CN111427065B - 一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统及其滤波方法 - Google Patents

一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统及其滤波方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统及其滤波方法，包括透镜准直装置，沿透镜准直装置光路透射方向依次设置有一级长短波截止装置、二级特定波长滤波装置以及光电探测装置。先通过透镜准直装置对大气回波信号进行准直输出，再利用一级长短波截止装置输出的光信号进行长短波波段分离，然后二级特定波长滤波装置对经过分离后的光信号进行滤波和提取，最后光电探测装置对提取的光信号进行光电探测和采集。能实现对354.7nm和1064.0nm的米‑瑞利散射信号，386.7nm和852.75nm的氮气振动拉曼散射回波信号的高效提取。

Description

一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统及其滤波方法
技术领域
本发明属于激光雷达大气探测设备技术领域，涉及一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，还涉及上述分光系统的滤波方法。
背景技术
斜程能见度是指沿非水平方向视线可清晰观测到目标物的最远距离，在气象、航空、航天以及对空探测领域具有重要作用。尤其是在航空航天领域，斜程能见度是飞机起落的重要因素，也是保障飞行安全的重要气象因素之一。
目前，所有商用水平能见度仪均只能实现水平能见度的探测，不具有斜程能见度的测量局限性；目测法虽然简单，但存在极大的误差，且不能持续观测；少有的激光雷达能见度仪是利用米散射探测技术和柯西米德经验公式来估算平均斜程能见度，它忽视了白天视线路径中大气气柱亮度影响，存在反演缺陷，无法获得斜程能见度的准确信息。一直以来，斜程能见度的计算中涉及到复杂的辐射传输方程求解，成为斜程能见度测量中的研究难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，解决了现有技术中存在的激光雷达能见度仪无法获得斜程能见度的准确信息的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，包括透镜准直装置，沿透镜准直装置光路透射方向依次设置有一级长短波截止装置、二级特定波长滤波装置以及光电探测装置。
本发明的特点还在于：
一级长短波截止装置包括二向色镜DM1，沿二向色镜DM1光路透射方向设置有二向色镜DM2，沿二向色镜DM1光路反射方向设置有二向色镜DM3；二级特定波长滤波装置设置于二向色镜DM2的光路透射通道、二向色镜DM2的光路反射通道、二向色镜DM3光路反射通道及二向色镜DM3光路透射通道上。
沿二向色镜DM2光路反射方向设置有反射镜M1，沿二向色镜DM3光路透射方向设置有反射镜M2。
二级特定波长滤波装置包括干涉滤光片IF1、干涉滤光片IF2、干涉滤光片IF3及干涉滤光片IF4，干涉滤光片IF1设置于二向色镜DM2的光路透射通道上，干涉滤光片IF2设置于二向色镜DM2的光路反射通道上，干涉滤光片IF3设置于二向色镜DM3光路反射通道上，干涉滤光片IF4设置于二向色镜DM3光路透射通道上。
干涉滤光片IF1的中心波长为1064.0nm，干涉滤光片IF2的中心波长正入射中心为853.75nm，干涉滤光片IF3的中心波长为354.78nm，干涉滤光片IF4的中心波长为387.67nm。
干涉滤光片IF2的入射角度为3.5°，干涉滤光片IF1、干涉滤光片IF3、干涉滤光片IF4均为正入射。
光电探测装置包括第一光电转换装置和三个第二光电转换装置，第一光电转换装置位于二向色镜DM2的光路透射通道上，三个第二光电转换装置分别位于二向色镜DM2的光路反射通道、二向色镜DM3光路反射通道及二向色镜DM3光路透射通道上。
二级特定波长滤波装置以及光电探测装置之间设置有汇聚透镜。
一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统的滤波方法，具体包括以下步骤：
步骤1、透镜准直装置对大气回波信号进行准直输出；
步骤2、一级长短波截止装置对步骤1输出的光信号进行长短波波段分离；
步骤3、二级特定波长滤波装置对经过步骤2分离后的光信号进行滤波和提取；
步骤4、光电探测装置对步骤3提取的光信号进行光电探测和采集。
步骤2具体过程为：
步骤2.1、步骤1得到的光信号经过二向色镜DM1分成透射光路和反射光路，波长大于484nm的近红外波段光信号进入透射光路，波长小于480nm的紫外波段光信号进入反射光路；
