CN115494522A - 大动态探测范围多参数激光雷达 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种大动态探测范围多参数激光雷达，包括：发射光路，用于输出脉冲线偏振光；望远系统，用于接收脉冲线偏振光的回波信号；光开关组合，用于调节回波信号的传输方向和通光效率；第一接收支路，包括第一F‑P标准具、第一信号通道探测器和第二信号通道探测器，第一接收支路用于利用经过第一F‑P标准具检测回波信号的多普勒频移，并计算风速；第二接收支路，包括二向分色镜、第三信号通道探测器和第四信号通道探测器，二向分色镜将回波信号中瑞利弹性散射信号入射至第三信号通道探测器，将回波信号中的拉曼散射信号入射至第四信号通道探测器，利用瑞利弹性散射信号和拉曼散射信号计算大气密度，基于大气密度反演得到温度分布。

Description

大动态探测范围多参数激光雷达

技术领域

本公开涉及激光遥感、大气探测和光电探测技术领域，尤其涉及一种大动态探测范围多参数激光雷达。

背景技术

利用激光雷达技术进行大气参数探测是一种先进的光学主动遥感技术，其具有时空分辨率高、探测范围大的显著特征，是其他探测手段很难比拟的。激光由激光源发射，经过发射系统扩束准直之后射向大气，经过大气的衰减，被大气中的粒子散射，大气后向散射包括米散射、瑞利散射、拉曼散射等，其中拉曼散射包括转动拉曼散射和振动拉曼散射。大气后向散射的激光在返回的路程中再次被大气消光，然后由接收光学系统接收，通过光电探测器光电转换，最终对回波信号采集计算并进行数据处理得到测量信息。

大气边界层至中高层大气范围是一个关键且复杂的区域，它包含了许多重要的空间物理现象，与人类的生存发展和各类航天器发射任务紧密相关。利用激光雷达对50m-40km大气的风场、密度和温度进行观测具有重要的科学意义，采取不同的探测方式可以实现对不同高度探测范围的大气参数测量。

目前，对于不同高度大气参数测量，现有技术提供的都是使用单独分立激光雷达系统。而且激光雷达由激光发射机、信号接收机和数据采集控制部分组成，倘若使用单独分立激光雷达系统对不同高度的大气风场、密度和温度进行同步测量，则使得测量系统占用过多的资源，体积较大和成本昂贵。通常激光雷达设计为共轴或旁轴结构，但是此系统一般视场较大，受天空背景辐射影响较多，系统探测盲区较大，会有部分回波信号缺失的明显缺陷，导致探测结果精度较低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种大动态探测范围多参数激光雷达，以解决上述技术问题。

本公开的一个方面提供了一种大动态探测范围多参数激光雷达，包括：发射光路，用于输出脉冲线偏振光；望远系统，用于接收所述脉冲线偏振光探测目标之后的回波信号；光开关组合，设于所述回波信号的光路上，用于调节所述回波信号的传输方向和通光效率；第一接收支路，设于所述回波信号的其中一个传输方向上，包括第一F-P标准具、第一信号通道探测器和第二信号通道探测器，所述第一信号通道探测器和所述第二信号通道探测器分别设于所述第一F-P标准具的第一信号通道和第二信号通道之后，所述第一接收支路用于利用经过所述第一F-P标准具的第一信号通道和第二信号通道之后的所述回波信号检测多普勒频移，基于所述多普勒频移计算风速；第二接收支路，设于所述回波信号的另一个传输方向上，包括二向分色镜、第三信号通道探测器和第四信号通道探测器，所述二向分色镜将所述回波信号中瑞利弹性散射信号入射至第三信号通道探测器，将所述回波信号中的拉曼散射信号入射至第四信号通道探测器，所述第二接收支路用于利用所述瑞利弹性散射信号和所述拉曼散射信号计算大气密度，并基于所述大气密度反演得到温度分布。

