CN112731341B - 基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统 - Google Patents

基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统，该系统包括双波长垂直偏振光发射系统、分光系统一、光电探测器一、望远镜、分光系统二、带通滤光片一、带通滤光片二、分光系统三、光电探测器二、双级虚像相位阵列系统一、分光系统四、光电探测器三、ICCD采集系统一、分光系统五、光电探测器四、双级虚像相位阵列系统二、分光系统六、光电探测器五、ICCD采集系统二、时序控制器；本发明的系统具有实时探测海洋中的次表层信息、浮游植物垂直分层结构、海水温度盐度垂直剖面分布以及海洋混合层深度的时空变化的能力，有效的解决目前海洋探测技术手段中存在问题与缺陷，为进一步实现透明海洋提供了系统方案。

Description

基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统
技术领域
本发明涉及海洋光学探测领域，具体涉及一种基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统及反演方法。
背景技术
地球71％的面积是海洋，探测海洋对研究地球演变和全球气候变化及其重要，海洋也是国防与国民经济建设的主战场。被动式海洋水色卫星遥感在观测全球碳循环、初级生产力以及海洋与海岸带环境变化方面有着不可替代的作用，但是该观测技术无法提供足够的海洋环境参数垂直分布结构，也不能进行全天时昼夜观测。随着激光技术的发展，海洋激光雷达具有时空分辨率高、可昼夜连续观测、可探测海洋垂直剖面等优点。目前，米散射激光雷达和高光谱分辨率激光雷达是研究海洋环境参数的主要技术方案。但对于上述系统方法也存在一些问题，比如米散射激光雷达方程需假设激光雷达比解决一个方程两个未知数的问题，这也导致反演精度并不能得到有效保证；高光谱分辨率激光雷达系统中所用到的F-P干涉仪、碘分子吸收池存在扫描时间长、光路对齐要求高以及只能用于532nm波段等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开一种基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统及反演方法，该系统采用双级虚像相位阵列分离出后向散射信号中的弹性散射和布里渊散射，针对一类水体和二类水体的光学特性采用双波长出射激光，重点探测海洋中的次表层信息、浮游植物垂直分层结构、海水温度盐度垂直剖面分布以及海洋混合层深度的时空变化。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统，该系统包括：
双波长垂直偏振光发射系统，用于发射两种不同波长的激光；
分光系统一，包括分光镜一和反射镜一，分光镜一用于将激光分成两束，其中一束被光电探测器一接收，另一束经反射镜一后入射到海水中产生后向散射信号；
望远镜，用于接收海水产生的后向散射信号；
分光系统二，包括反射镜二和分光镜二，望远镜接收到后向散射信号后，经反射镜二反射到分光镜二，分光镜二将光束分成两束，一束经带通滤光片一进入分光系统三，另一束经带通滤光片二进入分光系统五；
分光系统三，包括分光镜三和反射镜三，分光镜三将光束分为两束，一束经反射镜三后被光电探测器二接收，另一束入射到双级虚像相位阵列系统一；
双级虚像相位阵列系统一包括半波片一、柱面透镜一、偏振分光镜一、虚像相位阵列一、半波片二、偏振分光镜二、反射镜四、柱面透镜二、空间滤波器一、球面透镜一、反射镜五、反射镜六、球面透镜二、空间滤波器二和球面透镜三；垂直偏振光束经过半波片一变为水平偏振光，然后经过柱面透镜一、偏振分光镜一入射到虚像相位阵列一，然后水平偏振光经过半波片二变为垂直偏振光，经偏振分光镜二和反射镜四反射，依次经过柱面透镜二、空间滤波器一、球面透镜一、反射镜五、反射镜六、偏振分光镜一后，再次进入虚像相位阵列一，依次经半波片二、偏振分光镜二、球面透镜二、空间滤波器二、球面透镜三后，入射到分光系统四，分光系统四中的分光镜四把光束分成两束，一束入射到光电探测器三中；另一束由ICCD采集系统一接收；
