一种基于虚像相位阵列的水体布里渊散射和弹性散射激光雷达

摘要

基于虚像相位阵列的水体布里渊散射和弹性散射激光雷达,由窄线宽激光器、激光稳频系统、光学发射系统、光学接收系统、基于虚像相位阵列窄带光学滤波器、多通道光电探测系统、数据采集和处理系统构成。基于虚像相位阵列窄带光学滤波器由虚像相位阵列和衍射光栅构成，其输出为二维空间排列的光谱干涉条纹，可以直接分离水中米（Mie）散射、水体分子瑞利散射（Rayleigh）和水体的水体布里渊（Brillouin）散射。基于虚像相位阵列的水体布里渊散射和弹性散射激光雷达可以直接测量水体的弹性散射散射和布里渊散射，并获得相应的高精度参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于虚像相位阵列的水体布里渊（Brillouin）散射和弹性散射激 光雷达，更具体地说属于一种以虚像相位阵列为窄带光学滤波器的测量水体布里渊散射和 弹性散射的激光雷达。

背景技术

当激光入射到水体后，在引起弹性散射的同时，会引起水体的布里渊散射。水体的 弹性散射主要包括水体的瑞利（Rayleigh）散射、水中悬浮颗粒的米（Mie）散射等。弹性散射 的波长与入射光激光波长相同。水体的瑞利散射线宽约1GHz，水中颗粒的米散射线宽基本 与激光线宽相同。水体的布里渊散射是入射光与水中声子相互作用产生的。在温度0~40℃、 盐度35‰（海水盐度）范围内，水体的布里渊散射约在±6.5GHz~±8.5GHz范围内，谱宽约 在0.4GHz~2GHz范围内。

在测量水体布里渊散射和弹性散射的激光雷达中，需要分离出水体的弹性散射和 布里渊散射，目前通常有以下几种方式：

1.采用Fabry-Pérot干涉仪，如采用扫描方式、并使用单光电倍增管作为光电探测器。 这种方式可以测量得到很精细的弹性散射和布里渊散射，但是测量时间长，不适合激光雷 达。

2.采用边缘滤波器，如Fabry-Pérot标准具、原子或分子滤波器等。这种方式适合 激光雷达，但是不能同时测量弹性散射和布里渊散射，并且要求激光的波长同滤波器的特 性严格匹配。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚像相位阵列的测量水体布里渊散射和弹性散射激光 雷达，其中虚像相位阵列配合衍射光栅作为窄带光学滤波器。

虚像相位阵列是光学色散器件，可以将输入的线光源色散为空间排列的光谱干涉 条纹。将虚像相位阵列输出的光谱耦合到匹配的衍射光栅中，则衍射光栅输出的是二维空 间排列的光谱干涉条纹，每个光谱干涉条纹对应一个光学滤波器。

本发明包括窄线宽激光器、激光稳频系统、光学发射系统、光学接收系统、基于虚 像相位阵列窄带光学滤波器、多通道光电探测系统、数据采集和处理系统，其特征在于，将 窄线宽激光器的输出波长利用激光稳频系统锁定在基于虚像相位阵列窄带光学滤波器的 一个干涉条纹上。利用光学发射系统将稳频的激光发射到被测水体中，然后利用光学接收 系统接收水体回波，并耦合进基于虚像相位阵列窄带光学滤波器中。所采用基于虚像相位 阵列窄带光学滤波器的特征是其自由光谱范围的小于水中米散射光谱宽度。

在基于虚像相位阵列窄带光学滤波器的输出像平面，放置多通道光电探测系统， 将滤出的米散射信号、瑞利散射、布里渊散射转换成电信号，并导入数据采集和处理系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1，本发明的基于虚像相位阵列窄带光学滤波器结构图