可选地，所述发射光路包括：激光发射系统，用于产生所述脉冲线偏振光；扩束镜，设于所述激光发射系统之后，用于将所述脉冲线偏振光进行扩束且压缩发散角；第一偏振分光棱镜，设于所述扩束镜之后，用于在校准阶段将所述脉冲线偏振光反射至所述第一接收支路中，辅助完成所述第一接收支路的零多普勒频率校准，以及，在探测阶段将所述脉冲线偏振光透射至第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜，设于所述第一偏振分光棱镜之后，用于将所述脉冲线偏振光透射至第一四分之一波片，以及，将经过所述第一四分之一波片返回的所述回波信号反射至所述光开关组合；第一四分之一波片，设于所述第二偏振分光棱镜之后，用于调整所述脉冲线偏振光和所述回波信号的偏振态；反射镜，设于所述第一四分之一波片之后，用于将所述脉冲线偏振光指向大气探测方向，以及，将所述回波信号指向所述第一四分之一波片。

可选地，所述光开关组合包括：基于KDP的晶体电光开关，用于利用电压调制控制所述回波信号输出方向和通光效率；第三偏振分光棱镜，用于根据所述晶体光电开关的调制作用，将所述回波信号反射至所述第一接收支路，或者，将所述回波信号透射至所述第二接收支路。

可选地，所述第一接收支路还包括：第三四分之一波片，用于调节所述回波信号的偏振态；第一干涉滤光片和第二F-P标准具，设于所述第三四分之一波片之后，用于滤除所述回波信号中的背景光，获得预设波段的回波信号；第四偏振分光棱镜，设于所述第二F-P标准具之后，用于将所述回波信号分束传输至所述第一F-P标准具的第一信号通道和第二信号通道；第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，分别设于所述第一F-P标准具的第一信号通道和第二信号通道之后，用于将所述第一信号通道和第二信号通道中的回波信号耦合到所述第一信号通道探测器和第二信号通道探测器。

可选地，还包括：第二四分之一波片，设于所述第一偏振分光棱镜的反射光路上，位于所述第一偏振分光棱镜和所述第四偏振分光棱镜之间，用于在校准阶段调整射向所述第一接收支路的脉冲线偏振光的偏振态；所述第四偏振分光棱镜还用于在校准阶段，将所述脉冲线偏振光分束传输至所述第一F-P标准具的第一信号通道和第二信号通道。

可选地，所述第二接收支路还包括：第二干涉滤光片，设于所述瑞利弹性散射信号的入射路径上，用于滤除所述瑞利弹性散射信号中的背景光；第三聚焦透镜，设于所述第二干涉滤光片和所述第三信号通道探测器之间，用于将所述瑞利弹性散射信号耦合进所述第三信号通道探测器；第三干涉滤光片，设于所述拉曼散射信号的入射路径上，用于滤除所述拉曼散射信号中的背景光；第四聚焦透镜，设于所述第三干涉滤光片和所述第四信号通道探测器之间，用于将所述拉曼散射信号耦合进所述第四信号通道探测器。

可选地，所述激光发射系统采用可调谐种子注入式半导体泵浦的Nd：YAG激光器，基频输出波长1064nm，经过二倍频和三倍频转换后，输出波长354.7nm的脉冲线偏振光。

可选地，所述瑞利弹性散射信号的波长为354.7nm，所述拉曼散射信号的波长为386.6nm。

可选地，所述望远系统采用收发同轴透射式结构。

可选地，所述大动态探测范围多参数激光雷达的动态探测范围为50m-40km。

在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本公开实施例提供的大动态探测范围多参数激光雷达可以实现大气风速、密度和温度一体化测量，通过基于KDP的晶体电光开关控制光束输出方向。当给基于KDP的晶体电光开关提供低电压0V时，接收光路中线偏振光能够反射进入第一接收支路，利用第一F-P标准具，结合双边缘技术进行大气风场测量。当给基于KDP的晶体电光开关提供高电压2.1kV@354.7nm时，将接收光路中线偏振光的偏振方向旋转90°，接收光路中线偏振光的透过率＞97％，接收光路中线偏振光能够透射进入第二接收支路，同时利用50m-30km的386.6nm氮气分子转动拉曼散射和30km-40km的354.7nm分子瑞利散射回波信号精确测量大气密度。而大气温度可通过大气密度反演得到。

