CN204631247U - 一种高光谱分辨率激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高光谱分辨率激光雷达系统。该雷达系统包括激光发射系统、激光接收系统、光电探测系统、数据采集分析系统；激光发射系统通过激光接收系统与光电探测系统相连；数据采集分析系统分别与光电探测系统和激光发射系统相连。本实用新型通过锁定激光发射频率，实现高光谱分辨率激光雷达系统功能；通过法布里-珀罗干涉窄带光谱滤波器将气溶胶散射成分和分子散射成分分开，恰好解决了传统后向散射激光雷达所遇到的使用一个雷达方程反演气溶胶散射系数和消光系数两个未知量的困难，且它不受发射激光波长的限制，测量的大气后向散射比精度高，相对误差小。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高光谱分辨率激光雷达系统，具体涉及一种通过锁定激光频率，保证干涉仪光谱与激光光谱重合的基于法布里-珀罗干涉仪的高光谱分辨率激光雷达系统。
背景技术
大气气溶胶是指悬浮在大气中直径在0.001-100μm之间的固体和液体微粒，它通过吸收和散射直接影响地球的辐射平衡，同时会改变云的形成和特性，从而间接影响辐射传输。气溶胶光学性质的测量对于大气研究、通量传输研究具有相当的重要性。此外，大气污染形成的气溶胶，往往含有许多有害物质甚至致癌物质，是一种对人体危害较大的微粒状大气污染物，因此大气气溶胶又是大气污染监测的主要内容之一。可见，气溶胶物理和光学特性将会直接或间接作用于气候的辐射平衡，并对大气环境质量和人体健康有非常重要的影响。因此对气溶胶的深入研究有着十分重要的意义。
一般激光雷达的大气后向散射信号既包括分子散射，也包括气溶胶的后向散射信号，根据激光雷达方程反演气溶胶的光学特性，必须要做假设，如需要假设水平均匀性或气溶胶消光系数对后向散射之比随着距离为常数这一条件，导致反演结果的不确定性。激光雷达方程为：
其中， 为r 范围内的接收信号， 为激光脉冲发射信号，η为探测器量子效率，A为接收望远镜系统的面积， r为垂直高度， 是激光束接收视场角的几何重叠因子，c 是光速，t 是激光脉冲周期，β分别是大气总的后向散射系数和总的消光系数，且
其中，S1是气溶胶消光散射比，对于一个激光雷达方程有两个未知数（ 和 ），故要做出气溶胶消光系数对后向散射系数之比的假设。可见，目前的利用激光雷达方程反演气溶胶的光学特性的方法，存在不确定性。
现有的米散射激光雷达大气气溶胶参数提取方法如Klett方法，需要作出激光雷达比的假设，影响了气溶胶消光系数的探测精度。基于碘分子滤波器的HSRL（高光谱分辨率激光雷达），利用碘分子滤波器对气溶胶后向散射的高抑制比特性，分离气溶胶和分子散射，从而获得了高精度的大气气溶胶和分子光学参数剖面，但碘分子吸收滤波器的吸收峰值在很多常用的激光频率处不存在，以致限制了它的使用；基于Fizeau干涉滤波器的HSRL，分离了气溶胶散射和大气分子散射，解决了激光雷达测量气溶胶光学性质的一个病态数学问题，也无需假设激光雷达比，但其光能收集效率低。
发明内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种大气气溶胶光学特性测定相对误差小的激光雷达系统，解决了传统后向散射激光雷达所遇到的使用一个雷达方程反演气溶胶散射系数和消光系数两个未知量的困难。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种高光谱分辨率激光雷达系统，该雷达系统包括激光发射系统、激光接收系统、光电探测系统、数据采集分析系统；所述激光发射系统通过激光接收系统与光电探测系统相连；所述数据采集分析系统分别与所述光电探测系统和激光发射系统相连。
其中，激光接收系统包括接收后向散射信号的望远镜、透镜、滤光片、分光镜和法布里-珀罗干涉滤波器；所述激光发射系统出射的激光分成两路，一路激光依次通过大气、望远镜后与另一路激光合并后，共同作为接收到的散射信号，依次经过透镜、滤光片、分光镜后分成两路，一路直接进入对应的光电探测系统，另一路通过所述法布里-珀罗干涉滤波器进入对应的光电探测系统。
