高光谱偏振大气探测激光雷达系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种高光谱偏振大气探测激光雷达系统及控制方法，系统包括激光发射系统、光电接收/探测系统和多通道数据采集系统；多通道数据采集系统分别与激光发射系统和光电接收/探测系统相连。本发明通过使用高光谱分辨率光栅和法布里?珀罗干涉仪实现高光谱高分辨率探测功能，通过法布里?珀罗干涉仪将大气回波信号中的分子散射成分和气溶胶散射成分分离，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。本发明可以实现对多种大气参数的探测，自动化程度高、设计结构简单、可扩展性强，可为大气研究和气象环保提供应用服务。

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，特别涉及一种可以对大气各种重要参数进行高分辨率高精度探测的多功能型大气探测激光雷达系统及控制方法。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮在大气中的固体微粒和液态颗粒物的总称，粒子的空气动力学直径多在0.001～100μm之间，它通过吸收和散射的直接或间接作用影响地球的辐射收支平衡，改变大气系统的行星反照率，并且气溶胶作为云凝结核影响云滴的数密度，从而影响降水量。气溶胶的光学特性对大气研究、通量传输研究也具有非常重要的作用。此外，最近几年国内北方经常出现的雾霾、沙尘暴等污染天气现象，对人们的生产生活造成了非常严重的影响，这些污染很多都是来源于各种气溶胶，其中包含沙尘气溶胶、雾霾气溶胶等，这些气溶胶往往含有很多有害物质甚至是致癌物质，随着人的呼吸，这些在空气中漂浮的气溶胶粒子被人吸入到支气管和肺部，越小的粒子越容易进入肺部，粒径小于1微米的粒子甚至能直接进入肺泡内，对人体造成的危害非常大。因此，气溶胶的物理和化学特性对大气环境质量和人体健康具有非常重要的影响，对气溶胶的深入研究有着十分重要的意义。

大气温度是大气状态的一个重要参数。大气温度廓线是许多遥感技术包括激光雷达测量其他参量的必要输入参数，例如拉曼激光雷达测量粒子的后向散射系数和消光系数、水汽混合比，粒子的偏振等。因此，大气温度及其分布的数据在大气动力学、气候学、气象学以及大气化学过程等领域起到了重要的作用。

大气探测激光雷达是一种大范围、高分辨率、快速监测和探测大气环境信息的高技术主动遥感工具，通过激光与大气中各种成分发生的散射、吸收、消光等的反应，利用探测设备接收到大气与激光产生的后向散射信号来分析各种大气参数。目前国内的激光雷达系统是以探测单一大气参数为主，即一套系统只能探测一种大气成分或参数，缺点是功能较单一，结构复杂、成本较高。而多功能型大气探测激光雷达系统利用一套激光雷达系统就可实现同时探测多种大气参数，多个探测通道共用系统中激光器、发射和接收光学模块，并且信号采集和处理控制模块可增加相应的处理和控制功能。多功能型大气探测激光雷达系统的优点是：在不显著增加系统复杂度和成本的情况下实现探测多种大气参数，模块化设计，根据探测要求方便增减系统中元器件，资源利用率较高，同时对于探测到的同一目标区域多个大气参数可以相互利用，有利于开发出新的数据处理算法提高反演精度。

在大气探测中，激光雷达接收到的大气后向散射光通常包含大气分子的振动拉曼散射信号、瑞利散射信号和气溶胶粒子的米散射信号，其中夹杂着一些太阳背景光和其它杂散光的噪声。由于瑞利散射和米散射都是弹性散射，因此它们的中心光谱与激光雷达的发射光谱重叠在一起，比较难以分离，造成了反演精度不高。而高光谱分辨率激光雷达利用气溶胶的米散射谱宽不同于其他散射谱的特性，利用高光谱分辨率滤光器，从大气散射中分离米散射和瑞利散射光谱，进而提高反演大气参数的精度。而目前的激光雷达大多采用干涉滤光片去除杂散光噪声，后期利用软件算法去除干扰的散射信号，从而得到需要探测的散射光信号，这种方法受外界环境影响较大，反演参数精度较低。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种多功能型高光谱偏振激光雷达系统及控制方法，通过对大气中气溶胶、水蒸汽（湿度）、云层、沙尘、大气温度等参数的空间分布和随时间变化特性进行探测，模块化设计系统，扩展性强，可更加全面地对多种大气参数进行精确探测。

