本发明提供一种星载大气海洋高重频激光雷达系统及探测方法，包括设置在卫星上的高重频激光雷达，高重频激光雷达包括三波长激光发射子系统，与三波长激光发射子系统电连接的光轴调整子系统，设置在三波长激光发射子系统一侧的接收光学子系统和与三波长激光发射子系统电连接且与卫星平台遥测遥控交互的综合控制与信号处理子系统。本发明是为了解决气、海面、水下的综合观测问题，提供了一种星载大气海洋高重频激光雷达系统及探测方法，该星载系统基于高重频多波长激光发射、光子模拟通道协同探测的方式，可实现全球大气、海面、水下环境信息同时获取。
1.一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，其特征在于：包括设置在卫星上的高重频激光雷达，所述高重频激光雷达包括三波长激光发射子系统(1)，与所述三波长激光发射子系统(1)电连接的光轴调整子系统(2)，设置在所述三波长激光发射子系统(1)一侧的接收光学子系统(3)和与所述三波长激光发射子系统(1)、光轴调整子系统(2)、接收光学子系统(3)均电连接且与卫星平台遥测遥控交互的综合控制与信号处理子系统(4)；
所述三波长激光发射子系统(1)用于发射三种波长激光脉冲且分光扩束合路为一束激光脉冲后以固定角度输出至大气、海水及海下目标，所述光轴调整子系统(2)用于调节扩束合路后的所述激光脉冲指向至与所述接收光学子系统(3)共轴的方向，所述接收光学子系统(3)用于接收所述大气、海水及海下目标的后向散射信号并进行分光、分色、窄带滤光及信号调理后转为模拟信号输出至所述综合控制与信号处理子系统(4)，所述综合控制与信号处理子系统(4)用于接收所述卫星平台的驱动指令并控制所述三波长激光发射子系统(1)发射所述激光脉冲，所述综合控制与信号处理子系统(4)用于所述高重频激光雷达的供配电、时序、指令控制，所述综合控制与信号处理子系统(4)用于接收所述接收光学子系统(3)发送的所述模拟信号并甄别组帧后发送给所述卫星平台；
一种星载大气海洋高重频激光雷达系统探测方法，包括如下步骤：
S1、调整光轴：光轴调整驱动器(22)控制光轴调整机构(21)将三波长激光发射子系统(1)输出的激光脉冲指向至与接收光学子系统(3)共轴的方向；发射激光脉冲进入步骤S2，获得探测回波门延时进入步骤S3，步骤S2和步骤S3同时进行；
S2、发射激光脉冲：综合控制与信号处理子系统(4)在卫星平台提供的秒脉冲下降沿驱动下控制三波长高重频激光器(11)发射高重频激光脉冲，所述秒脉冲下降沿为T0时刻；
S3、获得探测回波门延时：所述综合控制与信号处理子系统(4)在所述秒脉冲下降沿T0触发下产生采样波门，延时产生海洋探测发射脉冲采样波门，并根据所述卫星平台的高度计算海洋探测回波波门延时及大气探测波门延时；
S4、获得大气光学参数信息与海洋水下地形信息：数据采集处理单元(42)按所述采样波门在所述海洋探测发射脉冲采样波门与海洋探测回波波门内，对海洋模拟信号通道进行模数转换与缓存；所述数据采集处理单元(42)按所述采样波门在大气探测波门内对大气光子信号通道的光子脉冲进行甄别、计数处理，并将处理后结果与高重频激光雷达状态信息组帧发送给所述卫星平台下传地面进行后续反演处理，得到大气光学参数信息与海洋水下地形信息。
2.根据权利要求1所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，其特征在于：所述三波长激光发射子系统(1)包括三波长高重频激光器(11)，设置在所述三波长高重频激光器(11)一侧的分光扩束调节模块(12)和与所述三波长高重频激光器(11)电连接的激光器控制器(13)，所述激光器控制器(13)与所述综合控制与信号处理子系统(4)电连接；
所述三波长高重频激光器(11)用于发射355nm激光脉冲、532nm激光脉冲和1064nm激光脉冲至所述分光扩束调节模块(12)，所述分光扩束调节模块(12)用于接收所述三波长高重频激光器(11)发射的所述激光脉冲按波长分束并分别扩束压缩激光发散角后合路为一束所述激光脉冲输出至所述大气、海水及海下目标，所述激光器控制器(13)用于在所述综合管理单元(4)同步控制下产生泵浦电流脉冲以驱动所述三波长高重频激光器(11)发射所述激光脉冲。
3.根据权利要求2所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统及探测方法，其特征在于：所述三波长高重频激光器(11)的泵浦源为光纤耦合输出的激光二极管(LD)，端面泵浦Nd:YAG激光器介质，所述泵浦源谐振腔内插入BBO电光Q开关构建激光振荡级；所述三波长高重频激光器(11)使用光纤耦合输出的激光二极管端泵Nd:YAG介质作为激光放大级，放大级采用两级放大；两级放大后输出的所述1064nm激光脉冲使用LBO晶体倍频获得所述
