CN114428069A - 一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，包括脉冲激光发射系统，用于连续发射两束不同谱段的脉冲激光照射海洋；主光学接收组件，用于收集双谱段激光与海水相互作用产生的散射的信号，并会聚至分光滤波组件；分光滤波组件，用于将收集的双谱段激光散射信号分成两束光信号，分别射入第一光电探测器和前级中继光学组件；前级中继光学组件，将射入的光束分离成一束弹性散射光信号和两束非弹性散射光信号，两束非弹性散射光信号分别射入第二光电探测器和第三光电探测器，弹性散射光信号射入后级中继光学组件；后级中继光学组件，将射入的弹性散射光信号分离成四束，分别射入四个光电探测器。
Description
技术领域
本发明属于海洋光学遥感技术领域，特别涉及一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置。
背景技术
海洋观测是认知海洋的基本手段，是海洋经济开发、环境保护和权益维护的基础。目前对海洋的观测已经从走船考察、锚系和浮标观测向卫星遥感观测转变，我国海洋观测起步晚，虽近二十年来观测能力已大幅提升，对我国近海及全球海洋表面的观测资料较多，但缺乏全球范围海下剖面资料，存在遥感资料反演信息欠精、信息提取知识欠科学等问题，对海洋的认知仍然十分有限。
当前面向海洋观测的遥感方式主要有微波、红外、可见光等手段，仅可实现全球海洋表面的温度、盐度、水色等要素的观测。海洋温度、盐度、深度是海洋动力环境研究关键参数，是认识海洋和揭示海洋现象必不可少的参量，但是国内外对于全球尺度的海洋水下温盐深等多要素剖面信息的探测缺乏有效手段，其有关数据全球尺度的高精度获取一直是国际研究热点。
蓝绿激光是能够穿透海表进入海洋次表层剖面的探测手段，测深精度高，同时具备探测海水温度、盐度、水体光学参数等能力。面向全球海洋剖面多要素探测的紧迫需求，极具应用潜力。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，解决激光与海水散射信号宽散射谱精细分辨、大动态高灵敏探测、多维(能量、频谱、偏振)信息同步接收等难题，具备海洋剖面温度、盐度、深度、水体光学参数等多要素同步遥感观测的能力。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，包括脉冲激光发射系统、主光学接收组件、分光滤波组件、第一光电探测器、前级中继光学组件、第二光电探测器、第三光电探测器、后级中继光学组件、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器、以及第七光电探测器；
所述脉冲激光发射系统用于以确定的重复频率同时发射两束不同谱段的脉冲激光照射海洋；所述主光学接收组件用于收集双谱段的脉冲激光与海水相互作用产生的散射光信号，并会聚至分光滤波组件；所述分光滤波组件位于主光学接收组件、第一光电探测器及前级中继光学组件之间，用于将收集的双谱段激光散射光信号分成两束光信号，一束长波长散射光信号射入第一光电探测器，另一束短波长散射光信号射入前级中继光学组件；所述前级中继光学组件对射入的光束进一步进行精细分离，分离成一束弹性散射光信号和两束非弹性散射光信号，两束非弹性散射光信号分别射入第二光电探测器和第三光电探测器，一束弹性散射光信号射入后级中继光学组件；后级中继光学组件位于前级中继光学组件与第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器之间，用于将射入的弹性散射光信号分离成四束，分别射入第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器；
所述第一光电探测器用于长波长如1064nm散射光信号的探测，实现海面高程信息的获取；；
所述第二光电探测器用于短波长如532nm散射光信号中的非弹性散射部分探测，实现水下剖面温度、盐度信息的获取；
所述第三光电探测器用于短波长如532nm散射光信号中的非弹性散射部分探测，实现水下剖面温度、盐度信息的获取；
所述第四光电探测器用于短波长如532nm散射光信号中的弹性散射部分探测，实现水下深度信息及水体水平偏振态散射信息的获取；
所述第五光电探测器用于水下深度信息及水体垂直偏振态散射信息的获取；
所述第六光电探测器用于水下深度信息及水体垂直偏振态散射信息的获取；