本发明采用以下技术方案实现上述目的。一种多功能型高光谱偏振激光雷达系统，该系统包括激光发射系统、光电接收/探测系统和多通道数据采集系统，激光发射系统由脉冲激光器、扩束器、三维调整反射棱镜和卡塞格林望远镜组成，脉冲激光器与三维调整反射棱镜之间设置有扩束器，三维调整反射棱镜的下方安装有卡塞格林望远镜；

光电接收/探测系统包括高光谱分辨率光栅和偏振分光棱镜，其高光谱分辨率光栅的侧面分别设置有第二准直聚焦透镜、小孔光阑、偏振分光棱镜和第二平面反射镜，第二准直聚焦透镜通过光纤连接第一准直聚焦透镜，第一准直聚焦透镜位于卡塞格林望远镜的出光孔下端；小孔光阑与第一平面反射镜之间依次设置有第三准直聚焦透镜和偏振分光棱镜；第二平面反射镜的一侧依次设置有第一干涉滤光片、第四准直聚焦透镜和第一光电倍增管；偏振分光棱镜的一侧依次设置有第二干涉滤光片和第二光电倍增管；第一平面反射镜的一侧依次设置有法布里-珀罗干涉仪第五准直聚焦透镜和第三光电倍增管；

所述多通道数据采集系统由多通道数据采集卡、脉冲信号延迟发生器和计算机组成；多通道数据采集卡插装于计算机中，激光器和第一、第二、第三光电倍增管的信号由脉冲信号延迟发生器控制，脉冲信号延迟发生器连接多通道数据采集卡，并通过计算机中实现控制。

一种高光谱偏振大气探测激光雷达系统的控制方法，其工作过程如下：

脉冲激光器发射激光束经扩束器扩束后射向三维调整反射棱镜，通过调节三维调整反射棱镜的三维调整架改变射向大气的激光束角度，并发生反应产生的散射光信号，由光电接收/探测系统中的卡塞格林望远镜接收，大气回波信号经第一准直聚焦透镜准直聚焦，耦合进入多模光纤中，然后经第二准直聚焦透镜聚焦后射向高光谱分辨率光栅，被分为拉曼散射信号、米散射信号和瑞利散射信号：其中拉曼散射信号射向第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射后的拉曼散射信号射向第一干涉滤光片，再经第一干涉滤光片滤除的光射向第四准直聚焦透镜，第四准直聚焦透镜连接第一光电倍增管，拉曼散射信号由第一光电倍增管进行接收；米散射信号和瑞利散射信号经小孔光阑滤除杂散光经第三准直聚焦透镜透射到偏振分光棱镜后，再分离为两束透射光偏振信号和瑞利散射信号,透射光偏振信号即：米散射大气水平偏振信号和米散射大气垂直偏振信号；其中一束米散射大气水平偏振信号被反射，经第二干涉滤光片滤光后由第二光电倍增管接收；经偏振分光棱镜分离的另一束米散射大气垂直偏振信号和瑞利散射信号射向第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射射向法布里-珀罗干涉仪,经过法布里-珀罗干涉仪滤光后的信号再经第五准直聚焦透镜准直聚焦后，由第三光电倍增管进行接收；最后，光电接收/探测系统中第一光电倍增管接收到的拉曼散射信号，第二光电倍增管接收到的米散射大气水平偏振信号，第三光电倍增管接收到的米散射大气垂直偏振信号和瑞利散射信号进行光电转换后，形成电信号，并传输到多通道数据采集系统中进行数字化处理，利用计算机对数字化处理后的信号进行分析反演，从而可以得到被探测大气的各项参数。

