折射率的连续变化，引起干涉仪光路整体的光程差变化，从而连续地改变其频谱透过率曲线中心位置。扫频定标时每个扫描周期内必须历经频谱透过率曲线的最大值和最小值，并保证在扫描到频谱透过率曲线极值位置附近(根据干涉仪特性计算的容差范围内)时，信号采集系统采集到至少一条激光雷达回波信号。
步骤(4)中，三个激光雷达信号强度分别表示如下：
BA＝ηH·(Aβa+Bβm)·exp(-2τ)，
BM＝ηH·(Cβa+Dβm)·exp(-2τ)，
BT＝ηT·(βa+βm)·exp(-2τ).
其中，βa和βm分别是气溶胶和大气分子的后向散射系数，τ是大气光学厚度，ηH是除干涉光谱鉴频器外的高光谱通道的接收效率，A和B是高光谱通道在气溶胶散射信号最多时接收到的气溶胶散射信号和大气分子散射信号的透过率，C和D是高光谱通道在气溶胶散射信号最少时接收到的气溶胶散射信号和大气分子散射信号的透过率；ηT是后向散射通道的接收效率。
步骤(5)中，高光谱通道与后向散射通道的接收效率之比(简称增益比)的通过以下公式计算得到：
G＝(BA+BM)/BT＝ηH/ηT
G表示高光谱通道与后向散射通道的接收效率之比。由于BA和BM本质上是干涉光谱鉴频器两个互补通道，因此存在关系A+C＝B+D＝1。
高光谱通道中的大气分子散射信号透过率B和D根据大气标准模型与干涉仪频谱透过率曲线直接计算得出，高光谱通道中的气溶胶散射信号透过率A和C通过以下关系式计算得到：
A+C＝1
由于A和C的比值在大气气溶胶负载足够高，即βa＞＞βm时，可以表示为：
C/A≈BM/BA
联立上式即可求得高光谱通道中的气溶胶散射信号透过率A和C。因此，与精确反演气溶胶相关的光谱鉴频器参数都可分别定标确定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明为通过设计一个简便、准确的实时定标装置，可以解决高光谱分辨率激光雷达系统中干涉光谱鉴频器定标的难题。首先，该装置立足于采集处理系统，不需对待定标系统做出任何改变，即可实时定标出干涉光谱鉴频器后探测通道的增益比和抑制比，从而精确反演大气气溶胶相关参数；另外，该定标方式可与采集信号同步进行，保证了定标结果随系统状态波动的准确性；最后，该系统结构简单，易于应用到基于干涉光谱鉴频器的高光谱分辨率激光雷达系统中，具有很强的推广价值。
附图说明
图1为本发明实施例中基于干涉光谱鉴频器的高光谱分辨率激光雷达系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中干涉光谱鉴频器在气溶胶散射透过最多时的光谱透过率曲线以及透过前后回波信号光谱分布；
图3为本发明实施例中干涉光谱鉴频器在气溶胶散射透过最少时的光谱透过率曲线以及透过前后回波信号光谱分布。
图中：1-窄带单频偏振脉冲激光器，2-准直扩束器，3-第一反射镜，4-望远镜，5-小孔光阑，6-准直目镜，7-第二反射镜，8-立方分光棱镜，9-干涉光谱鉴频器，10-频率扫描控制器，11-后向散射通道，12-高光谱通道，13-数据采集卡，14-上位机。
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，本装置包含了基于视场展宽迈克尔逊干涉光谱鉴频器的高光谱分辨率激光雷达装置，能够精确测量气溶胶的光学参数特性。进一步来说，包括发射系统、接收系统、扫描控制系统与光电探测系统。事实上，任意一种基于干涉光谱鉴频器的高光谱分辨率激光雷达均可以通过不付出创造性劳动的情况下，根据本实施例的技术方案进行改造，使其同样能够达到定标干涉光谱鉴频器相关系统常数的目的。
激光发射系统包括窄带单频偏振脉冲激光器1、准直扩束器2、第一反射镜3、望远镜4、小孔光阑5、准直目镜6、第二反射镜7、立方分光棱镜8、干涉光谱鉴频器9、频率扫描控制器10、后向散射通道11、高光谱通道12、数据采集卡13、上位机14。
激光发射系统中的窄带单频偏振脉冲激光器1发射的P偏振态光束经过准直后，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。激光雷达回波信号由望远镜4收集后经立方分光棱镜8分光，一路信号被反射进入后向散射通道11，另一路信号透射通过干涉光谱鉴频器9后进入高光谱通道12；经过数据采集卡13采集后向散射通道11和高光谱通道12的信号送至上位机14处理。