通过基于KDP的晶体电光开关控制通光效率，调节基于KDP的晶体电光开关电压0～2.1KV范围，使得底层大气风场时测量第一信号通道探测器与第二信号通道探测器不至于饱和，保证底层测风精度更高。瑞利弹性散射和氮气分子转动拉曼散射都可以用来测量大气密度，对于30km-40km的高空大气，瑞利散射密度探测精度较高。由于大气气溶胶的影响，50m-30km的中低层大气瑞利散射信号将含有气溶胶散射信号部分，例如平流层火山灰或者对流层气溶胶等，以及底层大气信号强度影响导致瑞利散射密度探测精度较低。而该高度的大气转动拉曼散射密度探测精度较高，因此在数据处理时利用瑞利弹性散射和转动拉曼散射分别反演30km-40km和50m-30km的大动态范围大气参数测量。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种大动态探测范围多参数激光雷达的示意图。

附图标记说明：

1-激光发射系统；2-扩束镜；3-第一偏振分光棱镜；4-第二偏振分光棱镜；5-第一四分之一波片；6-反射镜；7-望远系统；8-第二四分之一波片；9-基于KDP晶体的电光开关；10-第三偏振分光棱镜；11-第三四分之一波片；12-第一干涉滤光片；13-第二F-P标准具；14-第四偏振分光棱镜；15-第一F-P标准具；16-第一聚焦透镜；17-第一信号通道探测器18-第二聚焦透镜；19-第二信号通道探测器；20-二向分色镜；21-第二干涉滤光片；22-第三聚焦透镜；23-第三信号通道探测器；24-第三干涉滤光片；25-第四聚焦透镜；26-第四信号通道探测器。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本公开实施例提供的一种大动态探测范围多参数激光雷达包括发光光路、望远系统7、光开关组合、第一接收支路和第二接收支路。其中，发射光路用于输出脉冲线偏振光；望远系统7用于接收脉冲线偏振光探测目标之后的回波信号；光开关组合设于回波信号的光路上，用于调节回波信号的传输方向和通光效率；第一接收支路设于回波信号的其中一个传输方向上，包括第一F-P标准具15、第一信号通道探测器17和第二信号通道探测器19，第一信号通道探测器17和第二信号通道探测器19分别设于第一F-P标准具15的第一信号通道和第二信号通道之后，第一接收支路用于利用经过第一F-P标准具15的第一信号通道和第二信号通道之后的回波信号检测多普勒频移，基于多普勒频移计算风速；第二接收支路设于回波信号的另一个传输方向上，包括二向分色镜20、第三信号通道探测器23和第四信号通道探测器26，二向分色镜20将回波信号中瑞利弹性散射信号入射至第三信号通道探测器23，将回波信号中的拉曼散射信号入射至第四信号通道探测器26，第二接收支路用于利用瑞利弹性散射信号和拉曼散射信号计算大气密度，并基于大气密度反演得到温度分布。

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种大动态探测范围多参数激光雷达的示意图。

如图1所示，在本公开实施例中，发射光路具体可以包括：激光发射系统1、扩束镜2、第一偏振分光棱镜3、第二偏振分光棱镜4、第一四分之一波片5和反射镜6。激光发射系统1用于产生脉冲线偏振光；扩束镜2设于激光发射系统1之后，用于将脉冲线偏振光进行扩束且压缩发散角；第一偏振分光棱镜3设于扩束镜2之后，用于在校准阶段将脉冲线偏振光反射至第一接收支路中，辅助完成第一接收支路的零多普勒频率校准，以及，在探测阶段将脉冲线偏振光透射至第二偏振分光棱镜4，具体的，偏振分光棱镜只允许P偏振光透过，S偏振光在分光表面发生反射作用；第二偏振分光棱镜4设于第一偏振分光棱镜3之后，用于将脉冲线偏振光透射至第一四分之一波片5，以及，将经过第一四分之一波片5返回的回波信号反射至光开关组合；第一四分之一波片5设于第二偏振分光棱镜4之后，用于调整脉冲线偏振光和回波信号的偏振态；反射镜6设于第一四分之一波片5之后，用于将脉冲线偏振光指向大气探测方向，以及，将回波信号指向第一四分之一波片5。

如图1所示，光开关组合包括基于KDP的晶体电光开关9和第三偏振分光棱镜10。基于KDP的晶体电光开关9用于利用电压调制控制回波信号输出方向和通光效率；第三偏振分光棱镜10用于根据晶体光电开关的调制作用，将回波信号反射至第一接收支路，或者，将回波信号透射至第二接收支路。

