CN111142121B - 一种基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统，包括激光发射系统、望远镜、光束准直系统、双级虚像相位阵列分光系统和ICCD采集系统，本发明采用具有高吞吐量的双级虚像相位阵列分光系统分离出后向散射信号中的瑞利散射信号和布里渊散射信号，重点探测海洋中的海水温度剖面。通过接收到的布里渊散射信号，得到布里渊散射频移信息反演海水温度，为布里渊散射激光雷达应用到实际海洋温度剖面的探测提供了解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种探测海洋温度剖面的技术，具体涉及一种基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统。
背景技术
海水温度是反应海洋物理学特性的重要参数，海洋温度剖面的大面积探测也一直是亟待解决的科学问题，随着“透明海洋”战略的提出，海洋深水区环境参数的探测成为了研究热点。而布里渊散射激光雷达具有空间分辨率高、可实时进行探测、反演海水温度精度高等优点，是探测海洋温度剖面的重要技术手段。在以往的激光雷达系统装置中常采用F-P标准具、典吸收池等鉴频器件，吞吐量低，而基于双级虚像相位阵列的布里渊散射激光雷达系统具有高分辨率高吞吐量，极大的提高了光谱采集速率和海水温度的反演精度，因此基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统，采用双级虚像相位阵列分离出后向散射信号中的瑞利散射和布里渊散射，重点探测海洋温度剖面。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统，包括激光发射系统、望远镜、光束准直系统、双级虚像相位阵列分光系统和ICCD采集系统；
所述激光发射系统发出垂直偏振光，所述垂直偏振光经过反射镜一、反射镜二，然后入射到海水中产生后向散射信号，后向散射信号被望远镜系统接收。
所述光束准直系统包括聚焦透镜、针孔滤波器和凹透镜，后向散射光信号被望远镜系统接收后，依次经过聚焦透镜、针孔滤波器、凹透镜，入射到双级虚像相位阵列分光系统中。
所述双级虚像相位阵列分光系统包括柱面透镜一、虚像相位阵列一、球面透镜一、空间滤波器、球面透镜二、柱面透镜二、虚像相位阵列二和球面透镜三，光束经过垂直方向的柱面透镜一后，进入到垂直方向虚像相位阵列一中，然后光束依次经过球面透镜一、空间滤波器、球面透镜二和水平方向的柱面透镜二，入射到水平方向虚像相位阵列二中，经球面透镜后由ICCD采集系统接收。
所述ICCD采集系统包括ICCD、采集卡、计算机，接收到的光散射信号进入到ICCD中，由采集卡采集后，经计算机的数据处理系统反演布里渊散射光谱信息得到海水温度数据。
进一步地，所述的种子注入脉冲Nd:YAG激光器发射出532nm激光。
进一步地，所述的虚像相位阵列一为垂直方向，倾斜角为3°，厚度为3mm。
进一步地，所述的虚像相位阵列二为水平方向，倾斜角为3°，厚度为3mm。
进一步地，所述的ICCD相机采用门模式进行采集，门宽为2ns。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的探测海洋温度剖面的布里渊散射激光雷达系统，具有高分辨率高吞吐量，极大提高了光谱采集速率和海水温度的反演精度，为布里渊散射激光雷达应用到实际海洋温度剖面的探测提供了解决方案。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的系统原理图；
附图标注：种子注入脉冲Nd：YAG激光器1、反射镜一2、反射镜二3、海水4、望远镜5、反射镜三6、聚焦透镜7、针孔滤波器8、凹透镜9、柱面透镜一10、虚像相位阵列一11、球面透镜一12、空间滤波器13、球面透镜二14、柱面透镜二15、虚像相位阵列二16、球面透镜三17、ICCD18、计算机19、布里渊散射信号20。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明的具体实施例如图1所示，一种基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统，包括种子注入脉冲Nd：YAG激光器1、反射镜一2、反射镜二3、海水4、望远镜5、反射镜三6、聚焦透镜7、针孔滤波器8、凹透镜9、柱面透镜一10、虚像相位阵列一11、球面透镜一12、空间滤波器13、球面透镜二14、柱面透镜二15、虚像相位阵列二16、球面透镜三17、ICCD18、计算机19、布里渊散射信号20。
