CN113075693A - 一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统 - Google Patents

一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统，包括光纤激光器、输出光纤、光线发射镜组、光线接收镜组、接收光纤、主透镜、闪耀光栅、接收透镜组、光电转换模块及数字信号处理模块，光线接收镜组包括沿光线出射方向依次设置的发射滤光片、发射透镜，光纤激光器通过输出光纤与光线发射镜组连接，光线接收镜组包括沿着光线入射方向依次设置的接收透镜、接收滤光片，主透镜通过接收光纤与光线接收镜组连接，闪耀光栅设于主透镜的光线出射面一侧，接收透镜组有两组，两组接收透镜组分别通过拉曼散射光收集光纤和瑞利散射光收集光纤与主透镜连接，该激光雷达系统能够实现雾霾等污染物分布廓线的快速探测，探测精度高、应用前景广泛。

Description

一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统。
背景技术
海上雾霾对人类生产生活以及对海洋生态环境造成的影响是多样的，如：雾霾时视距不足影响船舶的正常航行，尤其是易引发沿海港口中船舶之间的碰撞事故；影响舰载直升机、固定翼飞机的正常起降；影响海洋事故发生后的搜索与救援；过量的陆地沙尘暴、灰霾远距离输送至海洋后，可导致赤潮等危害海洋生态现象的发生等。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统，该激光雷达系统能够实现雾霾等污染物分布廓线的快速探测，探测精度高、应用前景广泛。
一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统，包括光纤激光器、输出光纤、光线发射镜组、光线接收镜组、接收光纤、主透镜、闪耀光栅、接收透镜组、光电转换模块及数字信号处理模块，所述光线接收镜组包括沿光线出射方向依次设置的发射滤光片、发射透镜，所述光纤激光器通过输出光纤与光线发射镜组连接，所述光线接收镜组包括沿着光线入射方向依次设置的接收透镜、接收滤光片，所述主透镜通过接收光纤与光线接收镜组连接，位于发射透镜光线出射面的一侧还设有发射窗口玻璃，位于接收透镜光线入射面的一侧还设有接收窗口玻璃，所述闪耀光栅设于主透镜的光线出射面一侧，所述接收透镜组有两组，两组接收透镜组分别通过拉曼散射光收集光纤和瑞利散射光收集光纤与主透镜连接，光线经过接收透镜组被传输至光电转换模块，所述数字信号处理模块与光电转换模块电性连接。
作为上述技术方案的优选，还包括供电模块，所述供电模块与光纤激光器、光电转换模块及数字信号处理模块电性连接。
作为上述技术方案的优选，每组接收透镜组包括沿光线入射方向依次设置的准直透镜和聚焦透镜。
作为上述技术方案的优选，所述光电转换模块设有两组，分别与一组接收透镜组连接。
作为上述技术方案的优选，所述光纤激光器采用脉冲式光纤激光器。
作为上述技术方案的优选，所述发射滤光片和接收滤光片均采用带通滤光片，所述发射滤光片的通带宽度宽于光纤激光器出射光的光谱宽度，所述接收滤光片的通带宽度宽于大气后向散射回波信号的光谱宽度。
作为上述技术方案的优选，所述接收光纤采用多模光纤，接收光纤的数值孔径与接收透镜的数值孔径相匹配，其通光波长范围涵盖回波信号光区。
作为上述技术方案的优选，所述发射窗口玻璃和接收窗口玻璃均倾斜设置。
本发明的有益效果在于：
该激光雷达系统时间与空间分辨率高、可连续观测、可实时观测、隐蔽性强、测量精度高，实现雾霾等污染物分布廓线的快速探测，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明的原理图。
附图标记如下：1-光纤激光器、2-输出光纤、3-发射滤光片、4-发射透镜、5-发射窗口玻璃、6-接收窗口玻璃、7-接收透镜、8-接收滤光片、9-接收光纤、10-主透镜、11-闪耀光栅、12-准直透镜、13-聚焦透镜、14-拉曼散射光收集光纤、15-瑞利散射光收集光纤、16-光电转换模块、17-数字信号处理模块、18-供电模块。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统，包括光纤激光器1、输出光纤2、光线发射镜组、光线接收镜组、接收光纤9、主透镜10、闪耀光栅11、接收透镜组、光电转换模块16及数字信号处理模块17，所述光线接收镜组包括沿光线出射方向依次设置的发射滤光片3、发射透镜4，所述光纤激光器1通过输出光纤2与光线发射镜组连接，所述光线接收镜组包括沿着光线入射方向依次设置的接收透镜7、接收滤光片8，所述主透镜10通过接收光纤9与光线接收镜组连接，位于发射透镜4光线出射面的一侧还设有发射窗口玻璃5，位于接收透镜7光线入射面的一侧还设有接收窗口玻璃6，所述闪耀光栅11设于主透镜10的光线出射面一侧，所述接收透镜组有两组，两组接收透镜组分别通过拉曼散射光收集光纤14和瑞利散射光收集光纤15与主透镜10连接，光线经过接收透镜组被传输至光电转换模块16，所述数字信号处理模块17与光电转换模块16电性连接。
具体的，所述发射透镜4用于发射光束的准直，可选用双面镀膜、单面镀膜或无镀膜的球面或非球面光学透镜；
所述发射窗口玻璃5用于通光和发射透镜组的防护，发射窗口玻璃5可选用双面镀膜、单面镀膜或无镀膜的无焦光学玻璃；
所述接收窗口玻璃6用于通光和接收透镜组的防护，接收窗口玻璃6可选用双面镀膜、单面镀膜或无镀膜的无焦光学玻璃；
所述接收透镜7用于接收大气后向散射回波信号；
所述主透镜10用于接收光纤9出射光线的准直及闪耀光栅11反射光束的聚焦；
所述闪耀光栅用于信号光中拉曼散射光和瑞利散射光的分光；
