一种复合光束收发的差分吸收激光雷达系统

摘要

本发明公开了一种复合光束收发的差分吸收激光雷达系统，所发明的系统由两个脉冲激光器、两个二分之一波片、两个反射镜、两个偏振分合束器、两个四分之一波片、两个平面镜、扩束镜、望远镜，两个滤波片，两个光探测器、脉冲能量监视器和数据处理单元构成。本发明特点在于两个激光脉冲，探测脉冲和参考脉冲，同时发射接收，波长相近光束重合，故它们经历的大气路径相同，在对地观测中，其落地足印重合。本发明的优点在于其它大气因素干扰影响被消除，接收回波的差别仅来自传播路径上大气对两个激光脉冲的吸收不同。

权利要求

1.一种复合光束收发的差分吸收激光雷达系统，包括望远镜(1)，扩束镜(2)，光探测器A(3)、光探测器B(4)，二分之一波片A(5)、二分之一波片B(6)，四分之一波片A(7)、四分之一波片B (8)，偏振合束器(9)，偏振分束器(10)，探测脉冲激光器(11)，参考脉冲激光器(12)，滤光片A(13)、滤光片B(14)，会聚透镜A(15)、会聚透镜B(16)，反射镜A(17)、反射镜B(18)，脉冲能量监视器(19)和数据处理单元(20)，其特征在于：所述的参考脉冲激光器(12)发出线偏振激光脉冲，经过反射镜A(17)反射后穿过二分之一波片A(5 )；探测脉冲激光器(11)发出线偏振激光脉冲经过二分之一波片B(6)，两束激光为互正交光束；两束正交线性偏振激光束由偏振合束器(9)复合在一起；复合之后的激光束穿过四分之一波片A(7)变成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束在时间和横截面分布上的复合光束；经扩束镜(2)出射；

出射光束经过大气路径，被目标反射或后向散射，再一次经过大气路径原路返回，发射时复合光束中左或右旋圆偏振分量，回波中就相应转变成右或左旋圆偏振分量，回波被望远镜(1)收集，输出的回波经过四分之一波片B(8)，圆偏振光又还原成线偏振光，右旋圆偏振分量和左旋圆偏振分量还原两个垂直正交的线偏振分量；包含垂直正交线偏振的复合光束经过偏振分束器(10)，光束按偏振态一分为二，一路光经滤光片A(13)和会聚透镜A(15)被光探测器A(3)接收，另一路光经滤光片B(14)和会聚透镜B(16)被光探测器B(4)接收，由光探测器转化后的电信号由数据处理单元处理。

2.根据权利要求1所述的一种复合光束收发的差分吸收激光雷达系统，其特征在于：所述的光探测器A(3)和光探测器B(4)为相同的硅探测器件或PMT探测器件。

说明书

一种复合光束收发的差分吸收激光雷达系统

技术领域

[0001] 本发明涉及差分吸收激光雷达领域，特别地，涉及差分吸收激光雷达系统光束复合的一种安排。

背景技术

[0002] 当前激光雷达系统探测大气成分和温度、湿度、压力气象参数，主要使用Raman激光雷达和差分吸收激光雷达。大气是一种随机介质，大气运动的过程十分复杂，因此描述激光束与大气的相互作用有一定的困难。差分吸收激光雷达应用较为广泛，这种系统是通过测量发射和接收两种波长激光脉冲，一种称之为探测脉冲，被大气某种成分吸收；另一种称之为参考脉冲，大气对其吸收不明显；两种脉冲波长很相近，从回波差异中获取被探测大气的某一参数，凸显大气的某一种成分，或某一种要素的物理化学效应，其他因素的影响被认为对于两种激光脉冲的来都说是一样的，可以通过差分消除。