532nm激光脉冲输出，两级放大后输出的所述1064nm激光脉冲使用所述LBO晶体和频获得所述355nm激光脉冲输出；
所述分光扩束调节模块(12)使用高损伤阈值分色镜将所述355nm激光脉冲、所述532nm激光脉冲和所述1064nm激光脉冲分成三束。
4.根据权利要求1所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，其特征在于：
所述光轴调整子系统(2)包括设置在所述三波长激光发射子系统(1)一侧的光轴调整机构(21)和与所述光轴调整机构(21)电连接的光轴调整驱动器(22)；
所述光轴调整机构(21)用于调整扩束合路后的所述激光脉冲指向至与所述接收光学子系统(3)共轴的方向，所述光轴调整驱动器(22)用于驱动控制所述光轴调整机构(21)；
所述接收光学子系统(3)包括设置在所述三波长激光发射子系统(1)一侧的接收望远镜(31)、设置在所述接收望远镜(31)一侧的接收光学单元(32)、与所述光学单元(32)依次电连接的光电探测单元(33)和信号调理单元(34)；
所述接收望远镜(31)用于按时序接收所述大气、海水及海下目标的所述后向散射信号并输出至所述接收光学单元(32)，所述接收光学单元(32)用于接收所述后向散射信号并进行分光、分色、窄带滤光后分别引入355nm垂直偏振通道、355nm平行偏振通道、532nm平行偏振通道、532nm垂直偏振通道和1064nm通道后向所述光电探测单元(33)输出光信号，所述光电探测单元(33)用于探测接收所述接收光学单元(32)输出的所述光信号并分别转化为电信号输出至所述信号调理单元(34)，所述信号调理单元(34)用于接收所述光电探测单元(33)发出的所述电信号并进行多通道多级放大调理后转为模拟信号输出至所述综合控制与信号处理子系统(4)，每一探测通道调理后分路为大气光子信号通道与海洋模拟信号通道。
5.根据权利要求4所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，其特征在于：所述接收望远镜(31)使用卡塞格林式望远镜结构，所述接收望远镜(31)口径为500mm～1000mm，所述三波长激光发射子系统(1)发射的所述激光脉冲与所述接收望远镜(31)通过折转反射镜同轴输出；
所述接收光学单元(32)使用分色镜、偏振分光镜和折转反射镜分通道接收所述大气、海水及海下目标的所述后向散射信号，所述接收光学单元(32)使用窄带滤光片与F‑P标准距组合方式进行背景光的滤光；
所述光电探测单元(33)使用光电倍增管探测所述355nm垂直偏振通道、所述355nm平行偏振通道、所述532nm平行偏振通道和所述532nm垂直偏振通道的所述光信号，所述光电探测单元(33)使用盖革模式雪崩光电二级管探测所述1064nm通道的所述光信号；
所述信号调理单元(34)对所述光电探测单元(33)的单个探测器输出的所述电信号采用多通道多级放大结构，分别进行带宽300MHz、增益10dB的调理生成第一模拟信号和带宽
150MHz、增益20dB的调理生成第二模拟信号，所述第一模拟信号用于光子计数探测，所述第二模拟信号用于模拟回波探测。
6.根据权利要求1所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，其特征在于：所述综合控制与信号处理子系统(4)包括与所述卫星平台遥测遥控交互的综合管理单元(41)和与所述接收光学子系统(3)电连接的数据采集处理单元(42)，所述综合管理单元(41)与所述三波长激光发射子系统(1)、光轴调整子系统(2)和接收光学子系统(3)均电连接；
所述综合管理单元(41)用于接收所述卫星平台的驱动指令并控制所述三波长激光发射子系统(1)发射所述激光脉冲，所述综合管理单元(41)用于所述高重频激光雷达的供配电、时序、指令控制；所述数据采集处理单元(42)包括数据处理单元、高速比较器、FPGA和模数转换器，所述数据处理单元用于按采样时序产生采样波门，并在波门内通过所述高速比较器与所述FPGA进行光信号的甄别处理，所述模数转换器与所述FPGA对所述模拟信号进行采样处理，并将处理后结果组帧发送给所述卫星平台下传地面。
7.根据权利要求6所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，其特征在于：所述数据采集处理单元(42)的光子计数探测计数率大于50MCPS，所述数据采集处理单元(42)的模拟采样采样率大于1GHz，所述数据采集处理单元(42)的有效位数优于12bits。