所述第七光电探测器用于短波长如532nm散射光信号中的弹性散射部分探测，实现水下深度信息及水体水平偏振态散射信息的获取。
根据本发明提供的一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，具有以下有益效果：
(1)根据本发明提供的一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，采用弹性散射信号与非弹性散射信号一体宽散射谱接收、多级多维精细分辨，实现了激光与海水散射信号宽散射谱精细分辨，多维(能量、频谱、偏振)信息同步获取，具备海洋剖面温度、盐度、深度、水体光学参数等多要素同步遥感观测的能力，弥补了现有遥感设备对海洋水下温盐深等多要素剖面信息探测能力缺失，且在物理结构上具有结构紧凑、集成化高等特点；
(2)根据本发明提供的一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，采用阵列PMT探测器与单元PMT探测器多级多通道组合，线性工作模式与光子计数工作模式多模式协同的光电探测方式，所有光电探测器本质上均是基于能量将光信号转换成电信号，利用光学分光的方法，将不同谱段和不同偏振态的光射入不同的探测器，从而实现能量、频谱、偏振多维的探测；一种类型的散射信号有时用两个探测器接收，是为了实现能量上强光和弱光都可以探测的大动态的接收(如第二光电探测器与第三光电探测，将两种探测器设置不同工作模式或增益)；探测器选择阵列探测器，是为了在弹性和非弹性散射光这种宽散射谱都收集的情况下，通过光学精细分光和阵列多像元接收的方式，进一步对频谱进行精细分辨；本发明中多类型探测器的特定组合，实现了多维(能量、频谱、偏振)信息的大动态高灵敏探测，显著提升装置的探测性能，拓展其海洋观测的应用效能；
(3)根据本发明提供的一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，采用1064nm与532nm双谱段激光发射，利用1064nm难以透水以及532nm良好的穿水特性，结合窄带滤波片与探测门控工作方式，在空间和频谱上实现多级滤波，显著减少噪声对有效信号干扰，有助于有效信号的识别，实现海面与水下剖面高精度测量。
附图说明
图1为一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置的原理图；
图2为一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置的结构示意图。
附图标号说明
1-脉冲激光发射系统，2-主光学接收组件，21-主镜，22-次镜，3-分光滤波组件，31-分光镜，32-第一准直镜，33-第一窄带滤波片，34-第一会聚透镜，35-第二准直镜，36-第二窄带滤波片，4-第一光电探测器，5-前级中继光学组件，51-Fizeau干涉仪，52-柱透镜，53-第三准直镜，54-第一反射镜，55-第二反射镜，56-第二会聚透镜，57-第三会聚透镜，6-第二光电探测器，7-第三光电探测器，8-后级中继光学组件，81-第一偏振分束镜，82-第四会聚透镜，83-第三反射镜，84-第五会聚透镜，85-第二偏振分束镜，86-第六会聚透镜，87-第四反射镜，88-第七会聚透镜。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，如图1和2所示，包括脉冲激光发射系统1、主光学接收组件2、分光滤波组件3、第一光电探测器4、前级中继光学组件5、第二光电探测器6、第三光电探测器7、后级中继光学组件8、第四光电探测器9、第五光电探测器10、第六光电探测器11、以及第七光电探测器12；
所述脉冲激光发射系统1用于以确定的重复频率同时发射两束不同谱段的脉冲激光照射海洋；所述主光学接收组件2用于收集双谱段的脉冲激光与海水相互作用产生的散射光信号，并会聚至分光滤波组件3；所述分光滤波组件3位于主光学接收组件2、第一光电探测器4及前级中继光学组件5之间，用于将收集的双谱段激光散射光信号分成两束光信号，一束长波长散射光信号射入第一光电探测器4，另一束短波长散射光信号射入前级中继光学组件5；所述前级中继光学组件5对射入的光束进一步进行精细分离，分离成一束弹性散射光信号和两束非弹性散射光信号，两束非弹性散射光信号分别射入第二光电探测器6和第三光电探测器7，一束弹性散射光信号射入后级中继光学组件8；后级中继光学组件8位于前级中继光学组件5与第四光电探测器9、第五光电探测器10、第六光电探测器11、第七光电探测器12之间，用于将射入的弹性散射光信号分离成四束，分别射入第四光电探测器9、第五光电探测器10、第六光电探测器11、第七光电探测器12；