[0003] 因此两种脉冲波长的一致性配置是需要的，而且当探测的精度要求越高，对系统的一致性也要求越高。这些一致性体现在，探测脉冲和参考脉冲波长相近，这样就近似认为大气对它们的米氏散射和瑞利散射一致，系统的发射光学/接收光系统的透光率一致，空间上探测脉冲和参考脉冲经过的大气路径重合，落地足印重合。探测脉冲与参考脉冲发射的时间间隔越短，大气这这段时间内的变化越小。目前设计的脉冲激光雷达，其两种脉冲是先后发射的，这是基于假设在这个两个脉冲发射时间间隔内，大气是凝固的不变的，其实由于大气的运动(湍流等)，而这个假设会带来误差。

[0004] 基于以上，对于差分吸收激光雷达来说，两种脉冲同时发射和同时接收是一种更好的安排，系统误差更小。同时发射和同时接收，及要求系统配置上解决发射前两种脉冲合束，望远镜接收之后，光束要按波长分开各自进行光电检测。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种服务于差分吸收激光雷达，实现探测脉冲和接收脉冲复合发送和接收的方法与结构安排。

[0006] 发射脉冲和参考脉冲，经过二分之一波片旋转，使两者的线性偏振方向垂直，然后由偏振合束器，将两个脉冲光束合二为一，复合的光束，经过四分之一波片，变成左旋圆偏振光与右旋圆偏振光复合后经过扩束发射出去。

[0007] 大气的瑞利散射和米式散射对于圆偏振光的后向散射，仍然是圆偏振光，但旋转方向与入射光相反；硬目标(如沙地)对圆偏振光的反射，仍然是圆偏振光，旋转方向与入射光相反；大气瑞利散射和米式散射的后向散射系数的大小与入射光是左旋圆偏振光，还是右偏振光没有差别。同样，硬目标的反射系数与入射光是左旋圆偏振光还是右旋圆偏振光无关；只是相对于入射光，反射光仍然是圆偏振光，但旋转方向相反。

[0008] 大气成分和自然地物(沙地、植被、水面)，非人工特殊处理表面，对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的后向散射或反射是完全对称的。

[0009] 返回的圆偏振光被望远镜接收，经过四分之一波片之后，又变成线偏振光，左右旋转圆偏振态，转变成正交的线偏振态，重新经过偏振分束器，分成两路，经过各自的干涉滤波片和探测器，转变成电信号。

[0010] 两个探测器，选择相同的型号，响应度曲线相同的硅探测器件或PMT探测器件，脉冲能量监视器与数据处理单元的两个通道保证一致。

[0011] 据此，本发明提出一种复合光束收发的差分吸收激光雷达系统，所发明的系统包括望远镜1，扩束镜2，光探测器A3、光探测器B4，二分之一波片A5、二分之一波片B6，四分之一波片A7、四分之一波片A8，偏振合束器9，偏振分束器10，探测脉冲激光器11，参考脉冲激光器12，滤光片A13、滤光片B14，会聚透镜A15、会聚透镜B16，反射镜A17、反射镜B18，脉冲能量监视器19和数据处理单元20。其中：

[0012] 所述的参考脉冲激光器12发出线偏振激光脉冲，经过反射镜A17反射后穿过二分之一波片A7；探测脉冲激光器B11发出线偏振激光脉冲经过二分之一波片B6，两束激光为互正交光束；两束正交线性偏振激光束由偏振合束器9复合在一起；复合之后的激光束穿过四分之一波片A7变成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束在时间和横截面分布上的复合光束；经扩束镜2出射；

[0013] 出射光束经过大气路径，被目标反射或后向散射，再一次经过大气路径原路返回，发射时复合光束中左或右旋圆偏振分量，回波中就相应转变成右或左旋圆偏振分量，回波被望远镜1收集，输出的回波经过四分之一波片B8，圆偏振光又还原成线偏振光，右旋圆偏振分量和左旋圆偏振分量还原两个垂直正交的线偏振分量；包含垂直正交线偏振的复合光束经过偏振分束器10，光束按偏振态一分为二，一路光经滤光片A13和会聚透镜A15被光探测器A3接收，另一路光经滤光片B14和会聚透镜B16被光探测器B4接收，由光探测器转化后的电信号由数据处理单元处理。