8.根据权利要求1所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，其特征在于：所述固定角度为激光脉冲发射与星下点保持3～5°。
9.根据权利要求1所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，其特征在于：
步骤S2中，所述三波长高重频激光器(11)的发射频率为1kHz；所述三波长高重频激光器(11)出光时刻与所述秒脉冲下降沿T0的延时固定为200us±100ns；
步骤S3中，延时199.75us产生所述海洋探测发射脉冲采样波门，所述海洋探测发射脉冲采样波门宽度为500ns；
步骤S3中，根据所述卫星平台实时发送的平台高度h计算所述海洋探测回波波门延时t1:
t1＝(h‑2250)/0.15+200000，其中所述海洋探测回波波门宽度为30us；
步骤S3中，根据所述平台高度h计算所述大气探测波门延时t2：
t2＝(h‑30000)/0.15+200000,其中所述大气探测波波门宽度为270us。
一种星载大气海洋高重频激光雷达系统及探测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种星载大气海洋高重频激光雷达系统及探测方法。
背景技术
[0002] 云、气溶胶等是地球辐射主要影响因子，是影响全球气候、天气变化的主要因子。通过星载云‑气溶胶探测，可以反演出全球气溶胶水平通量的垂直剖面，对气象气候研究意义重大。浅海水深测量是海洋测绘的总要组成部分，可为海图编制、航行安全、海洋划界、港口建设和海洋渔业提供重要的基础数据，而天基主动激光载荷是现阶段唯一可在星载平台上实现高精度水深直接测量的遥感手段，可高精度获取全球海区的近岸地形数据、水深数据、岛屿和滩涂附近的变化情况。同时，由于大气‑海洋‑陆地辐射的相互影响相互约束，需共平台协同观测来实现高时空一致性的综合环境要素探测。
[0003] 在天基海洋立体环境激光探测载荷方向，欧美现阶段还没有专用的水下探测激光载荷，但欧美等国依托航天飞机、卫星等多种试验平台完成了多项激光遥感载荷的空间试验，并已成功和计划发射多颗激光雷达载荷，包括星载激光高度计、星载云‑气溶胶激光雷达、星载大气动力观测及大气成分探测激光雷达等。多年来，在国家各类项目的支持下，我国星载激光雷达技术得到了长足发展，已经具有较深厚的技术储备。从“嫦娥”探月系列卫星上搭载的激光测高仪实现对月探测开始，现阶段已有陆地测绘与大气探测的激光雷达载荷在轨或在研。但利用激光雷达技术，解决大气、海面、水下的综合观测问题仍属空白。
发明内容
[0004] 本发明是为了解决气、海面、水下的综合观测问题，提供了一种星载大气海洋高重频激光雷达系统及探测方法，该星载系统基于高重频多波长激光发射、光子模拟通道协同探测的方式，可实现全球大气、海面、水下环境信息同时获取。
[0005] 本发明提供一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，包括设置在卫星上的高重频激光雷达，高重频激光雷达包括三波长激光发射子系统，与三波长激光发射子系统电连接的光轴调整子系统，设置在三波长激光发射子系统一侧的接收光学子系统和与三波长激光发射子系统、光轴调整子系统、接收光学子系统均电连接且与卫星平台遥测遥控交互的综合控制与信号处理子系统；
[0006] 三波长激光发射子系统用于发射三种波长激光脉冲且分光扩束合路为一束激光脉冲后以固定角度输出至大气、海水及海下目标，光轴调整子系统用于调节扩束合路后的激光脉冲指向至与接收光学子系统共轴的方向，接收光学子系统用于接收大气、海水及海下目标的后向散射信号并进行分光、分色、窄带滤光及信号调理后转为模拟信号输出至综合控制与信号处理子系统，综合控制与信号处理子系统用于接收卫星平台的驱动指令并控制三波长激光发射子系统发射激光脉冲，综合控制与信号处理子系统用于高重频激光雷达的供配电、时序、指令控制，综合控制与信号处理子系统用于接收接收光学子系统发送的模拟信号并甄别组帧后发送给卫星平台。
[0007] 本发明所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，作为优选方式，三波长激光发射子系统包括三波长高重频激光器，设置在三波长高重频激光器一侧的分光扩束调节模块和与三波长高重频激光器电连接的激光器控制器，激光器控制器与综合控制与信号处理子系统电连接；