本发明的装置中，窄带单频偏振脉冲激光器1发出的激光重频不应低于10Hz。频率扫描控制器10控制干涉光谱鉴频器9进行频率扫描的时间周期不小于10min，除了扫描的转向时刻，其余时刻要求干涉光谱鉴频器9在频率扫描过程中保持匀速调谐。
在信号采集(定标)过程中，频率扫描控制器10一直不停控制干涉光谱鉴频器9在一定范围内进行往复的频率扫描，高光谱通道12接收到气溶胶散射信号在最多和最少之间往复变化，通过程序筛选，最终可以获得气溶胶散射信号最多和最少位置时的信号(光谱分布分别如图2和图3所示)，结合后向散射通道11上接收的后向散射信号，三个信号的强度分别表示如下：
Figure BDA0002287417950000071
其中，βa和βm分别是气溶胶和大气分子的后向散射系数，τ是光学厚度，ηH是经过干涉光谱鉴频器后的高光谱通道的接收效率，A和B是高光谱通道在气溶胶散射信号最多时接收到的气溶胶散射信号和大气分子散射信号的透过率，C和D是高光谱通道在气溶胶散射信号最少时接收到的气溶胶散射信号和大气分子散射信号的透过率。ηT是后向散射通道的接收效率。由于BA和BM本质上是干涉光谱鉴频器两个互补通道，因此存在关系
A+C＝B+D＝1 (2)
那么需要定标的系统增益比即可表示为：
G＝(BA+BM)/BT＝ηH/ηT (3)
B和D根据大气标准模型与干涉仪频谱透过率曲线可以计算得出，A和C的比值在大气气溶胶负载足够高，即βa＞＞βm时，其比值(后简称抑制比)可以表示为：
C/A≈BM/BA (4)
联立公式(2)和(4)，可以得到
C＝BM/(BA+BM) (5)
即可求得高光谱通道中的气溶胶散射信号透过率A和C。
因此，与精确反演气溶胶相关的光谱鉴频器参数G和C都可分别确定。
本实施例中，窄带单频偏振脉冲激光器1采用谱宽不大于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532.27nm，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。
上述小孔光阑5采用1.5mm通光口径，产品型号例如美国Thorlabs公司的SM1D12C。
上述准直目镜6均采用100mm焦距，例如北京大恒公司的GCL-010111。
上述第二反射镜7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。
上述立方分光棱镜8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。
上述干涉光谱鉴频器9为自主研制视场展宽迈克尔逊仪，其中用于频率调谐的PZT可采用美国PI公司的N-470压电位移/倾斜平台，调谐范围7.5mm，距离分辨率20nm；用于该PZT调谐的频率扫描控制器10可采用配套的E-873伺服控制器。
上述后向散射通道11和高光谱通道12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，透射波长范围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。
上述的数据采集卡13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14，可以采用杭州研祥公司的IPC-810工控机。
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)

1.一种高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置，其特征在于，包括激光发射系统、接收系统和信号采集处理系统；
所述激光发射系统用于发射激光光束到大气中，产生激光雷达回波信号；
所述的接收系统包括望远镜、小孔光阑、准直目镜、第二反射镜、立方分光棱镜、干涉光谱鉴频器、后向散射通道以及高光谱通道，所述望远镜接收激光雷达回波信号依次经过小孔光阑、准直目镜、第二反射镜以及立方分光棱镜后分为两路，其中一路信号被反射进入后向散射通道，另一路信号透射通过干涉光谱鉴频器后进入高光谱通道；所述的后向散射通道和高光谱通道均由干涉滤光片、透镜和光电探测器组成；
所述信号采集处理系统包括数据采集卡和上位机，所述数据采集卡采集各个通道的信号送至上位机处理。