[0014] 本发明的优点在于：发射脉冲和参考脉冲复合，使双脉冲不存在时间间隔和空间间隔，消除了大气变化对探测带来的系统误差。

附图说明

[0015] 图1是复合光束收发的差分吸收激光雷达系统结构图，图中：

[0016] 1.望远镜，2.扩束镜，3.光探测器A，4.光探测器B，5二分之波片A，6.二分之波片B，7四分之一波片A，8.四分之一波片B，9.偏振合束器，10.偏振分束器，11探测脉冲激光器，
12.参考脉冲激光器，13滤光片A，14.滤光片B，15会聚透镜A，16.会聚透镜B，17反射镜A，18.反射镜B，19.脉冲能量监视器，20.数据处理单元。

具体实施方式

[0017] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0018] 1.探测脉冲激光器11与参考脉冲激光器12原理、类型、结构、功能、能量、光束质量、偏振态都是完全相同，并处于同一个光谱波段，只是波长略有的差别，小于1nm甚至小于0.5nm，激光脉冲震荡器的线性偏振光脉冲同时发射；

[0019] 2.两种脉冲光束分别经过二分之一波片A5，二分之一波片B 6，仍然保持线性偏振态，但会改变线性偏振的方向，通过旋转二分之一波片，使得穿过的两光束线性偏振方向相互垂直，并且与紧挨其后的偏振合束器认可的偏振方向完全对应；

[0020] 3.偏振合束器9对一种线性偏振光全部透过，而对另一种垂直的线性偏振光45度入射角全反射，这样可以把入射方向相互垂直，并且偏振方向也相互垂直的光束重合(时间/横截面)在一起；

[0021] 4.线性正交的复合光束，垂直穿过四分之一波片A7，它让线性偏振光，变成圆偏振光，线性正交变成左旋与右旋，仍然是复合光束；

[0022] 5.复合光束经过45度反射镜B 18，不改变偏振态；

[0023] 6.复合的圆偏振光，经过扩束器2，它相当一个倒置的折射式望远镜，光束的束径增大、发散角减小，角度倍率等于扩束器的放大倍率，扩束器的增透/减反射膜不改变光束的偏振态；

[0024] 7.复合光束发射出去，就意味着实现两种脉冲的同时、同光路发射，经过的大气路径完全相同，光束落在目标(如地物)表面的足印完全相同，同时被大气散射或被目标表面反射，返回的路径完全相同；大气的后向散射系数以及自然目标表面的反射系数，对于左旋圆偏态和右旋圆偏振态是相同的。这些对于提高探测系统的精度很有利；

[0025] 8.回波光被望远镜1收集，望远镜的金属反射膜不改变偏振态，对两种圆偏振光的左/右旋转方向是公平的；

[0026] 9.望远镜收集的回波光束，经过四分之一波片B 8后，光束中的左/右圆偏振态，又还原成水平/垂直线偏振态；绕光束前进方向，旋转四分之一波片，使晶体的光轴与紧挨其后的偏振分束器10容许的偏振方向成45度角度；

[0027] 10.偏振分束器10与偏振合束器9是相同的，它们光路和功能是互逆的。正交线性偏振态复合光束经过偏振分束器10之后，按偏振态分成两束；

[0028] 11.分开的线性偏振光束进入各自的干涉滤光片、会聚透镜和光探测器，最后进入数据处理单元；

[0029] 12.为了消除脉冲发射能量的变化，给探测带来误差，两种发射脉冲都设有脉冲能量监视器，用以归一化回波的强度；光探测器采用同样型号、性能特性一致的器件，脉冲能量监视器、数据处理单元为两种脉冲公用，在同一个时钟控制下工作；

[0030] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

[0031] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。