如图1所示，第一接收支路除了包括第一F-P标准具15、第一信号通道探测器17和第二信号通道探测器19，还包括第三四分之一波片11、第一干涉滤光片12和第二F-P标准具13构成的窄带滤波片、第四偏振分光棱镜14、第一聚焦透镜16和第二聚焦透镜18。第三四分之一波片11用于调节回波信号的偏振态；第一干涉滤光片12和第二F-P标准具13设于第三四分之一波片11之后，用于对回波信号进行窄带滤波，滤除回波信号中的背景光，获得预设波段的回波信号；第四偏振分光棱镜14设于第二F-P标准具13之后，用于将回波信号分束传输至第一F-P标准具15的第一信号通道和第二信号通道；第一聚焦透镜16和第二聚焦透镜18分别设于第一F-P标准具15的第一信号通道和第二信号通道之后，用于将第一信号通道和第二信号通道中的回波信号耦合到第一信号通道探测器17和第二信号通道探测器19。

如图1所示，发射光路和第一接收支路之间还包括第二四分之一波片8，设于第一偏振分光棱镜3的反射光路上，位于第一偏振分光棱镜3和第四偏振分光棱镜14之间，用于在校准阶段调整射向第一接收支路的脉冲线偏振光的偏振态。在本实施例中，第二四分之一波片8、第四偏振分光棱镜14、第一F-P标准具15、第一聚焦透镜16与第二聚焦透镜18、以及第一信号通道探测器17与第二信号通道探测器19构成了校准光路。在大动态探测范围多参数激光雷达正常实施探测前，需对该雷达进行校准。在校准阶段，从激光发射系统1产生激光，并依次经过扩束镜2、第一偏振分光棱镜3反射进入校准光路，第四偏振分光棱镜14在校准阶段将脉冲线偏振光分束传输至第一F-P标准具15的第一信号通道和第二信号通道，通过比较两个通道内信号进行零多普勒频率校准。

如图1所示，第二接收支路除了包括二向分色镜20、第三信号通道探测器23和第四信号通道探测器26，还包括第二干涉滤光片21、第三聚焦透镜22、第三干涉滤光片24和第四聚焦透镜25。第二干涉滤光片21设于瑞利弹性散射信号的入射路径上，用于滤除瑞利弹性散射信号中的背景光；第三聚焦透镜22设于第二干涉滤光片21和第三信号通道探测器23之间，用于将瑞利弹性散射信号耦合进第三信号通道探测器23；第三干涉滤光片24设于拉曼散射信号的入射路径上，用于滤除拉曼散射信号中的背景光；第四聚焦透镜25设于第三干涉滤光片24和第四信号通道探测器26之间，用于将拉曼散射信号耦合进第四信号通道探测器26。其中，瑞利弹性散射信号的波长为354.7nm，拉曼散射信号的波长为386.6nm。

在本实施例中，激光发射系统1可以采用可调谐种子注入式半导体泵浦的Nd：YAG激光器，基频输出波长1064nm，经过二倍频和三倍频转换后，输出波长354.7nm的脉冲线偏振光。该激光器效率高、功率稳定、寿命长脉宽小、环境适应性强、体积小，保证了测量精度，大大降低了整个系统所占空间，可应用在对体积要求较高的场合。

激光雷达系统发射激光与大气成分相互作用，产生后向散射信号。接收回波信号经过基于KDP的晶体电光开关9控制，由第三偏振分光棱镜10分别反射、透射后到达第一接收支路与第二接收支路。第一接收支路中信号光经过进入多普勒频率检测装置后，两个边缘通道的光强会随着多普勒频移量的大小发生变化，将信号频率变化转变成能量变化，由探测器和信号采集系统接收，反演得到风速。同样，在第二接收支路中，二向分色镜20将波长354.7nm、波长386.8nm处的信号光分别反射、透射到第三信号通道与第四信号通道，反射光经过第三干涉滤光片24的滤光将回波信号波长354.7nm的弹性散射光入射到第三信号通道探测器23，同时透射光将氮气拉曼散射波长386.8nm的散射光入射到第四信号通道探测器26。瑞利弹性散射和转动拉曼散射都可以用来测量大气密度，大气温度根据静力学方程由大气密度反演得出。但对于30km-40km的高空大气，瑞利散射密度探测精度较高，对于50m-30km的低层大气，转动拉曼散射密度探测精度较高，因此在数据处理时瑞利弹性散射和转动拉曼散射分别反演30km以上和以下高度的大气密度和温度分布。