步骤2.2、通过二向色镜DM1透射光路且波长大于875nm的近红外波段光信号，进入二向色镜DM2的透射光路，通过二向色镜DM1透射光路且波长小于875nm的近红波段光信号，进入二向色镜DM2的反射光路；通过二向色镜DM1反射光路且波长小于365nm的紫红外波段光信号，进入二向色镜DM3的反射通道，通过二向色镜DM1反射光路且波长大于365nm的紫外波段光信号，进入二向色镜DM3的透射通道。
本发明的有益效果是：
本发明一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，设置一级长短波截止装置和二级特定波长滤波装置，能实现对354.7nm和1064.0nm的米-瑞利散射信号，386.7nm和852.75nm的氮气振动拉曼散射回波信号的高效提取，能保证在通道2和通道4的近红外和紫外氮气振动拉曼散射通道中对弹性散射具有极高的抑制率，分别达到1010以上，能保证在通道3和通道4中可见波段和近红外波段回波信号的高效抑制作用，能保证在通道1和通道2中紫外波段回波信号的高效抑制作用；具有结构紧凑，稳定性高，可靠性高的结构优点，具有高光谱分辨率的光谱优势，实现对米-拉曼回波信号的同步精细分光和高效提取，可为斜程能见度探测激光雷达分光系统的研制提供一种新的技术支持；工作在紫外和近红外波段，避免人眼敏感波长的可见波段对飞行员及飞行器安全带来影响。本发明一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统的滤波方法，能实现对紫外波段和近红外波段所需大气回波信号的高精细分光和提取，并获得对杂散信号的高效抑制；通过获得的354.7nm和1064.0nm的米-瑞利散射信号，386.7nm和852.7nm的氮气振动拉曼散射回波信号强度，可实现在紫外355nm和近红外1064nm处大气气溶胶消光系数和后向散射系数的精确反演，进而获得大气气溶胶粒谱分布等微物理参量的反演，以及对大气气溶胶散射相函数、不对称因子和单次散射反照率等散射特性的反演和分析，直接应用于辐射传输方程的求解和斜程能见度的精确测量。
附图说明
图1是本发明一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统的结构示意图；
图2是本发明一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统中一级长短波截止装置的结构示意图；
图3是本发明一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统中4路通道大气回波信号的结果图。
图中，1.二向色镜DM1，2.二向色镜DM2，3.二向色镜DM3，4.干涉滤光片IF1，5.干涉滤光片IF2，6.干涉滤光片IF3，7.干涉滤光片IF4，8.第一光电转换装置，9.第二光电转换装置，10.汇聚透镜，11.反射镜M1，12.反射镜M2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，如图1所示，包括透镜准直装置，沿透镜准直装置光路透射方向依次设置有一级长短波截止装置、二级特定波长滤波装置以及光电探测装置。望远镜系统接收到的大气后向散射回波信号，先经光纤耦合并经透镜准直装置输出为平行光，再进入一级长短波截止装置分成独立的4路通道，再经二级特定波长滤波装置滤波，最后由光电探测装置实现信号采集。
优选的，透镜准直装置为焦距为100mm的平凸透镜13。
如图2所示，一级长短波截止装置包括二向色镜DM11，沿二向色镜DM11光路透射方向设置有二向色镜DM22，沿二向色镜DM11光路反射方向设置有二向色镜DM33；二级特定波长滤波装置设置于二向色镜DM22的光路透射通道、二向色镜DM22的光路反射通道、二向色镜DM33光路反射通道及二向色镜DM33光路透射通道上。
二向色镜DM11设计为截止波长位于484nm，光谱范围大于484nm的光信号高效率透射，透射率达到98％，对波长小于480nm以下的光谱信号具有高反射率，反射率达到98％。二向色镜DM22设计为截止波长为875nm，波长小于875nm的光谱信号将被高效率反射，波长大于875nm的光谱信号将被高效率透射，反射率和透射率分别为99％和98％。
二向色镜DM33设计为截止波长为365nm，波长小于365的光谱信号将被高效率反射，波长大于365nm的光谱信号将被高效率透射，反射率和透射率分别为99％和98％。
二向色镜DM11、二向色镜DM22和二向色镜DM33均要求45度入射，且具有不同的截止波长，分别满足对不同波段范围光谱信号具有高于98％以上的反射率和透射率。
沿二向色镜DM22光路反射方向设置有反射镜M111，沿二向色镜DM33光路透射方向设置有反射镜M212。能保证分光系统的结构紧凑性和光路一致性，要求反射镜M111对300-400nm的光谱镀高反膜，要求反射镜M212对800-900nm的光镀高反膜。
二级特定波长滤波装置包括干涉滤光片IF14、干涉滤光片IF25、干涉滤光片IF36及干涉滤光片IF47，能实现为特定波长的大气回波信号的高效率滤波和其他杂散信号的高效率滤除。