所述第一光电探测器4用于长波长如1064nm散射光信号的探测，实现海面高程信息的获取；；
所述第二光电探测器6用于短波长如532nm散射光信号中的非弹性散射部分探测，实现水下剖面温度、盐度信息的获取；
所述第三光电探测器7用于短波长如532nm散射光信号中的非弹性散射部分探测，实现水下剖面温度、盐度信息的获取；
所述第四光电探测器9用于短波长如532nm散射光信号中的弹性散射部分探测，实现水下深度信息及水体水平偏振态散射信息的获取；
所述第五光电探测器10用于水下深度信息及水体垂直偏振态散射信息的获取；
所述第六光电探测器11用于水下深度信息及水体垂直偏振态散射信息的获取；
所述第七光电探测器12用于短波长如532nm散射光信号中的弹性散射部分探测，实现水下深度信息及水体水平偏振态散射信息的获取。
在一种优选的实施方式中，所述脉冲激光发射系统1同时发射两束不同谱段激光，一束为532nm脉冲激光，另一束为1064nm脉冲激光，两束激光的脉宽均小于10ns。
在一种优选的实施方式中，所述主光学接收组件2的形式为卡塞格林式，包括主镜21和次镜22，双谱段激光与海水相互作用产生的散射光信号依次经过主镜21和次镜22会聚至分光滤波组件3。
在一种优选的实施方式中，所述分光滤波组件3包括分光镜31、第一准直镜32、第一窄带滤波片33、第一会聚透镜34、第二准直镜35以及第二窄带滤波片36；所述第一准直镜32、第一窄带滤波片33和第一会聚透镜34依次排布在分光镜31与第一光电探测器4之间；所述第二准直镜35和第二窄带滤波片36依次排布在分光镜31与前级中继光学组件5之间；1064nm激光散射信号经分光镜31透射，依次射入准直镜32、第一窄带滤波片33、会聚透镜34后，会聚到第一光电探测器4完成光电转换；532nm激光散射信号经分光镜31反射，依次射入第二准直镜35、第二窄带滤波片36，入射到前级中继光学组件5；第一窄带滤波片和第二窄带滤波片的带宽均不大于1nm。
在一种优选的实施方式中，所述第一光电探测器4为具有门控功能且工作于线性模式或盖格模式的APD探测器，光谱响应区间包含1064nm激光波长。
在一种优选的实施方式中，所述前级中继光学组件5包括Fizeau干涉仪51、柱透镜52、第三准直镜53、第一反射镜54、第二反射镜55、第二会聚透镜56以及第三会聚透镜57，Fizeau干涉仪51、柱透镜52、第三准直镜53依次位于反射后的532nm激光散射信号光路上，第一反射镜54和第二反射镜55倾斜放置于第三准直镜53与后级中继光学组件8之间，第二会聚透镜56位于第一反射镜54与第二光电探测器6之间，第三会聚透镜57位于第二反射镜55与第三光电探测器7之间；532nm入射光依次经过Fizeau干涉仪51、柱透镜52、第三准直镜53后，进一步分离成一束弹性散射光信号和两束非弹性散射光信号，一束非弹性散射光信号经过第一反射镜54、第二会聚透镜56射入到第二光电探测器6，另一束非弹性散射光信号经过第二反射镜55、第三会聚透镜57射入到第三光电探测器7，弹性散射光信号射入到后级中继光学组件8。
在一种优选的实施方式中，所述第二光电探测器6为具有门控功能且工作在线性模型下的阵列PMT探测器，第三光电探测器7为具有门控功能且工作在光子计数模式下的阵列PMT探测器，且两个探测器的光谱响应区间均包含532nm激光波长。
在一种优选的实施方式中，所述后级中继光学组件8包括第一偏振分束镜81、第四会聚透镜82、第三反射镜83、第五会聚透镜84、第二偏振分束镜85、第六会聚透镜86、第四反射镜87、以及第七会聚透镜88；第一偏振分束镜81和第三反射镜83依次布置在一半532nm弹性散射光信号的光路上，第二偏振分束镜85和第四反射镜87布置在另一半532nm弹性散射光信号的光路上，第四会聚透镜82位于第一偏振分束镜81与第四光电探测器9之间，第六会聚透镜86位于第二偏振分束镜85与第七光电探测器12之间，第五会聚透镜84位于第三反射镜83与第五高速光电探测10之间，第七会聚透镜88位于第四反射镜87与第六光电探测器11之间；一半入射光(532nm弹性散射光信号)射入第一偏振分束镜81，产生水平偏振光和垂直偏振光两束光，水平偏振光经第四会聚透镜82会聚到第四高速光电探探测器9，垂直偏振光经第三反射镜83、第五会聚透镜84会聚到第五高速光电探探测器10；另一半入射光(532nm弹性散射光信号)射入第二偏振分束镜85，产生水平偏振光和垂直偏振光两束光，水平偏振光经第六会聚透镜86会聚到第七高速光电探探测器12，垂直偏振光经第四反射镜87、第七会聚透镜88会聚到第六高速光电探探测器11。