分光系统五包括分光镜五和反射镜七，分光镜五将光束分成两束，一束入射到光电探测器四，另一束经反射镜七入射到双级虚像相位阵列系统二中；
双级虚像相位阵列系统二包括半波片三、柱面透镜三、偏振分光镜三、虚像相位阵列二、半波片四、偏振分光镜四、反射镜八、柱面透镜四、空间滤波器三、球面透镜四、反射镜九、反射镜十、球面透镜五、空间滤波器四和球面透镜六；垂直偏振光束经过半波片三变为水平偏振光，水平偏振光经过柱面透镜三和偏振分光镜三入射到虚像相位阵列二中，然后水平偏振光经过半波片四后变为垂直偏振光，经偏振分光镜四和反射镜八反射，依次经过柱面透镜四、空间滤波器三、球面透镜四、反射镜九、反射镜十、偏振分光镜三，再次入射到虚像相位阵列二中，依次经过半波片四、偏振分光镜四、球面透镜五、空间滤波器四和球面透镜六入射到分光系统六；
分光系统六包括分光镜六，其将光束分成两束，一束入射到光电探测器五；另一束由ICCD采集系统二接收；
计算机，用于实时显示和处理ICCD采集系统一和ICCD采集系统二接收的数据；
时序控制器，控制ICCD采集系统一和ICCD采集系统二的时间延迟。
进一步地，所述双波长垂直偏振光发射系统分别发射波长为488nm和532nm的激光。
进一步地，所述带通滤光片一的中心波长为532nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-512nm，长波截止范围：552-1200nm；所述带通滤光片二的中心波长为488nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-460nm，长波截止范围：500-1200nm。
进一步地，所述的虚像相位阵列一和虚像相位阵列二的自由光谱范围为0～18GHz。
一种基于上述的激光雷达系统的海洋环境参数的反演方法，该方法包括如下步骤：
S1：在532nm激光接收通道，通过所述光电探测器二接收光束的米散射和瑞利散射信号强度PE1、布里渊散射信号强度PB1两者的和，通过光电探测器三接收布里渊散射信号强度PB1，两者相减得到米散射和瑞利散射信号强度PE1；
在488nm激光接收通道，通过光电探测器四接收米散射和瑞利散射信号强度PE2、布里渊散射信号强度PB2两者的和，通过光电探测器五接收布里渊散射信号强度PB2，两者相减得到米散射和瑞利散射信号强度PE2；
S2：两个激光接收通道均通过下式计算得到激光雷达信号在海水中的衰减系数α
Figure BDA0002790653330000031
其中，下标B代表布里渊散射，
Figure BDA0002790653330000032
是后向布里渊散射系数，α是激光雷达信号在海水中的衰减系数；z代表激光探测的深度；
S3：两个激光接收通道均通过下式计算得到海水中悬浮粒子的后向散射系数
Figure BDA0002790653330000033
Figure BDA0002790653330000034
其中，CE是弹性散射通道的系统常数，
Figure BDA0002790653330000035
是水分子后向散射系数，
Figure BDA0002790653330000036
是悬浮粒子后向散射系数；
S4：两个激光接收通道均根据悬浮粒子的后向散射系数
Figure BDA0002790653330000037
垂直剖面反演海洋次表层信息和浮游植物垂直分层结构。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统，具有探测海洋中一类水体和二类水体的能力，通过接收到的弹性散射信号和布里渊散射信号，可探测海洋中的次表层信息、浮游植物垂直分层结构、海水温度盐度垂直剖面分布以及海洋混合层深度的时空变化。
(2)通过虚像相位阵列系统的环形光路的设计，缩小系统所占空间和增加消光比；
(3)通过双波长和双级虚像相位阵列的设计，两个系统可以相互验证，提高激光雷达反演精度.