[0008] 三波长高重频激光器用于发射355nm激光脉冲、532nm激光脉冲和1064nm激光脉冲至分光扩束调节模块，分光扩束调节模块用于接收三波长高重频激光器发射的激光脉冲按波长分束并分别扩束压缩激光发散角后合路为一束激光脉冲输出至大气、海水及海下目标，激光器控制器用于在综合管理单元同步控制下产生泵浦电流脉冲以驱动三波长高重频激光器发射激光脉冲。
[0009] 本发明所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，作为优选方式，三波长高重频激光器的泵浦源为光纤耦合输出的激光二极管，端面泵浦Nd:YAG激光器介质，泵浦源谐振腔内插入BBO电光Q开关构建激光振荡级,获得kHz级、窄脉宽、高光束质量的种子激光输出；；三波长高重频激光器使用光纤耦合输出的激光二极管端泵Nd:YAG介质作为激光放大级，放大级采用两级放大；两级放大后输出的1064nm激光脉冲使用LBO晶体倍频获得532nm激光脉冲输出，两级放大后输出的1064nm激光脉冲使用LBO晶体和频获得355nm激光脉冲输出,共光轴输出355nm、532nm、1064nm激光脉冲；
[0010] 分光扩束调节模块使用高损伤阈值分色镜将355nm激光脉冲、532nm激光脉冲和1064nm激光脉冲分成三束。
[0011] 本发明所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，作为优选方式，光轴调整子系统包括设置在三波长激光发射子系统一侧的光轴调整机构和与光轴调整机构电连接的光轴调整驱动器；
[0012] 光轴调整机构用于调整扩束合路后的激光脉冲指向至与接收光学子系统共轴的方向，光轴调整驱动器用于驱动控制光轴调整机构；
[0013] 接收光学子系统包括设置在三波长激光发射子系统一侧的接收望远镜、设置在接收望远镜一侧的接收光学单元、与光学单元依次电连接的光电探测单元和信号调理单元；
[0014] 接收望远镜用于按时序接收大气、海水及海下目标的后向散射信号并输出至接收光学单元，接收光学单元用于接收后向散射信号并进行分光、分色、窄带滤光后分别引入355nm垂直偏振通道、355nm平行偏振通道、532nm平行偏振通道、532nm垂直偏振通道和
1064nm通道后向光电探测单元输出光信号，光电探测单元用于探测接收接收光学单元输出的光信号并分别转化为电信号输出至信号调理单元，信号调理单元用于接收光电探测单元发出的电信号并进行多通道多级放大调理后转为模拟信号输出至综合控制与信号处理子系统，每一探测通道调理后分路为大气光子信号通道与海洋模拟信号通道。
[0015] 本发明所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，作为优选方式，接收望远镜使用卡塞格林式望远镜结构，接收望远镜口径为500mm～1000mm，三波长激光发射子系统发射的激光脉冲与接收望远镜通过折转反射镜同轴输出；
[0016] 接收光学单元使用分色镜、偏振分光镜和折转反射镜分通道接收大气、海水及海下目标的后向散射信号，接收光学单元使用窄带滤光片与F‑P标准距组合方式进行背景光的滤光；
[0017] 光电探测单元使用光电倍增管探测355nm垂直偏振通道、355nm平行偏振通道、532nm平行偏振通道和532nm垂直偏振通道的光信号，光电探测单元使用盖革模式雪崩光电二级管探测1064nm通道的光信号；
[0018] 信号调理单元对光电探测单元的单个探测器输出的电信号采用多通道多级放大结构，分别进行带宽300MHz、增益10dB的调理生成第一模拟信号和带宽150MHz、增益20dB的调理生成第二模拟信号，第一模拟信号用于光子计数探测，第二模拟信号用于模拟回波探测。
[0019] 本发明所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，作为优选方式，综合控制与信号处理子系统包括与卫星平台遥测遥控交互的综合管理单元和与接收光学子系统电连接的数据采集处理单元，综合管理单元与三波长激光发射子系统、光轴调整子系统和接收光学子系统均电连接；
[0020] 综合管理单元用于接收卫星平台的驱动指令并控制三波长激光发射子系统发射激光脉冲，综合管理单元用于高重频激光雷达的供配电、时序、指令控制；数据采集处理单元包括数据处理单元、高速比较器、FPGA和模数转换器，数据处理单元用于按采样时序产生采样波门，并在波门内通过高速比较器与FPGA进行光信号的甄别处理，模数转换器与FPGA对模拟信号进行采样处理，并将处理后结果组帧发送给卫星平台下传地面。