种子注入脉冲Nd：YAG激光器1发射出532nm激光，经反射镜一2、反射镜二3入射到海水4中，后向散射光经望远镜5收集后，依次经过反射镜三6、聚焦透镜7、针孔滤波器8、凹透镜9、柱面透镜一10后，入射到垂直放置的虚像相位阵列一11中，其对后向散射中的瑞利散射光和布里渊散射光进行分离后，散射光依次经过球面透镜一12、空间滤波器13、球面透镜二14、柱面透镜二15，入射到虚像相位阵列二16中进一步对瑞利散射光和布里渊散射光进行分离，经球面透镜17后，由ICCD18采集系统接收，计算机19进行信号处理，在接收到的布里渊散射信号20中可以看出，布里渊散射信号分离的更远，光谱间产生的串扰更少，以致使得到的布里渊散射频移精度更高，同时也进一步提高了海水温度的反演精度。
为了减少海洋水体对激光传输过程中的衰减，所述种子注入脉冲Nd:YAG激光器1发射出532nm激光。
为了提高布里渊散射光谱采集速率，采用了虚像相位阵列的光学器件。
为了鉴别分离后向散射信号中的瑞利散射信号和布里渊散射信号，所述虚像相位阵列一11为垂直方向，倾斜角为3°，厚度为3mm。
为了鉴别分离后向散射信号中的瑞利散射信号和布里渊散射信号，所述虚像相位阵列二16为水平方向，倾斜角为3°，厚度为3mm。
为了探测到微弱的后向散射光信号，所述的ICCD 18采用型号为普林斯顿PI-MAX3，其门宽可以达到2ns。
本发明的有益效果是：能实时探测海水中光的后向散射信号，并对后向散射信号中的瑞利散射信号和布里渊散射信号进行分离提取，通过反演得到海水温度剖面，为布里渊散射激光雷达应用到实际海洋温度剖面的探测提供了解决方案。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统，其特征在于：该系统包括激光发射系统、望远镜、光束准直系统、双级虚像相位阵列分光系统和ICCD采集系统；
所述激光发射系统（1）发出垂直偏振光，所述垂直偏振光经过反射镜一（2）、反射镜二（3）后，入射到海水（4）中产生后向散射信号，后向散射信号被望远镜系统（5）接收；
所述光束准直系统包括聚焦透镜（7）、针孔滤波器（8）和凹透镜（9），后向散射光信号被望远镜系统（5）接收后，依次经过聚焦透镜（7）、针孔滤波器（8）、凹透镜（9），入射到双级虚像相位阵列分光系统中；
所述双级虚像相位阵列分光系统包括柱面透镜一（10）、虚像相位阵列一（11）、球面透镜一（12）、空间滤波器（13）、球面透镜二（14）、柱面透镜二（15）、虚像相位阵列二（16）和球面透镜三（17），光束经过垂直方向的柱面透镜一（10）后，进入到垂直方向的虚像相位阵列一（11）中，然后光束依次经过球面透镜一（12）、空间滤波器（13）、球面透镜二（14）和水平方向的柱面透镜二（15），入射到水平方向虚像相位阵列二（16）中，经球面透镜三（17）后由ICCD采集系统接收；
所述ICCD采集系统包括ICCD（18）和计算机（19），接收到的光散射信号进入到ICCD（18）中，由采集卡采集后，经计算机（19）的数据处理系统反演布里渊散射光谱信息得到海水温度数据；
所述布里渊散射测温激光雷达系统能实时探测海水中光的后向散射信号，并对后向散射信号中的瑞利散射信号和布里渊散射信号进行分离提取，通过反演得到海水温度剖面。
2.根据权利要求1所述的基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射系统（1）为种子注入脉冲Nd:YAG激光器，其发射出532nm激光。
3.根据权利要求1所述的基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统，其特征在于：所述的虚像相位阵列一（11）为垂直方向，倾斜角为3°，厚度为3mm。
4.根据权利要求1所述的基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统，其特征在于：所述的虚像相位阵列二（16）为水平方向，倾斜角为3°，厚度为3mm。
5.根据权利要求1所述的基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统，其特征在于：ICCD（18）的型号为普林斯顿PI-MAX3，其门宽可以达到2ns。
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