(4)本发明的反演方法采用双波长通道建立联合方程，进一步提高海洋环境参数的反演精度。
(5)本发明能够有效的解决目前海洋探测技术手段中存在问题与缺陷，为进一步实现透明海洋提供了系统方案。
附图说明
图1为本发明的基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统的系统原理图；
图2为双级虚像相位阵列系统一原理图。
图中，双波长垂直偏振光发射系统1、分光镜一2、光电探测器一3、反射镜一4、海水5、望远镜6、反射镜二7、分光镜二8、带通滤光片一9、分光镜三10、反射镜三11、光电探测器二12、半波片一13、柱面透镜一14、偏振分光镜一15、虚像相位阵列一16、半波片二17、偏振分光镜二18、反射镜四19、柱面透镜二20、空间滤波器一21、球面透镜一22、反射镜五23、反射镜六24、球面透镜二25、空间滤波器二26、球面透镜三27、分光镜四28、光电探测器三29、ICCD采集系统一30、带通滤光片二31、分光镜五32、光电探测器四33、反射镜七34、半波片三35、柱面透镜三36、偏振分光镜三37、虚像相位阵列二38、半波片四39、偏振分光镜四40、反射镜八41、柱面透镜四42、空间滤波器三43、球面透镜四44、反射镜九45、反射镜十46、球面透镜五47、空间滤波器四48、球面透镜六49、分光镜六50、光电探测器五51、ICCD采集系统二52、计算机53、时序控制器54。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱激光雷达系统，包括：双波长垂直偏振光发射系统1、分光镜一2、光电探测器一3、反射镜一4、海水5、望远镜6、反射镜二7、分光镜二8、带通滤光片一9、分光镜三10、反射镜三11、光电探测器二12、半波片一13、柱面透镜一14、偏振分光镜一15、虚像相位阵列一16、半波片二17、偏振分光镜二18、反射镜四19、柱面透镜二20、空间滤波器一21、球面透镜一22、反射镜五23、反射镜六24、球面透镜二25、空间滤波器二26、球面透镜三27、分光镜四28、光电探测器三29、ICCD采集系统一30、带通滤光片二31、分光镜五32、光电探测器四33、反射镜七34、半波片三35、柱面透镜三36、偏振分光镜三37、虚像相位阵列二38、半波片四39、偏振分光镜四40、反射镜八41、柱面透镜四42、空间滤波器三43、球面透镜四44、反射镜九45、反射镜十46、球面透镜五47、空间滤波器四48、球面透镜六49、分光镜六50、光电探测器五51、ICCD采集系统二52、计算机53、时序控制器54。
双波长垂直偏振光发射系统1发射波长为488nm和532nm的垂直偏振光；波长为488nm激光优先探测一类水体光学特性，激光脉冲能量为5mJ，重复频率为10Hz，线宽为90MHz；波长为532nm激光优先探测二类水体光学特性，激光脉冲能量为5mJ，重复频率为10Hz，线宽为90MHz。
分光镜一2和反射镜一4组成分光系统一，分光镜一2用于将双波长垂直偏振光发射系统1发射的垂直偏振光分成两束，其中一束被光电探测器一3接收，监测入射激光能量稳定性；另一束经反射镜一4后入射到海水5中产生后向散射信号；该后向散射信号被望远镜6接收，后进入由反射镜二7和分光镜二8组成的分光系统二，光束经反射镜二7反射到分光镜二8，分光镜二8将光束分成两束，一束经带通滤光片一9进入分光系统三，另一束经带通滤光片二31进入分光系统五；
分光系统三，包括分光镜三10和反射镜三11，分光镜三10将光束分为两束，一束经反射镜三11后被光电探测器二12接收(此通道接收米散射、瑞利散射和布里渊散射信号)；另一束入射到双级虚像相位阵列系统一。