两组准直透镜12分别用于拉曼散射光和瑞利散射光从拉曼散射光收集光纤14和瑞利散射光收集光纤15出射后的准直；
两组聚焦透镜13用于信号聚焦进入光电转换模块16；
所述光电转换模块16包含光电探测器、放大电路、滤波电路、模数转换电路等，用于光信号到电信号的转换与有效提取及数字化；
所述数字信号处理模块17用于接收光电转换模块16传输的数字信号，并进行运算，获得雾霾分布廓线；
在本实施例中，还包括供电模块18，所述供电模块18与光纤激光器1、光电转换模块16及数字信号处理模块17电性连接。供电模块18为光纤激光器1、光电转换模块16、数字信号处理17模块供电。
在本实施例中，每组接收透镜组包括沿光线入射方向依次设置的准直透镜12和聚焦透镜13。
在本实施例中，所述光电转换模块16设有两组，分别与一组接收透镜组连接。
在本实施例中，所述光纤激光器1采用脉冲式光纤激光器，输出光纤2为光纤激光器1自带结构。
在本实施例中，所述发射滤光片3和接收滤光片8均采用带通滤光片，所述发射滤光片3的通带宽度宽于光纤激光器1出射光的光谱宽度，所述接收滤光片8的通带宽度宽于大气后向散射回波信号的光谱宽度。
在本实施例中，所述接收光纤9采用多模光纤，接收光纤9的数值孔径与接收透镜7的数值孔径相匹配，其通光波长范围涵盖回波信号光区。
在本实施例中，所述发射窗口玻璃5和接收窗口玻璃6均倾斜设置。
本实施例的具体工作原理如下。
光纤激光器1发射一束脉冲激光，经其自带的输出光纤2传输输出，经过发射滤光片3后，被发射透镜4准直，其发散角被压缩，再经发射窗口玻璃5后进入大气中，与大气中雾霾等气溶胶粒子及大气分子发生的弹性散射作用，产生瑞利散射光信号，同时，脉冲激光与大气中大气分子碰撞发生的非弹性散射作用，产生拉曼散射光信号，其中氮气分子产生的拉曼散射光中波长长于入射激光波长的，称为氮气斯托克斯支拉曼散射光，本申请中的拉曼散射光指的是氮气斯托克斯支拉曼散射光。
根据激光雷达方程，大气气溶胶粒子分布廓线可由瑞利散射光信号反演获得，但低空信号需要进行几何重叠因子修正；大气中的氮气分子含量较为固定，拉曼散射光与瑞利散射光具有相同的几何重叠因子，利用氮气斯托克斯支拉曼散射光作为参考光，可辅助实现低空几何重叠因子的实时修正。
后向散射光信号通过接收窗口玻璃6，被接收透镜7接收并汇聚，经接收滤光片8后，聚焦进入接收光纤9中。
瑞利散射光与拉曼散射光共同组成的后向散射光信号经接收光纤9传输后，被主透镜10准直，经反射式闪耀光栅11分光与反射后，不同波长的光，被主透镜10聚焦在空间不同位置，在瑞利散射光聚焦位置放置瑞利散射光收集光纤15，在拉曼散射光聚焦位置放置拉曼散射光收集光纤14。
不同波长的光分别经瑞利散射光收集光纤15和拉曼散射光收集光纤14，瑞利散射光收集光纤15和拉曼散射光收集光纤14的出射光分别经过一组准直透镜12准直之后再经聚焦透镜13聚焦，最后瑞利散射光与拉曼散射光分别进入光电转换模块16的光电探测器中完成光电转换。
光电转换后的模拟电信号，经放大、滤波、模数转换，被转换为数字信号，传输入数字信号处理模块17进行运算与几何重叠因子修正，获得大气雾霾等气溶胶廓线分布信息。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型全光纤结构海上雾霾探测激光雷达系统，其特征在于：包括光纤激光器、输出光纤、光线发射镜组、光线接收镜组、接收光纤、主透镜、闪耀光栅、接收透镜组、光电转换模块及数字信号处理模块，所述光线接收镜组包括沿光线出射方向依次设置的发射滤光片，所述光纤激光器通过输出光纤与光线发射镜组连接，所述光线接收镜组包括沿着光线入射方向依次设置的接收透镜、接收滤光片，所述主透镜通过接收光纤与光线接收镜组连接，位于发射透镜光线出射面的一侧还设有发射窗口玻璃，位于接收透镜光线入射面的一侧还设有接收窗口玻璃，所述闪耀光栅设于主透镜的光线出射面一侧，所述接收透镜组有两组，两组接收透镜组分别通过拉曼散射光收集光纤和瑞利散射光收集光纤与主透镜连接，光线经过接收透镜组被传输至光电转换模块，所述数字信号处理模块与光电转换模块电性连接。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：还包括供电模块，所述供电模块与光纤激光器、光电转换模块及数字信号处理模块电性连接。
3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：每组接收透镜组包括沿光线入射方向依次设置的准直透镜和聚焦透镜。
4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：所述光电转换模块设有两组，分别与一组接收透镜组连接。
5.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：所述光纤激光器采用脉冲式光纤激光器。
6.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：所述发射滤光片和接收滤光片均采用带通滤光片，所述发射滤光片的通带宽度宽于光纤激光器出射光的光谱宽度，所述接收滤光片的通带宽度宽于大气后向散射回波信号的光谱宽度。
7.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：所述接收光纤采用多模光纤，接收光纤的数值孔径与接收透镜的数值孔径相匹配，其通光波长范围涵盖回波信号光区。
8.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于：所述发射窗口玻璃和接收窗口玻璃均倾斜设置。
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