本发明通过激光器向大气中垂直发射355nm的脉冲激光束，当激光束遇到大气中的不同物质时，根据瑞利-米散射原理和拉曼散射原理会产生不同波长的回波散射光，由于系统是模块化设计，可以根据探测不同大气参数的需要设置不同的光电接收和探测系统。系统采用的高光谱分辨率光栅不仅可以实现米-瑞利散射光谱与太阳背景光光谱从空间上被分离开来，还可以分离出不同波长的振动拉曼散射信号，实现水蒸汽、大气湿度、臭氧等的探测；偏振棱镜通过把大气后向散射光分成平行分量和垂直分量两束光实现偏振探测功能，可得到沙尘和气溶胶的退偏振比垂直廓线；高光谱分辨率光栅和F_P标准具的组合应用不仅可以实现白天探测的需要，避免长波长荧光信号的干扰，通过对瑞利散射信号和米散射信号进行分离，使探测不受气溶胶浓度的影响，可实现大气温度和气溶胶的精确探测。

本发明采用的多功能、高光谱高分辨率探测设计思路，利用高光谱分辨率光栅分别分离出米散射信号、瑞利散射信号和振动拉曼散射信号，其中光栅衍射信号可根据探测要求分离出氮气拉曼散射信号可反演大气密度信息，氧气拉曼散射和氮气拉曼散射信号组合可反演臭氧分布，水蒸汽拉曼散射和氮气拉曼散射信号组合可反演大气湿度信息；另外分离出的米-瑞利散射信用于反演卷云、沙尘退偏振比垂直廓线、大气气溶胶光学特性和大气温度。与传统单一功能激光雷达系统相比，相对体积更小，成本更低，可靠性更高，计算出的大气参数精确度更高。可以实现对多种大气参数的探测，自动化程度高、设计结构简单、可扩展性强，可为大气研究和气象环保提供应用服务。

附图说明

图1为大气分子的瑞利散射光谱和气溶胶的米散射光谱；

图2为本发明多功能型高光谱偏振大气探测激光雷达系统结构原理图。

图中：100.激光发射系统,200.光电接收/探测系统,300.多通道数据采集系统；

1.脉冲激光器，2.扩束器，3.三维调整反射棱镜，4.卡塞格林望远镜，5.第一准直聚焦透镜，6.第二准直聚焦透镜，7.第三准直聚焦透镜，8.第四准直聚焦透镜，9.第五准直聚焦透镜，10.多模光纤，11.高光谱分辨率光栅，12.小孔光阑，13.第一平面反射镜，14.第二平面反射镜，15.偏振分光棱镜，16.第一干涉滤光片，17.第二干涉滤光片，18.第一光电倍增管，19.第二光电倍增管，20.第三光电倍增管，21.法布里-珀罗干涉仪，22.脉冲信号延迟发生器，23.计算机。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图2，一种多功能型高光谱偏振激光雷达系统，该系统包括激光发射系统100、光电接收/探测系统200和多通道数据采集系统300，激光发射系统100由脉冲激光器（YAG）1、扩束器2、三维调整反射棱镜3和卡塞格林望远镜4组成，脉冲激光器1与三维调整反射棱镜3之间设置有扩束器2，三维调整反射棱镜3的下方安装有卡塞格林望远镜4；

光电接收/探测系统200包括高光谱分辨率光栅11和偏振分光棱镜15，其高光谱分辨率光栅11的侧面分别设置有第二准直聚焦透镜6、小孔光阑12、偏振分光棱镜15和第二平面反射镜14，第二准直聚焦透镜6通过光纤10连接第一准直聚焦透镜5，第一准直聚焦透镜5位于卡塞格林望远镜4的出光孔下端；小孔光阑12与第一平面反射镜13之间依次设置有第三准直聚焦透镜7和偏振分光棱镜15；第二平面反射镜14的一侧依次设置有第一干涉滤光片16、第四准直聚焦透镜8和第一光电倍增管18；偏振分光棱镜15的一侧依次设置有第二干涉滤光片17和第二光电倍增管19；第一平面反射镜13的一侧依次设置有法布里-珀罗干涉仪21第五准直聚焦透镜9和第三光电倍增管20；

所述多通道数据采集系统300由多通道数据采集卡、脉冲信号延迟发生器22和计算机23组成；多通道数据采集卡插装于计算机23中，激光器1和第一、第二、第三光电倍增管18、19、20的信号由脉冲信号延迟发生器22控制，脉冲信号延迟发生器22连接多通道数据采集卡，并通过计算机23中实现控制。