双级虚像相位阵列系统一包括半波片一13、柱面透镜一14、偏振分光镜一15、虚像相位阵列一16、半波片二17、偏振分光镜二18、反射镜四19、柱面透镜二20、空间滤波器一21、球面透镜一22、反射镜五23、反射镜六24、球面透镜二25、空间滤波器二26和球面透镜三27。垂直偏振光束经过半波片一13变为水平偏振光，然后经过柱面透镜一14、偏振分光镜一15入射到虚像相位阵列一16，然后水平偏振光经过半波片二17变为垂直偏振光，经偏振分光镜二18和反射镜四19反射，依次经过柱面透镜二20、空间滤波器一21、球面透镜一22、反射镜五23、反射镜六24、偏振分光镜一15后，再次进入虚像相位阵列一16，即在单腔的基础上经过光路设计形成双级虚像相位阵列，之后光束再依次经半波片二17、偏振分光镜二18、球面透镜二25、空间滤波器二26、球面透镜三27后，入射到分光系统四，分光系统四为分光镜四28，其把光束分成两束，一束入射到光电探测器三29(此通道接收布里渊散射信号)中；另一束由ICCD采集系统一30接收(此通道接收布里渊散射光谱的频移和线宽信息)。
分光系统五包括分光镜五32和反射镜七34，分光镜五32将光束分成两束，一束入射到光电探测器四33(此通道接收米散射、瑞利散射和布里渊散射信号)，另一束经反射镜七34入射到双级虚像相位阵列系统二中；
双级虚像相位阵列系统二包括半波片三35、柱面透镜三36、偏振分光镜三37、虚像相位阵列二38、半波片四39、偏振分光镜四40、反射镜八41、柱面透镜四42、空间滤波器三43、球面透镜四44、反射镜九45、反射镜十46、球面透镜五47、空间滤波器四48和球面透镜六49；垂直偏振光束经过半波片三35变为水平偏振光，水平偏振光经过柱面透镜三36和偏振分光镜三37入射到虚像相位阵列二38中，然后水平偏振光经过半波片四39后变为垂直偏振光，经偏振分光镜四40和反射镜八41反射，依次经过柱面透镜四42、空间滤波器三43、球面透镜四44、反射镜九45、反射镜十46、偏振分光镜三37，再次入射到虚像相位阵列二38中，即在单腔的基础上经过光路设计起到双级虚像相位阵列的作用，最后光束依次经过半波片四39、偏振分光镜四40、球面透镜五47、空间滤波器四48和球面透镜六49入射到分光系统六；分光系统六为分光镜50，其将光束分成两束，一束入射到光电探测器五51(此通道接收布里渊散射信号)；另一束由ICCD采集系统二52接收(此通道接收布里渊散射光谱的频移和线宽信息)。
计算机53实时显示和处理ICCD采集系统一30和ICCD采集系统二52接收的数据；
时序控制器54控制ICCD采集系统一30和ICCD采集系统二52的时间延迟。
其中，带通滤光片一9的中心波长为532nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-512nm，长波截止范围：552-1200nm。带通滤光片二31的中心波长为480nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-460nm，长波截止范围：500-1200nm。
为了分开弹性散射和布里渊散射信号，虚像相位阵列一16和虚像相位阵列二38的入射面的反射率大于99.9％，出射面的反射率约为95％，腔体长度为5mm，自由光谱范围为0～18GHz。
为了更精确的采集到布里渊散射信号，ICCD采集系统一和ICCD采集系统二的门宽大于等于2ns。
基于上述的激光雷达系统的海洋环境参数反演方法，具体包括如下步骤：
S1：在532nm激光接收通道，通过所述光电探测器二12接收光束的米散射和瑞利散射信号强度PE1、布里渊散射信号强度PB1两者的和，虚像相位阵列系统一把弹性散射和布里渊散射光分开并进一步过滤掉弹性散射光PE1，通过光电探测器三29接收布里渊散射信号强度PB1，两者相减得到米散射和瑞利散射信号强度PE1；
在488nm激光接收通道，通过光电探测器四33接收米散射和瑞利散射信号强度PE2、布里渊散射信号强度PB2两者的和，虚像相位阵列系统二把弹性散射和布里渊散射光分开并进一步过滤掉弹性散射光PE2，通过光电探测器五51接收布里渊散射信号强度PB2，两者相减得到米散射和瑞利散射信号强度PE2。