图2，本发明的基于虚像相位阵列的水体布里渊散射和弹性散射激光雷达结构图

图3，本发明的基于虚像相位阵列窄带光学滤波器的光谱干涉条纹和水中米散射、水体 瑞利散射、水体布里渊散射光谱

图4，本发明的基于虚像相位阵列窄带光学滤波器滤出的水中米散射、水体瑞利散射、 水体布里渊散射光谱

图中：1．入射的平行光，2．柱面镜，3．虚像相位阵列，4．辅助光学透镜，5.衍射光栅（以 平面反射式光栅为例），6.衍射光栅像平面处的二维空间排列的光谱干涉条纹，7.窄线宽 激光器，8.激光稳频系统，9.光学发射系统，10.光学接收系统，11.基于虚像相位阵列 窄带光学滤波器，12.多通道光电探测和转换系统，13.数据采集和处理系统，14.基于虚 像相位阵列窄带光学滤波器的输出光谱干涉条纹，15.激光稳频系统的激光波长锁定点， 16.水体的瑞利散射，17.水中的米散射，18.水体的布里渊散射（Stokes，斯托克斯），19. 水体的布里渊散射（antiStokes，反斯托克斯），20.基于虚像相位阵列光学鉴频器干涉条 纹的自由光谱范围，21.λ_L处滤出的水中米散射和水体瑞利散射信号，22.滤出的水体斯 托克斯布里渊散射信号，23.滤出的水体反斯托克斯布里渊散射信号。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于虚像相位阵列的水体布里渊散射和弹性散射激光 雷达，以解决相关领域的技术问题。

本发明的基于虚像相位阵列光学滤波器如图1所示。平行光（1）经柱面透镜（2）聚 焦后入射到虚像相位阵列（3）中。虚像相位阵列（3）的输出经过辅助光学透镜（4）后耦合到 匹配的衍射光栅（5）中。根据实际情况，辅助光学透镜（4）也可以不加。衍射光栅（5）可以是 透射式或者反射式，也可是凹面光栅或者平面光栅。在衍射光栅的焦平面（6）处得到二维空 间排列的光谱干涉条纹，其中虚像相位阵列在y方向有光谱角色散，衍射光栅在x方向有光 谱角色散。

本发明的基于虚像相位阵列的水体布里渊散射和弹性散射激光雷达如图2所示。 窄线宽激光器（7）作为光源，并利用激光稳频（8）系统将激光波长锁定。锁频后的激光通过 光学发射系统（9）进入被测水体中。利用光学接收系统（10）接收水体回向散射信号，并导入 到基于虚像相位阵列窄带光学滤波器（11）中。利用多通道光电探测系统（12）探测所需的基 于虚像相位阵列窄带光学滤波器（11）的输出，并导入数据采集和处理系统（13）。

图3中（14）是基于虚像相位阵列窄带光学滤波器输出的光谱干涉条纹。激光波长 锁定在图3中的（15）处，对应于基于虚像相位阵列窄带光学滤波器中心波长λ_L的干涉条纹。 水体瑞利散射（16）和水中颗粒的米散射（17）的中心波长也在（15）处。水体的斯托克斯布里 渊散射和反斯托克斯布里渊散射分别位于（15）两侧距离约7.5GHz处。

本发明要求基于虚像相位阵列窄带光学滤波器的输出干涉条纹自由光谱范围的 小于水中米散射光谱宽度。

图4中中心波长λ_L附近的干涉条纹可以滤出部分水中米散射和水体瑞利散射 (21)；同时也可滤出斯托克斯布里渊散射（22）和反斯托克斯布里渊散射（23）。

因为基于虚像相位阵列窄带光学滤波器干涉条纹的理论模型精确可知，同时水中 米散射、水体瑞利散射、水体布里渊散射的理论模型也精确可知，所以根据图4(21)、（22） 和（23）可以分别精确计算出水中米散射、水体瑞利散射、水体布里渊散射的参数。

总之，图2中基于虚像相位阵列的水体布里渊散射和弹性散射激光雷达可以直接 测量水体的弹性散射散射和布里渊散射，并获得相应的高精度参数。