通过基于KDP的晶体电光开关9控制通光效率，使得底层大气风场时测量第一信号通道探测器17与第二信号通道探测器19不至于饱和，保证底层测风精度更高。瑞利弹性散射和氮气分子转动拉曼散射都可以用来测量大气密度，对于30km-40km的高空大气，瑞利散射密度探测精度较高。由于大气气溶胶的影响，50m-30km的中低层大气瑞利散射信号将含有气溶胶散射信号部分，例如平流层火山灰或者对流层气溶胶等，以及底层大气信号强度影响导致瑞利散射密度探测精度较低。而该高度的大气转动拉曼散射密度探测精度较高，因此在数据处理时利用瑞利弹性散射和转动拉曼散射分别反演30km-40km和50m-30km的大动态范围大气参数测量。

在本实施例中，望远系统7采用收发同轴透射式结构。由于太阳天空背景的影响，激光雷达在白天工作的性能将会变差，而望远系统7采用收发同置直接探测的方法，使用同轴透射式结构，收发同轴因而无需调节同轴，具有结构简单，光路稳定性高等优点。同时该望远系统7结构设计决定了系统无探测盲区，接收视场角较小，以实现抑制强天空背景光，提高激光雷达信号的接收效率。

下面通过一具体实施例对本公开实施例提供的大动态探测范围多参数激光雷达的工作过程进行描述。

本公开实施例提供的大动态探测范围多参数激光雷达的工作过程分为以下5个阶段。

第一阶段，激光器输出354.7nm可调谐的线偏振激光脉冲。本系统激光器采用1064nm可调谐种子注入式半导体泵浦的Nd：YAG激光器，经过二倍频和三倍频转换后输出354.7nm的可调谐的线偏振激光脉冲，功率为10mW，光斑直径约9mm，谱线宽度为10kHz。激光器可根据工控机发送的指令调节发射激光的中心波长，用于按照周期性地向大气环境发射354.7nm波长的激光。激光发射系统1采用经过可调谐脉冲激光器，窄线宽、高度集成、体积小、全封闭光路的激光器运转更加可靠，环境适应性强，可在比较恶劣的环境下长时间稳定运转。激光发射系统1出射354.7nm的线偏振光，经过扩束镜2扩束且压缩发散角以及第一偏振分光棱镜3，然后通过第二偏振分光棱镜4和第一四分之一波片5组成的光学开关，由线偏振光变成圆偏振光，再由反射镜6反射进入望远系统7后被发射到大气中，和大气中的分子发生相互作用。

第二阶段，大气后向散射回波接收过程。出射激光的发射和后向散射激光的接收采用同一套装置，使得无探测盲区和接受视场角较小，回波信号被望远系统7接收，再经由反射镜6导入第一四分之一波片5，此时圆偏振光变成线偏振光且偏振方向和出射激光偏振方向成90°，在第二偏振分光棱镜4处发生反射，反射光进入接收光路。接收光路中的回波信号通过基于KDP的晶体电光开关9和第三偏振分光棱镜10的光开关组合将分成第一接收支路和第二接收支路。给基于KDP的晶体电光开关9提供低电压0V时，接收光路中线偏振光能够被第三偏振分光棱镜10反射进入第一接收支路，反射光经过第三四分之一波片11由线偏振光变成圆偏振光，然后经过第一干涉滤光片12和第二F-P标准具13组成的超窄带滤波器滤除背景光被导入第二偏振分光。第四偏振分光棱镜14将光束按50：50的比例分成两束，分别进入第一F-P标准具15的第一信号通道和第二信号通道，最终第一信号通道的出射光被第一聚焦透镜16耦合进第一信号通道探测器17进行探测，第二信号通道的出射光被第二聚焦透镜18耦合进第二信号通道探测器19进行探测。给基于KDP的晶体电光开关9提供高电压2.1kV@354.7nm时，将接收光路中线偏振光的偏振方向旋转90°，接收光路中线偏振光的透过率＞97％，使其能够透过第三偏振分光棱镜10进入第二接收支路，透射光经过二向分色镜20，二向分色镜20将接收回波信号按照不同波长分成两束，将波长354.7nm、波长386.8nm处的信号光分别反射、透射到第三信号通道与第四信号通道。反射光经过第三干涉滤光片24滤除背景光，最终第三信号通道的出射光被第三聚焦透镜22耦合进第三信号通道探测器23进行探测。透光经过第二干涉滤光片21滤除背景光，最终第四信号通道的出射光被第四聚焦透镜25耦合进第四信号通道探测器26进行探测。