上述光电探测系统包括光电探测器、AD采集卡、光子计数卡；所述光电探测器分别于所述AD采集卡和光子计数卡相连。光电探测器分别接收对应的信号，将其转化成电信号后，分别通过AD采集卡和光子计数卡采集AD探测信号和大气散射信号
激光发射系统包括种子激光器、振荡器和扩束镜；所述种子激光器将激光注入所述振荡器中，再经扩束镜扩束后输出。
数据采集分析系统包括控制系统和计算机；所述计算机分别与所述光电探测系统、控制系统相连；所述控制系统与所述激光发射系统相连。
本实用新型相比现有技术具有以下优点：1、实现了对大气后向散射信号有效的分离；2、锁定激光频率，保证干涉仪光谱与激光光谱重合；3、对气溶胶的后向散射系数的反演带来改进和方便；4、解决传统后向散射激光雷达所遇到的使用一个雷达方程反演气溶胶散射系数和消光系数两个未知量的困难；5、测量的大气后向散射比精度高，相对误差小。
附图说明
图1为大气分子和气溶胶后向散射的总散射谱；
图2为本实用新型高光谱分辨率激光雷达系统的结构示意图。
图中，1-种子激光器，2-振荡器，3-扩束镜，4-望远镜，5-参考光纤，6-光耦合器，7-信号接收光纤，8-透镜，9-滤光片，10-分光镜，11-光电探测器，12-法布里-珀罗干涉滤波器，13-AD采集卡，14-光子计数卡，15-计算机，16-控制系统，17-大气。
具体实施方式
我们知道，望远镜接收到的总散射信号谱包括大气分子散射产生的瑞利散射信号和由气溶胶粒子散射产生的米氏散射信号，这两种信号谱均可以看作中心在发射激光中心频率而宽度不同的高斯线性分布。其中，由于大气分子热运动速度较快，对激光的多普勒展宽比较明显，故分子散射谱宽也较宽，一般在GHz量级；气溶胶粒子对激光光谱的展宽主要是由其布朗运动引起，由于运动速度较慢，展宽并不明显，通常认为气溶胶散射谱具有和所发射激光相当的谱宽度（约100MHz）。故气溶胶信号以一个很窄的尖峰出现在总散射光谱的中心。如图1所示。
本实用新型HSRL则主要利用了总散射谱这一特点，在激光频率调谐、扫描透射谱线时将激光频率扫描至适当位置而停止扫描，根据透射率的比值变化来锁定激光发射频率，实现高光谱分辨率激光雷达系统功能；通过法布里-珀罗干涉窄带光谱滤波器将气溶胶散射成分和分子散射成分分开，恰好解决了传统后向散射激光雷达所遇到的使用一个雷达方程反演气溶胶散射系数和消光系数两个未知量的困难，且它不受发射激光波长的限制，测量的大气后向散射比精度高，相对误差小。
如图2所示，本实用新型高光谱分辨率激光雷达系统以种子激光注入的窄带Nd：YAG激光器作为发射光源，将激光发射进入大气的同时，利用光纤将一部分光引入光电探测系统，光电探测系统一方面完成不同高度处大气散射信号的探测，另一方面将激光发射频率锁定在法布里-珀罗干涉滤波器透射谱线峰值的中心位置。利用法布里-珀罗干涉滤波器作为高光谱分辨率滤光器件，气溶胶信号透过法布里-珀罗干涉滤波器，而分子信号全部被反射，实现对大气分子后向散射信号和气溶胶后向散射信号的分离，用得到的信号强度反演出气溶胶后向散射系数。本实用新型高光谱分辨率激光雷达系统具体由激光发射系统、激光接收系统、光电探测系统、数据采集分析系统组成。其中激光发射系统包括种子激光器1、振荡器2和扩束镜3；激光接收系统包括望远镜4、光耦合器6、透镜8、滤光片9、分光镜10和法布里-珀罗干涉滤波器12；光学探测系统包括光学探测器11、AD采集卡13和光子计数卡14；数据采集分析系统包括计算机15和控制系统16。种子激光器1输出激光，依次通过振荡器2、扩束镜3后，通过分光镜分成两部分，一部分通过参考光纤5直接引入激光接收系统，另一部分进入大气；进入大气的激光后向散射信号被望远镜4接收，通过光耦合器6后，通过信号接收光纤7与通过参考光纤5直接引入的激光能量合并，共同作为接收到的散射信号。接收到的散射信号依次经过透镜8、滤光片9准直、滤波后，经过分光镜10，一部分能量作为参考能量进入参考通道，另一部分能量进入法布里-珀罗干涉滤波器12。进入参考通道的能量通过光电倍增管（光电探测器11），将光信号转化为电信号，然后利用AD采集卡13和光子计数卡14采集光电倍增信号。计算机15接收采集到的信号，利用控制系统16锁定两路AD探测信号的比值（该控制系统使用NI公司的16位PXI6259数据采集系统的16位D/A信号进行扫描，激光频率可以在某一纵模达到30GHz的连续调谐范围，其温度调谐速率为-3.1GHz/℃，通过外加电压实现激光晶体的温度调节，温度与电压对应关系为1℃/V，通过16位的数据采集卡对种子激光加电压，则可以达到很高的调谐精度），使发射激光频率跟随法布里-珀罗干涉滤波器透射谱线峰值的中心频率慢漂移，从而锁定激光发射频率。同时计算机15根据采集的数据进行实时分析，并根据所测数据反演出大气后向散射比和气溶胶后向散射系数。