在一种优选的实施方式中，所述第四光电探测器9和第五光电探测器10均为具有门控功能且工作在线性模型下的单元PMT探测器，第六光电探测器11和第七光电探测器12均具有门控功能且工作在光子计数模式下的单元PMT探测器，且四个探测器的光谱响应区间均包含532nm激光波长。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，其特征在于，包括脉冲激光发射系统(1)、主光学接收组件(2)、分光滤波组件(3)、第一光电探测器(4)、前级中继光学组件(5)、第二光电探测器(6)、第三光电探测器(7)、后级中继光学组件(8)、第四光电探测器(9)、第五光电探测器(10)、第六光电探测器(11)、以及第七光电探测器(12)；
所述脉冲激光发射系统(1)用于以确定的重复频率同时发射两束不同谱段的脉冲激光照射海洋；所述主光学接收组件(2)用于收集双谱段的脉冲激光与海水相互作用产生的散射光信号，并会聚至分光滤波组件(3)；所述分光滤波组件(3)位于主光学接收组件(2)、第一光电探测器(4)及前级中继光学组件(5)之间，用于将收集的双谱段激光散射光信号分成两束光信号，一束长波长散射光信号射入第一光电探测器(4)，另一束短波长散射光信号射入前级中继光学组件(5)；所述前级中继光学组件(5)对射入的光束进一步进行精细分离，分离成一束弹性散射光信号和两束非弹性散射光信号，两束非弹性散射光信号分别射入第二光电探测器(6)和第三光电探测器(7)，一束弹性散射光信号射入后级中继光学组件(8)；后级中继光学组件(8)位于前级中继光学组件(5)与第四光电探测器(9)、第五光电探测器(10)、第六光电探测器(11)、第七光电探测器(12)之间，用于将射入的弹性散射光信号分离成四束，分别射入第四光电探测器(9)、第五光电探测器(10)、第六光电探测器(11)、第七光电探测器(12)；
所述第一光电探测器(4)用于长波长散射光信号的探测，实现海面高程信息的获取；
所述第二光电探测器(6)用于短波长散射光信号中的非弹性散射部分探测，实现水下剖面温度、盐度信息的获取；
所述第三光电探测器(7)用于短波长散射光信号中的非弹性散射部分探测，实现水下剖面温度、盐度信息的获取；
所述第四光电探测器(9)用于短波长散射光信号中的弹性散射部分探测，实现水下深度信息及水体水平偏振态散射信息的获取；
所述第五光电探测器(10)用于水下深度信息及水体垂直偏振态散射信息的获取；
所述第六光电探测器(11)用于水下深度信息及水体垂直偏振态散射信息的获取；
所述第七光电探测器(12)用于短波长散射光信号中的弹性散射部分探测，实现水下深度信息及水体水平偏振态散射信息的获取。
2.根据权利要求1所述的宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，其特征在于，所述脉冲激光发射系统(1)同时发射两束不同谱段的脉冲激光，一束为532nm脉冲激光，另一束为1064nm脉冲激光。
3.根据权利要求2所述的宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，其特征在于，所述主光学接收组件(2)的形式为卡塞格林式，包括主镜(21)和次镜(22)，双谱段激光与海水相互作用产生的散射光信号依次经过主镜(21)和次镜(22)会聚至分光滤波组件(3)。
4.根据权利要求3所述的宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，其特征在于，所述分光滤波组件(3)包括分光镜(31)、第一准直镜(32)、第一窄带滤波片(33)、第一会聚透镜(34)、第二准直镜(35)以及第二窄带滤波片(36)；所述第一准直镜(32)、第一窄带滤波片(33)和第一会聚透镜(34)依次排布在分光镜(31)与第一光电探测器(4)之间；所述第二准直镜(35)和第二窄带滤波片(36)依次排布在分光镜(31)与前级中继光学组件(5)之间；1064nm激光散射信号经分光镜(31)透射，依次射入准直镜(32)、第一窄带滤波片(33)、会聚透镜(34)后，会聚到第一光电探测器(4)完成光电转换；532nm激光散射信号经分光镜(31)反射，依次射入第二准直镜(35)、第二窄带滤波片(36)，入射到前级中继光学组件(5)。