一种高光谱偏振大气探测激光雷达系统的控制方法，其工作过程如下：

脉冲激光器1发射激光束经扩束器2扩束后射向三维调整反射棱镜3，通过调节三维调整反射棱镜3的三维调整架改变射向大气的激光束角度，并发生反应产生的散射光信号，由光电接收/探测系统200中的卡塞格林望远镜4接收，大气回波信号经第一准直聚焦透镜5准直聚焦，耦合进入多模光纤10中，然后经第二准直聚焦透镜6聚焦后射向高光谱分辨率光栅11，被分为拉曼散射信号、米散射信号和瑞利散射信号：其中拉曼散射信号射向第二平面反射镜14，经第二平面反射镜14反射后的拉曼散射信号射向第一干涉滤光片16，再经第一干涉滤光片16滤除的光射向第四准直聚焦透镜8，第四准直聚焦透镜8连接第一光电倍增管18，拉曼散射信号由第一光电倍增管18进行接收；米散射信号和瑞利散射信号经小孔光阑12滤除杂散光经第三准直聚焦透镜7透射到偏振分光棱镜15后，再分离为两束透射光偏振信号和瑞利散射信号,透射光偏振信号即：米散射大气水平偏振信号和米散射大气垂直偏振信号；其中一束米散射大气水平偏振信号被反射，经第二干涉滤光片17滤光后由第二光电倍增管19接收；经偏振分光棱镜15分离的另一束米散射大气垂直偏振信号和瑞利散射信号射向第一平面反射镜13，经第一平面反射镜13反射射向法布里-珀罗干涉仪21,经过法布里-珀罗干涉仪21滤光后的信号再经第五准直聚焦透镜9准直聚焦后，由第三光电倍增管20进行接收；最后，光电接收/探测系统200中第一光电倍增管18接收到的拉曼散射信号，第二光电倍增管19接收到的米散射大气水平偏振信号，第三光电倍增管20接收到的米散射大气垂直偏振信号和瑞利散射信号进行光电转换后，形成电信号，并传输到多通道数据采集系统300中进行数字化处理，利用计算机23对数字化处理后的信号进行分析反演，从而可以得到被探测大气的各项参数。

参见图1和图2，卡塞格林望远镜4接收到总散射信号经高光谱分辨率光栅11分离出其中一路信号包括瑞利散射信号和米散射信号，瑞利散射信号和米散射信号谱来源于大气分子散射产生的瑞利散射信号和气溶胶粒子产生的米散射信号，这两种信号谱符合中心处于发射激光中心频率，而宽度不同的高斯线性分布。由于空气分子热运动速度较快，对激光的多普勒展宽比较明显，所以分子散射谱较宽，通常在GHz量级。而气溶胶粒子对激光光谱的展宽主要是由布朗运动引起的，运动速度较慢，所以展宽不明显，与发射激光谱宽相当，在100MHz级别。因此，利用系统中的法布里-珀罗干涉仪（F_P标准具）21滤光器，即调节法布里-珀罗干涉仪21透射谱线峰值的中心位置，可以将大气分子的瑞利散射信号和气溶胶粒子的米散射信号分离，系统模块化设计的优点就是可以通过替换设置一个三通道F_P标准具，其中两个通道用于探测瑞利散射信号,第三个通道用于探测米散射信号，在瑞利散射谱线的同侧频率段设置两个瑞利滤光器，将一个滤光器的中心频率选在瑞利谱线强度的负温度系数处，另一个的中心频率选在正温度系数处，通过计算这两个滤光器所探测到的瑞利散射信号的相对强度变化,即可反演出大气温度，第三个通道可反演出气溶胶分布廓线。