其中以虚像相位阵列系统一为例说明虚像相位阵列系统的工作原理，如图2所示，激光雷达后向散射信号中的弹性散射和布里渊散射入射到虚像相位阵列一16，不同频率的光在腔体中多次反射分开为数个光通道，每个光通道具有恒定的位移，不同频率的光束被分开形成光束相位阵列，然后光束阵列经过空间滤波器一21和环形光路后再次进入虚像相位阵列一16，此时空间滤波器一21过滤掉垂直方向上形成串扰的弹性散射光，空间滤波器二26过滤掉水平方向形成串扰的弹性散射光。
S2：两个激光接收通道均通过下式计算得到激光雷达信号在海水中的衰减系数α
Figure BDA0002790653330000071
其中，下标B代表布里渊散射，
Figure BDA0002790653330000072
是后向布里渊散射系数，α是激光雷达信号在海水中的衰减系数；z代表激光探测的深度；
S3：两个激光接收通道均通过下式计算得到海水中悬浮粒子的后向散射系数
Figure BDA0002790653330000073
Figure BDA0002790653330000074
其中，CE是弹性散射通道的系统常数，
Figure BDA0002790653330000075
是水分子后向散射系数，
Figure BDA0002790653330000076
是悬浮粒子后向散射系数；
S4：两个激光接收通道均根据悬浮粒子的后向散射系数
Figure BDA0002790653330000077
垂直剖面反演海洋次表层信息和浮游植物垂直分层结构。
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双波长高光谱分辨率激光雷达系统，其特征在于，该系统包括：
双波长垂直偏振光发射系统(1)，用于发射两种不同波长的激光；
分光系统一，包括分光镜一(2)和反射镜一(4)，分光镜一(2)用于将激光分成两束，其中一束被光电探测器一(3)接收，另一束经反射镜一(4)后入射到海水(5)中产生后向散射信号；
望远镜(6)，用于接收海水(5)产生的后向散射信号；
分光系统二，包括反射镜二(7)和分光镜二(8)，望远镜(6)接收到后向散射信号后，经反射镜二(7)反射到分光镜二(8)，分光镜二(8)将光束分成两束，一束经带通滤光片一(9)进入分光系统三，另一束经带通滤光片二(31)进入分光系统五；
分光系统三，包括分光镜三(10)和反射镜三(11)，分光镜三(10)将光束分为两束，一束经反射镜三(11)后被光电探测器二(12)接收，另一束入射到双级虚像相位阵列系统一；
双级虚像相位阵列系统一包括半波片一(13)、柱面透镜一(14)、偏振分光镜一(15)、虚像相位阵列一(16)、半波片二(17)、偏振分光镜二(18)、反射镜四(19)、柱面透镜二(20)、空间滤波器一(21)、球面透镜一(22)、反射镜五(23)、反射镜六(24)、球面透镜二(25)、空间滤波器二(26)和球面透镜三(27)；垂直偏振光束经过半波片一(13)变为水平偏振光，然后经过柱面透镜一(14)、偏振分光镜一(15)入射到虚像相位阵列一(16)，然后水平偏振光经过半波片二(17)变为垂直偏振光，经偏振分光镜二(18)和反射镜四(19)反射，依次经过柱面透镜二(20)、空间滤波器一(21)、球面透镜一(22)、反射镜五(23)、反射镜六(24)、偏振分光镜一(15)后，再次进入虚像相位阵列一(16)，依次经半波片二(17)、偏振分光镜二(18)、球面透镜二(25)、空间滤波器二(26)、球面透镜三(27)后，入射到分光系统四，分光系统四中的分光镜四(28)把光束分成两束，一束入射到光电探测器三(29)中；另一束由ICCD采集系统一(30)接收；
分光系统五包括分光镜五(32)和反射镜七(34)，分光镜五(32)将光束分成两束，一束入射到光电探测器四(33)，另一束经反射镜七(34)入射到双级虚像相位阵列系统二中；