第三阶段，出射激光频率监测过程。校准光路的输入由发射光路中激光发射系统1并依次经过扩束镜2、第一偏振分光棱镜3反射的出射激光信号；校准光路包括依次设置的第二四分之一波片8、第二偏振分光棱镜4、第一F-P标准具15、第一聚焦透镜16与第二聚焦透镜18、以及第一信号通道探测器17与第二信号通道探测器19，利用校准光路用于出射激光频率锁定和零多普勒频率校准。

第四阶段，风速采集处理过程。第一接收支路的后向散射光信号通过第一F-P标准具15的两个边缘通道进行频谱分析，第一F-P标准具15作为窄带鉴频器来检测多普勒频移，包括第一信号通道与第二信号通道，光信号采用高量子效率的探测组件探测，探测器的信号经过数据采集送入计算机进行处理。当没有多普勒频移时，两信号通道得到的透过率曲线相同，当回波信号相对出射激光产生频移时，两信号通道的透过率曲线不再相等，通过两通道的透过率之比从而计算出多普勒频移，即计算散射光和出射光的频率差值可得到实时风速。

第五阶段，大气密度和温度采集处理过程。当给基于KDP晶体的电光开关提供高电压信号时，后向散射光信号进入到第二接收支路，回波信号光到达二向分色镜20分为两个支路，二向分色镜20分别在波长386.8nm、354.7nm处高透过率透射和高反射率反射。二向分色镜20反射的回波信号光经第三干涉滤光片24和第三聚焦透镜22到达第三信号通道探测器23。经二向分色镜20透射的回波信号光经第二干涉滤光片21和第四聚焦透镜25到达第四信号通道探测器26。第三干涉滤光片24中心波长为354.7nm，谱宽为0.3nm，第二干涉滤光片21中心波长为386.8nm，谱宽为0.3nm。二向分色镜20将回波信号的弹性散射部分光入射到瑞利弹性散射检测通道(波长354.7nm探测)，将拉曼散射部分光入射到拉曼散射检测通道(波长386.8nm探测)，二者在数据处理时分别反演30km以上和以下高度的大气密度和温度分布。

相较于现有技术，本发明提供的本公开实施例提供的大动态探测范围多参数激光雷达主要优势在于：该大动态探测范围多参数激光雷达使用基于KDP的晶体电光开关9的光开光控制光束输出和通光效率。二向分色镜20将回波信号的弹性散射光反射到瑞利散射第三信号通道，将拉曼散射光透射到转动拉曼第四信号通道，第三信号通道与第四信号通道分别反演30km以上和以下高度的大气密度和温度分布。采用收发同置的望远系统7设计，且四个信号通道检测到大气后向散射信号光，通过对瑞利散射和转动拉曼散射谱线进行处理，即可实现对50m-40km无盲区大动态范围的大气风速、密度和温度的一体化测量。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，包括：

发射光路，用于输出脉冲线偏振光；

望远系统(7)，用于接收所述脉冲线偏振光探测目标之后的回波信号；

光开关组合，设于所述回波信号的光路上，用于调节所述回波信号的传输方向和通光效率；

第一接收支路，设于所述回波信号的其中一个传输方向上，包括第一F-P标准具(15)、第一信号通道探测器(17)和第二信号通道探测器(19)，所述第一信号通道探测器(17)和所述第二信号通道探测器(19)分别设于所述第一F-P标准具(15)的第一信号通道和第二信号通道之后，所述第一接收支路用于利用经过所述第一F-P标准具(15)的第一信号通道和第二信号通道之后的所述回波信号检测多普勒频移，基于所述多普勒频移计算风速；

第二接收支路，设于所述回波信号的另一个传输方向上，包括二向分色镜(20)、第三信号通道探测器(23)和第四信号通道探测器(26)，所述二向分色镜(20)将所述回波信号中瑞利弹性散射信号入射至第三信号通道探测器(23)，将所述回波信号中的拉曼散射信号入射至第四信号通道探测器(26)，所述第二接收支路用于利用所述瑞利弹性散射信号和所述拉曼散射信号计算大气密度，并基于所述大气密度反演得到温度分布。