5.根据权利要求4所述的宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，其特征在于，所述第一光电探测器(4)为具有门控功能且工作于线性模式或盖格模式的APD探测器，光谱响应区间包含1064nm激光波长。
6.根据权利要求5所述的宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，其特征在于，所述前级中继光学组件(5)包括Fizeau干涉仪(51)、柱透镜(52)、第三准直镜(53)、第一反射镜(54)、第二反射镜(55)、第二会聚透镜(56)以及第三会聚透镜(57)，Fizeau干涉仪(51)、柱透镜(52)、第三准直镜(53)依次位于反射后的532nm激光散射信号光路上，第一反射镜(54)和第二反射镜(55)倾斜放置于第三准直镜(53)与后级中继光学组件(8)之间，第二会聚透镜(56)位于第一反射镜(54)与第二光电探测器(6)之间，第三会聚透镜(57)位于第二反射镜(55)与第三光电探测器(7)之间；532nm入射光依次经过Fizeau干涉仪(51)、柱透镜(52)、第三准直镜(53)后，分离成一束弹性散射光信号和两束非弹性散射光信号，一束非弹性散射光信号经过第一反射镜(54)、第二会聚透镜(56)射入到第二光电探测器(6)，另一束非弹性散射光信号经过第二反射镜(55)、第三会聚透镜(57)射入到第三光电探测器(7)，弹性散射光信号射入到后级中继光学组件(8)。
7.根据权利要求6所述的宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，其特征在于，所述第二光电探测器(6)为具有门控功能且工作在线性模型下的阵列PMT探测器，第三光电探测器(7)为具有门控功能且工作在光子计数模式下的阵列PMT探测器，且两个探测器的光谱响应区间均包含532nm激光波长。
8.根据权利要求7所述的宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，其特征在于，所述后级中继光学组件(8)包括第一偏振分束镜(81)、第四会聚透镜(82)、第三反射镜(83)、第五会聚透镜(84)、第二偏振分束镜(85)、第六会聚透镜(86)、第四反射镜(87)以及第七会聚透镜(88)；第一偏振分束镜(81)和第三反射镜(83)依次布置在一半532nm弹性散射光信号的光路上，第二偏振分束镜(85)和第四反射镜(87)布置在另一半532nm弹性散射光信号的光路上，第四会聚透镜(82)位于第一偏振分束镜(81)与第四光电探测器(9)之间，第六会聚透镜(86)位于第二偏振分束镜(85)与第七光电探测器(12)之间，第五会聚透镜(84)位于第三反射镜(83)与第五高速光电探测10之间，第七会聚透镜(88)位于第四反射镜(87)与第六光电探测器(11)之间；一半532nm弹性散射光信号射入第一偏振分束镜(81)，产生水平偏振光和垂直偏振光两束光，水平偏振光经第四会聚透镜(82)会聚到第四高速光电探探测器(9)，垂直偏振光经第三反射镜(83)、第五会聚透镜(84)会聚到第五高速光电探探测器(10)；另一半532nm弹性散射光信号射入第二偏振分束镜(85)，产生水平偏振光和垂直偏振光两束光，水平偏振光经第六会聚透镜(86)会聚到第七高速光电探探测器(12)，垂直偏振光经第四反射镜(87)、第七会聚透镜(88)会聚到第六高速光电探探测器(11)。
9.根据权利要求8所述的宽散射谱多维海洋剖面信息激光探测装置，其特征在于，所述第四光电探测器(9)和第五光电探测器(10)均为具有门控功能且工作在线性模型下的单元PMT探测器，第六光电探测器(11)和第七光电探测器(12)均具有门控功能且工作在光子计数模式下的单元PMT探测器，且四个探测器的光谱响应区间均包含532nm激光波长。
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