双级虚像相位阵列系统二包括半波片三(35)、柱面透镜三(36)、偏振分光镜三(37)、虚像相位阵列二(38)、半波片四(39)、偏振分光镜四(40)、反射镜八(41)、柱面透镜四(42)、空间滤波器三(43)、球面透镜四(44)、反射镜九(45)、反射镜十(46)、球面透镜五(47)、空间滤波器四(48)和球面透镜六(49)；垂直偏振光束经过半波片三(35)变为水平偏振光，水平偏振光经过柱面透镜三(36)和偏振分光镜三(37)入射到虚像相位阵列二(38)中，然后水平偏振光经过半波片四(39)后变为垂直偏振光，经偏振分光镜四(40)和反射镜八(41)反射，依次经过柱面透镜四(42)、空间滤波器三(43)、球面透镜四(44)、反射镜九(45)、反射镜十(46)、偏振分光镜三(37)，再次入射到虚像相位阵列二(38)中，依次经过半波片四(39)、偏振分光镜四(40)、球面透镜五(47)、空间滤波器四(48)和球面透镜六(49)入射到分光系统六；
分光系统六包括分光镜六(50)，其将光束分成两束，一束入射到光电探测器五(51)；另一束由ICCD采集系统二(52)接收；
计算机(53)，用于实时显示和处理ICCD采集系统一(30)和ICCD采集系统二(52)接收的数据；
时序控制器(54)，控制ICCD采集系统一(30)和ICCD采集系统二(52)的时间延迟。
2.根据权利要求1所述的基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统，其特征在于，所述双波长垂直偏振光发射系统分别发射波长为488nm和532nm的激光。
3.根据权利要求2所述的基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统，其特征在于，所述带通滤光片一(9)的中心波长为532nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-512nm，长波截止范围：552-1200nm；所述带通滤光片二(31)的中心波长为488nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-460nm，长波截止范围：500-1200nm。
4.根据权利要求1所述的基于双级虚像相位阵列的双波长高光谱分辨率激光雷达系统，其特征在于，所述的虚像相位阵列一和虚像相位阵列二的自由光谱范围为0～18GHz。
5.一种基于权利要求3所述的激光雷达系统的海洋环境参数的反演方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：在532nm激光接收通道，通过所述光电探测器二(12)接收光束的米散射和瑞利散射信号强度PE1、布里渊散射信号强度PB1两者的和，通过光电探测器三(29)接收布里渊散射信号强度PB1，两者相减得到米散射和瑞利散射信号强度PE1；
在488nm激光接收通道，通过光电探测器四(33)接收米散射和瑞利散射信号强度PE2、布里渊散射信号强度PB2两者的和，通过光电探测器五(51)接收布里渊散射信号强度PB2，两者相减得到米散射和瑞利散射信号强度PE2；
S2：两个激光接收通道均通过下式计算得到激光雷达信号在海水中的衰减系数α
Figure FDA0002790653320000031
其中，下标B代表布里渊散射，
Figure FDA0002790653320000032
是后向布里渊散射系数，α是激光雷达信号在海水中的衰减系数；z代表激光探测的深度；
S3：两个激光接收通道均通过下式计算得到海水中悬浮粒子的后向散射系数
Figure FDA0002790653320000033
Figure FDA0002790653320000034
其中，CE是弹性散射通道的系统常数，
Figure FDA0002790653320000035
是水分子后向散射系数，
Figure FDA0002790653320000036
是悬浮粒子后向散射系数；
S4：两个激光接收通道均根据悬浮粒子的后向散射系数
Figure FDA0002790653320000037
垂直剖面反演海洋次表层信息和浮游植物垂直分层结构。
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