使用本实用新型高光谱分辨率激光雷达系统进行大气气溶胶光学特性测定的具体步骤如下：
1）系统利用一半导体泵浦的、窄线宽、连续的Nd:YAG激光器作为种子激光注入到高能脉冲激光振荡器2中获得高功率、窄线宽、355nm输出的激光，脉冲能量为20mJ，重复频率为100Hz。
2）355nm的激光经扩束镜3扩束后，出射的激光能量绝大部分进入大气17，一小部分激光由参考光纤5直接引入光学接收系统。
3）激光能量遇到目标物（大气），与目标物相互作用而产生不同方向的散射，其中后向散射信号被望远镜4接收。
4）望远镜4接收的散射信号通过光耦合器6光耦合进信号接收光纤7，再与参考光纤5直接引入的激光能量合并，共同作为接收到的散射信号。
5）接收到的散射信号光经过透镜8准直为平行光，利用中心波长为355nm、带宽0.35nm的窄带滤光片9压缩背景光。
6）经过滤波、准直后的信号经过分光镜10，一部分能量作为参考能量进入参考通道，大部分能量进入法布里-珀罗系统（法布里-珀罗干涉滤波器12）。
7）进入参考通道的能量，通过光电探测系统中的光电倍增管（光电探测器11），将光信号转化为电信号；电信号分为两路，一路进入峰值保持电路，用于透射率探测锁定频率；另一部经快速放大后进入光子计数卡14，用于得到气溶胶和分子散射信号。
8）通过法布里-珀罗干涉滤波器12后回波信号通过光电探测系统中的光电倍增管，将光信号转化为电信号；然后分为两路，一路进入峰值保持电路，用于透射率探测锁定频率；另一路经快速放大后进入光子计数卡14，用于得到气溶胶散射信号。
9）由参考通道的AD探测信号和经过法布里-珀罗干涉滤波器12后的AD探测信号的比值变化，即通过监测透射率的变化来反馈控制出射激光频率，锁定AD探测信号的比值，利用控制系统16（扫描及温度控制）使发射激光频率跟随法布里-珀罗干涉滤波器透射谱线峰值的中心频率的慢漂移从而锁定激光发射频率。
10）激光发射频率锁定后，通过计算机15将采集的数据进行实时分析，并根据所测数据反演出大气后向散射比和气溶胶后向散射系数。
Claims (5)
1.一种高光谱分辨率激光雷达系统，其特征在于，所述雷达系统包括激光发射系统、激光接收系统、光电探测系统、数据采集分析系统；所述激光发射系统通过激光接收系统与光电探测系统相连；所述数据采集分析系统分别与所述光电探测系统和激光发射系统相连。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光接收系统包括接收后向散射信号的望远镜、透镜、滤光片、分光镜和法布里-珀罗干涉滤波器；所述激光发射系统出射的激光分成两路，一路激光依次通过大气、望远镜后与另一路激光合并共同作为接收到的散射信号，依次经过透镜、滤光片、分光镜后分成两路，一路直接进入对应的光电探测系统，另一路通过所述法布里-珀罗干涉滤波器进入对应的光电探测系统。
3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光电探测系统包括光电探测器、AD采集卡、光子计数卡；所述光电探测器分别于所述AD采集卡和光子计数卡相连。
4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射系统包括种子激光器、振荡器和扩束镜；所述种子激光器通过所述振荡器与扩束镜相连。
5.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述数据采集分析系统包括控制系统和计算机；所述计算机分别与所述光电探测系统、控制系统相连；所述控制系统与所述激光发射系统相连。
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