干涉滤光片IF14设置于二向色镜DM22的光路透射通道(通道1)上，干涉滤光片IF25设置于二向色镜DM22的光路反射通道(通道2)上，干涉滤光片IF36设置于二向色镜DM33光路反射通道(通道3)上，干涉滤光片IF47设置于二向色镜DM33光路透射通道(通道4)上。干涉滤光片IF14、干涉滤光片IF25、干涉滤光片IF36及干涉滤光片IF47的峰值透过率均大于0.7，带宽均小于1.0nm，带外抑制率均大于105。
干涉滤光片IF14的中心波长为1064.0nm，带宽0.5nm，峰值透过率0.85，带外抑制率106，实现对中心波长为1064nm的近红外波段大气米散射回波信号的提取；干涉滤光片IF25的中心波长正入射中心为853.75nm，带宽0.75nm，峰值透过率0.8，带外抑制率105，实现对中心波长为852.7nm的近红外氮气拉曼回波信号的提取；干涉滤光片IF36的中心波长为354.78nm，带宽0.5nm，峰值透过率0.7，带外抑制率105,实现对中心波长为354.7nm的紫外米-瑞利散射回波信号的提取；干涉滤光片IF47的中心波长为387.67nm，带宽0.5nm，峰值透过率0.83，带外抑制率105，实现对中心波长为386.7nm的紫外氮气拉曼回波信号的提取。
干涉滤光片IF25的入射角度为3.5°，干涉滤光片IF14、干涉滤光片IF36、干涉滤光片IF47均为正入射。
光电探测装置包括第一光电转换装置8和三个第二光电转换装置9，第一光电转换装置8为雪崩二极管(APD)，第一光电转换装置8位于二向色镜DM22的光路透射通道上，三个第二光电转换装置9分别位于二向色镜DM22的光路反射通道、二向色镜DM33光路反射通道及二向色镜DM33光路透射通道上，第二光电转换装置9为光电倍增管(PMT)。PMT1、PMT2、PMT 3均采用滨松公司的光电倍增管产品，PMT1型号为R943-2，PMT2、PMT 3型号为R7056。
二级特定波长滤波装置以及光电探测装置之间设置有汇聚透镜10。
本发明一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统的滤波方法，具体包括以下步骤：
步骤1、完成对大气回波信号的准直输出；
由光纤输出的大气回波信号经平凸透镜13输出为平行光；
步骤2、对平行光进行长短波波段分离；
平行光经过二向色镜DM11分成透射光路和反射光路，波长大于484nm的光谱信号进入透射光路，波长小于480nm的光谱信号进入反射光路；光谱范围大于484nm的近红外波段光信号进入透射光路，波长小于480nm的紫外波段光信号进入反射光路；
通过二向色镜DM11透射光路且波长大于875nm的近红外波段光信号，进入二向色镜DM22的透射光路，通过二向色镜DM11透射光路且波长小于875nm的近红波段光信号，进入二向色镜DM22的反射光路；通过二向色镜DM11反射光路且波长小于365nm的紫红外波段光信号，进入二向色镜DM33的反射通道，通过二向色镜DM11反射光路且波长大于365nm的紫外波段光信号，进入二向色镜DM33的透射通道；
步骤3、对经过步骤2分离后的光信号进行滤波和提取；
通过二向色镜DM22透射光路的近红外波段光信号经过干涉滤光片IF14，提取中心波长为1064nm的近红外大气米散射回波信号；通过二向色镜DM22反射光路的近红外波段光信号经过干涉滤光片IF25，提取中心波长为852.7nm的近红外氮气拉曼回波信号；通过二向色镜DM33反射光路的紫外波段光信号经过干涉滤光片IF36，提取中心波长为354.7nm的紫外米-瑞利散射回波信号；通过二向色镜DM33透射光路的紫外波段光信号经过干涉滤光片IF36，提取中心波长为386.7nm的紫外氮气拉曼回波信号；
步骤4、对步骤3提取的光信号进行光电探测和采集；
对近红外波段大气米散射回波信号进行光电转换和采集，对近红外氮气拉曼回波信号、紫外米-瑞利散射回波信号及紫外氮气拉曼回波信号进行光电转换和采集。
通过以上方式，本发明一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，设置一级长短波截止装置和二级特定波长滤波装置，能实现对354.7nm和1064.0nm的米-瑞利散射信号，386.7nm和852.75nm的氮气振动拉曼散射回波信号的高效提取，能保证在通道2和通道4的近红外和紫外氮气振动拉曼散射通道中对弹性散射具有极高的抑制率，分别达到1010以上，能保证在通道3和通道4中可见波段和近红外波段回波信号的高效抑制作用，能保证在通道1和通道2中紫外波段回波信号的高效抑制作用；具有结构紧凑，稳定性高，可靠性高的结构优点，具有高光谱分辨率的光谱优势，实现对米-拉曼回波信号的同步精细分光和高效提取，可为斜程能见度探测激光雷达分光系统的研制提供一种新的技术支持；工作在紫外和近红外波段，避免人眼敏感波长的可见波段对飞行员及飞行器安全带来影响。本发明一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统的滤波方法，能实现对紫外波段和近红外波段所需大气回波信号的高精细分光和提取，并获得对杂散信号的高效抑制；通过获得的354.7nm和1064.0nm的米-瑞利散射信号，386.7nm和852.7nm的氮气振动拉曼散射回波信号强度，可实现在紫外355nm和近红外1064nm处大气气溶胶消光系数和后向散射系数的精确反演，进而获得大气气溶胶粒谱分布等微物理参量的反演，以及对大气气溶胶散射相函数、不对称因子和单次散射反照率等散射特性的反演和分析，直接应用于辐射传输方程的求解和斜程能见度的精确测量。