2.根据权利要求1所述的大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，所述发射光路包括：

激光发射系统(1)，用于产生所述脉冲线偏振光；

扩束镜(2)，设于所述激光发射系统(1)之后，用于将所述脉冲线偏振光进行扩束且压缩发散角；

第一偏振分光棱镜(3)，设于所述扩束镜(2)之后，用于在校准阶段将所述脉冲线偏振光反射至所述第一接收支路中，辅助完成所述第一接收支路的零多普勒频率校准，以及，在探测阶段将所述脉冲线偏振光透射至第二偏振分光棱镜(4)；

第二偏振分光棱镜(4)，设于所述第一偏振分光棱镜(3)之后，用于将所述脉冲线偏振光透射至第一四分之一波片(5)，以及，将经过所述第一四分之一波片(5)返回的所述回波信号反射至所述光开关组合；

第一四分之一波片(5)，设于所述第二偏振分光棱镜(4)之后，用于调整所述脉冲线偏振光和所述回波信号的偏振态；

反射镜(6)，设于所述第一四分之一波片(5)之后，用于将所述脉冲线偏振光指向大气探测方向，以及，将所述回波信号指向所述第一四分之一波片(5)。

3.根据权利要求1所述的大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，所述光开关组合包括：

基于KDP的晶体电光开关(9)，用于利用电压调制控制所述回波信号输出方向和通光效率；

第三偏振分光棱镜(10)，用于根据所述晶体光电开关的调制作用，将所述回波信号反射至所述第一接收支路，或者，将所述回波信号透射至所述第二接收支路。

4.根据权利要求2所述的大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，所述第一接收支路还包括：

第三四分之一波片(11)，用于调节所述回波信号的偏振态；

第一干涉滤光片(12)和第二F-P标准具(13)，设于所述第三四分之一波片(11)之后，用于滤除所述回波信号中的背景光，获得预设波段的回波信号；

第四偏振分光棱镜(14)，设于所述第二F-P标准具(13)之后，用于将所述回波信号分束传输至所述第一F-P标准具(15)的第一信号通道和第二信号通道；

第一聚焦透镜(16)和第二聚焦透镜(18)，分别设于所述第一F-P标准具(15)的第一信号通道和第二信号通道之后，用于将所述第一信号通道和第二信号通道中的回波信号耦合到所述第一信号通道探测器(17)和第二信号通道探测器(19)。

5.根据权利要求4所述的大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，还包括：

第二四分之一波片(8)，设于所述第一偏振分光棱镜(3)的反射光路上，位于所述第一偏振分光棱镜(3)和所述第四偏振分光棱镜(14)之间，用于在校准阶段调整射向所述第一接收支路的脉冲线偏振光的偏振态；

所述第四偏振分光棱镜(14)还用于在校准阶段，将所述脉冲线偏振光分束传输至所述第一F-P标准具(15)的第一信号通道和第二信号通道。

6.根据权利要求1所述的大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，所述第二接收支路还包括：

第二干涉滤光片(21)，设于所述瑞利弹性散射信号的入射路径上，用于滤除所述瑞利弹性散射信号中的背景光；

第三聚焦透镜(22)，设于所述第二干涉滤光片(21)和所述第三信号通道探测器(23)之间，用于将所述瑞利弹性散射信号耦合进所述第三信号通道探测器(23)；

第三干涉滤光片(24)，设于所述拉曼散射信号的入射路径上，用于滤除所述拉曼散射信号中的背景光；

第四聚焦透镜(25)，设于所述第三干涉滤光片(24)和所述第四信号通道探测器之间，用于将所述拉曼散射信号耦合进所述第四信号通道探测器。

7.根据权利要求2所述的大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，所述激光发射系统(1)采用可调谐种子注入式半导体泵浦的Nd：YAG激光器，基频输出波长1064nm，经过二倍频和三倍频转换后，输出波长354.7nm的脉冲线偏振光。

8.根据权利要求2所述的大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，所述瑞利弹性散射信号的波长为354.7nm，所述拉曼散射信号的波长为386.6nm。

9.根据权利要求2所述的大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，所述望远系统(7)采用收发同轴透射式结构。

10.根据权利要求2所述的大动态探测范围多参数激光雷达，其特征在于，所述大动态探测范围多参数激光雷达的动态探测范围为50m-40km。

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