2.根据权利要求1所述的高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置，其特征在于，所述的干涉光谱鉴频器包括用于分离气溶胶散射信号与大气分子散射信号的干涉仪光路部分，以及可以连续往复调节干涉光谱鉴频器的频谱透过率曲线，从而改变气溶胶散射信号与大气分子散射信号透过比例的频率扫描控制器。
3.一种利用权利要求1或2所述的高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置进行参数标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将激光发射系统、接收系统以及采集系统根据需要安装在目标位置；
(2)调整激光发射系统发射的激光光束与望远镜之间的夹角，使望远镜接收光轴与发射的激光光束保持平行；
(3)设置干涉光谱鉴频器的频率扫描控制器，使干涉光谱鉴频器频谱透过率曲线调谐，频率扫描范围大于一个干涉光谱鉴频器的自由光谱范围，保证一个扫描周期内高光谱通道能获得气溶胶散射信号透过率最大和最小的信号；
(4)获取一个扫描周期内高光谱通道中光电探测器接收到的气溶胶散射信号最多时激光雷达信号强度BA以及气溶胶散射信号最少时激光雷达信号强度BM，同时获取后向散射通道中光电探测器接收到的激光雷达信号强度BT；
(5)根据上述获取的三个激光雷达信号强度，计算高光谱通道中气溶胶散射信号透过率与大气分子散射信号透过率，以及高光谱通道与后向散射通道的接收效率之比。
4.根据权利要求3所述的利用高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置进行标定的方法，其特征在于，在整个参数标定过程中，保证激光雷达回波信号完全通过干涉光谱鉴频器中的干涉仪光路时，控制频率扫描控制器对干涉光谱鉴频器进行频谱透过率曲线往复扫描，使得扫频定标时每个扫描周期内必须历经频谱透过率曲线的最大值和最小值，并保证在扫描到频谱透过率曲线极值位置附近时，信号采集系统采集到至少一条激光雷达回波信号。
5.根据权利要求3所述的利用高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置进行标定的方法，其特征在于，控制频率扫描控制器对干涉光谱鉴频器进行频谱透过率曲线往复扫描的具体过程为：通过控制干涉光谱鉴频器的干涉仪光路中干涉臂长或者折射率的连续变化，引起干涉仪光路整体的光程差变化，从而连续地改变其频谱透过率曲线中心位置。
6.根据权利要求3所述的利用高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置进行标定的方法，其特征在于，步骤(4)中，三个激光雷达信号强度分别表示如下：
BA＝ηH·(Aβa+Bβm)·exp(-2τ)，
BM＝ηH·(Cβa+Dβm)·exp(-2τ)，
BT＝ηT·(βa+βm)·exp(-2τ).
其中，βa和βm分别是气溶胶和大气分子的后向散射系数，τ是大气光学厚度，ηH是除干涉光谱鉴频器外的高光谱通道的接收效率，A和B是高光谱通道在气溶胶散射信号最多时接收到的气溶胶散射信号和大气分子散射信号的透过率，C和D是高光谱通道在气溶胶散射信号最少时接收到的气溶胶散射信号和大气分子散射信号的透过率；ηT是后向散射通道的接收效率。
7.根据权利要求6所述的利用高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置进行标定的方法，其特征在于，步骤(5)中，高光谱通道与后向散射通道的接收效率之比的通过以下公式计算得到：
G＝(BA+BM)/BT＝ηH/ηT
其中，G表示高光谱通道与后向散射通道的接收效率之比。
8.根据权利要求6所述的利用高光谱分辨率激光雷达的扫频定标装置进行标定的方法，其特征在于，步骤(5)中，高光谱通道中的大气分子散射信号透过率B和D根据大气标准模型与干涉仪频谱透过率曲线直接计算得出，高光谱通道中的气溶胶散射信号透过率A和C通过以下关系式计算得到：
A+C＝1
由于A和C的比值在大气气溶胶负载足够高，即βa＞＞βm时，表示为：
C/A≈BM/BA
联立上式求得高光谱通道中的气溶胶散射信号透过率A和C。
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