本发明的工作方式可以简述为：脉冲激光器1采用波长为355nm的Nd:YAG型脉冲激光器发射激光束经扩束器2扩束8倍后射向三维调整反射棱镜3，通过调节三维调整反射棱镜3可改变射向大气的激光束角度，使之垂直射向大气，激光与大气中的固体、液体和气体物质等发生反应产生的散射光信号由光电接收/探测系统200中的卡塞格林望远镜4接收，大气回波信号经第一准直聚焦透镜5聚焦，耦合进入多模光纤10中，然后经第二准直聚焦透镜6聚焦后射向高光谱分辨率光栅11，被分二路，由高光谱分辨率光栅11分离出一个波长为407.5nm的水蒸汽振动拉曼散射信号用于反演水蒸汽密度，经过第二平面反射镜14反射射向中心波长为407.5nm的第一干涉滤光片16，并经第四准直聚焦透镜8聚焦，由第一光电倍增管18接收。在探测氮气拉曼散射和氧气拉曼散射信号时，可调节高光谱分辨率光栅11分离出波长为353.9nm氮气拉曼散射信号或352.5nm的氧气拉曼散射信号。此时的第一干涉滤光片16可分别更换为中心波长为353.9nm和352.5nm的干涉滤光片，接收到的光信号经第一光电倍增管18进行光电转换后，再通过多通道数据采集系统300进行光子计数后，由计算机23采集后进行保存和反演；

经高光谱分辨率光栅11分离出的另一路米散射信号和瑞利散射信号经小孔光阑12滤除杂散光经过聚焦透镜7后，透射到偏振分光棱镜15后分为两路，一路米散射大气水平偏振信号经带宽为0.5nm的第二干涉滤光片17进入第二光电倍增管19，另一路米散射大气垂直偏振信号和瑞利散射信号经第一平面反射镜13反射后进入法布里-珀罗干涉仪21滤光后经过第五准直聚焦透镜9后被第三光电倍增管20接收；

其中，多通道数据采集系统300中的脉冲信号延迟发生器22与第一、第二、第三光电倍增管18、19、20相连，通过设置第一、第二、第三光电倍增管18、19、20的接收信号延迟时间，可以控制接收不同高度大气（例如中高低层）的回波信号。最后脉冲信号延迟发生器22与计算机23相连，对三个通道即：第一、第二、第三光电倍增管18、19、20信号进行光电转换后，将电信号传输到计算机23中进行数字化处理，利用计算机23对数字化处理后的信号进行实时分析反演，从而可以得到被探测大气的各项参数。

上述高光谱分辨率光栅11可实现米散射信号和瑞利散射信号光谱与太阳背景光光谱从空间上被分离开来，实现白天探测的需要；大气后向散射光被偏振分光棱镜15分成两束，其中一路信号经过带宽为0.5nm的窄带第二干涉滤光片17后直接由第二光电倍增管19接收；另一束信号射向第一平面反射镜13，反射光透过法布里-珀罗干涉仪21后，经第五准直聚焦透镜9后再由第三光电倍增管20接收。这样被偏振分光棱镜15分光的大气后，向散射光的平行分量和垂直分量可以同时分别被第二光电倍增管19和第三光电倍增管20接收，从而得到退偏振比的垂直廓线，其中的法布里-珀罗干涉仪（F_P标准具）21可调节成分别作为瑞利散射信号或米散射信号的滤光器，分别实现大气气溶胶和大气温度的探测。

本发明通过脉冲激光器1向大气中垂直发射355nm的脉冲激光束，当激光束遇到大气中的不同物质时，根据瑞利散射和米散射原理，拉曼散射原理会产生不同波长的回波散射光，由于系统是模块化设计，可以根据探测不同大气参数的需要设置不同的光电接收和探测系统。系统采用的高光谱分辨率光栅11不仅可以实现米-瑞利散射光谱与太阳背景光光谱从空间上被分离开来，还可以分离出不同波长的振动拉曼散射信号，实现水蒸汽、大气湿度、臭氧等的探测；偏振分光棱镜15通过把大气后向散射光分成平行分量和垂直分量两束光实现偏振探测功能，可得到沙尘和气溶胶的退偏振比垂直廓线；高光谱分辨率光栅11和法布里-珀罗干涉仪（F_P标准具）21的组合应用不仅可以实现白天探测的需要，避免长波长荧光信号的干扰，通过对瑞利散射信号和米散射信号进行分离，使探测不受气溶胶浓度的影响，可实现大气温度和气溶胶的精确探测。因此，此发明可以实现对多种大气参数的探测，并且探测精度高、自动化程度高、设计结构简单、可扩展性强，可为大气研究和气象环保提供应用服务。