Claims (6)

1.一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，其特征在于，包括透镜准直装置，沿所述透镜准直装置光路透射方向依次设置有一级长短波截止装置、二级特定波长滤波装置以及光电探测装置；
所述一级长短波截止装置包括二向色镜DM1（1），沿所述二向色镜DM1（1）光路透射方向设置有二向色镜DM2（2），沿所述二向色镜DM1（1）光路反射方向设置有二向色镜DM3（3）；所述二级特定波长滤波装置设置于二向色镜DM2（2）的光路透射通道、二向色镜DM2（2）的光路反射通道、二向色镜DM3（3）光路反射通道及二向色镜DM3（3）光路透射通道上；沿所述二向色镜DM2（2）光路反射方向设置有反射镜M1（11），沿所述二向色镜DM3（3）光路透射方向设置有反射镜M2（12）；所述二级特定波长滤波装置包括干涉滤光片IF1（4）、干涉滤光片IF2（5）、干涉滤光片IF3（6）及干涉滤光片IF4（7），所述干涉滤光片IF1（4）设置于二向色镜DM2（2）的光路透射通道上，所述干涉滤光片IF2（5）设置于二向色镜DM2（2）的光路反射通道上，所述干涉滤光片IF3（6）设置于二向色镜DM3（3）光路反射通道上，所述干涉滤光片IF4（7）设置于二向色镜DM3（3）光路透射通道上；
所述干涉滤光片IF1（4）的中心波长为1064.0nm，所述干涉滤光片IF2（5）的中心波长正入射中心为853.75nm，所述干涉滤光片IF3（6）的中心波长为354.78nm，所述干涉滤光片IF4（7）的中心波长为387.67nm。
2.根据权利要求1所述的一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，其特征在于，所述干涉滤光片IF2（5）的入射角度为3.5°，所述干涉滤光片IF1（4）、干涉滤光片IF3（6）、干涉滤光片IF4（7）均为正入射。
3.根据权利要求1所述的一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，其特征在于，所述光电探测装置包括第一光电转换装置（8）和三个第二光电转换装置（9），所述第一光电转换装置（8）位于二向色镜DM2（2）的光路透射通道上，三个所述第二光电转换装置（9）分别位于二向色镜DM2（2）的光路反射通道、二向色镜DM3（3）光路反射通道及二向色镜DM3（3）光路透射通道上。
4.根据权利要求1所述的一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，其特征在于，所述二级特定波长滤波装置以及光电探测装置之间设置有汇聚透镜（10）。
5.一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统的滤波方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统，具体包括以下步骤：
步骤1、所述透镜准直装置对大气回波信号进行准直输出；
步骤2、所述一级长短波截止装置对步骤1输出的光信号进行长短波波段分离；
步骤3、所述二级特定波长滤波装置对经过步骤2分离后的所述光信号进行滤波和提取；
步骤4、所述光电探测装置对步骤3提取的光信号进行光电探测和采集。
6.根据权利要求5所述的一种探测斜程能见度的激光雷达分光系统的滤波方法，其特征在于，步骤2具体过程为：
步骤2.1、步骤1得到的光信号经过二向色镜DM1（1）分成透射光路和反射光路，波长大于484nm的近红外波段光信号进入透射光路，波长小于480nm 的紫外波段光信号进入反射光路；
步骤2.2、通过所述二向色镜DM1（1）透射光路且波长大于875nm的近红外波段光信号，进入二向色镜DM2（2）的透射光路，通过所述二向色镜DM1（1）透射光路且波长小于875nm的近红波段光信号，进入二向色镜DM2（2）的反射光路；通过所述二向色镜DM1（1）反射光路且波长小于365nm的紫红外波段光信号，进入二向色镜DM3（3）的反射通道，通过所述二向色镜DM1（1）反射光路且波长大于365nm的紫外波段光信号，进入二向色镜DM3（3）的透射通道。
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