[0021] 本发明所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，作为优选方式，数据采集处理单元的光子计数探测计数率大于50MCPS，数据采集处理单元的模拟采样采样率大于1GHz，数据采集处理单元的有效位数优于12bits。
[0022] 本发明所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，作为优选方式，固定角度为激光脉冲发射与星下点保持3～5°。
[0023] 本发明提供一种星载大气海洋高重频激光雷达系统探测方法，包括如下步骤：
[0024] S1、调整光轴：光轴调整驱动器控制光轴调整机构将三波长激光发射子系统输出的激光脉冲指向至与接收光学子系统共轴的方向；发射激光脉冲进入步骤S2，获得探测回波门延时进入步骤S3，步骤S2和步骤S3同时进行；
[0025] S2、发射激光脉冲：综合控制与信号处理子系统在卫星平台提供的秒脉冲下降沿驱动下控制三波长高重频激光器发射高重频激光脉冲，秒脉冲下降沿为T0时刻；
[0026] S3、获得探测回波门延时：综合控制与信号处理子系统在秒脉冲下降沿T0触发下产生采样波门，延时产生海洋探测发射脉冲采样波门，并根据卫星平台的高度计算海洋探测回波波门延时及大气探测波门延时；
[0027] S4、获得大气光学参数信息与海洋水下地形信息：数据采集处理单元按采样波门在海洋探测发射脉冲采样波门与海洋探测回波波门内，对海洋模拟信号通道进行模数转换与缓存；数据采集处理单元按采样波门在大气探测波门内对大气光子信号通道的光子脉冲进行甄别、计数处理，并将处理后结果与高重频激光雷达状态信息组帧发送给卫星平台下传地面进行后续反演处理，得到大气光学参数信息与海洋水下地形信息。
[0028] 本发明所述的一种星载大气海洋高重频激光雷达系统探测方法，作为优选方式，[0029] 步骤S2中，三波长高重频激光器的发射频率为1kHz；三波长高重频激光器出光时刻与秒脉冲下降沿T0的延时固定为200us±100ns；
[0030] 步骤S3中，延时199.75us产生海洋探测发射脉冲采样波门，所述海洋探测发射脉冲采样波门宽度为500ns；
[0031] 步骤S3中，根据卫星平台实时发送的平台高度h计算海洋探测回波波门延时t1:
[0032] t1＝/0.15+200000，其中海洋探测回波波门宽度为30us；
[0033] 步骤S3中，根据平台高度h计算大气探测波门延时t2：
[0034] t2＝/0.15+200000,其中大气探测波波门宽度为270us。
[0035] 本发明具有以下优点：
[0036] (1)采用高重频、低单脉冲能量发射，模拟与单光子协同探测，大气海洋信号单通道分时获取的体制，实现全球大气、海面、水下环境信息多要素同时获取，拓展了系统的探测效能。此类星载激光雷达在国际上尚未见报道。
[0037] (2)采用高重频多波长发射技术，在保证发射平均功率不影响探测效能的同时，有效降低了激光发射峰值功率，降低了对激光器腔体内光学元件的损伤阈值要求，提升了激光器可靠性，满足星载长寿命要求，同时高重频发射还可提升系统的地面水平分辨率，提高信息获取效率。
[0038] (3)采用模拟与单光子协同探测技术，由单个探测器配置不同信号调理通道，同时实现海洋强散射回波的模拟采样探测与大气弱散射回波的光子计数探测，大大增加了系统的探测动态范围，提升了弱信号的探测能力。
附图说明
[0039] 图1为一种星载大气海洋高重频激光雷达系统实施例1结构示意图；
[0040] 图2为一种星载大气海洋高重频激光雷达系统实施例2‑3结构示意图；
[0041] 图3为一种星载大气海洋高重频激光雷达系统探测方式流程图。
[0042] 附图标记：
[0043] 1、三波长激光发射子系统；11、三波长高重频激光器；12、分光扩束调节模块；13、激光器控制器；2、光轴调整子系统；21、光轴调整机构；22、光轴调整驱动器；3、接收光学子系统；31、接收望远镜；32、接收光学单元；33、光电探测单元；34、信号调理单元；4、综合控制与信号处理子系统；41、综合管理单元；42、数据采集处理单元。
具体实施方式
[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0045] 实施例1
[0046] 如图1所示，一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，包括设置在卫星上的高重频激光雷达，高重频激光雷达包括三波长激光发射子系统1，与三波长激光发射子系统1电连接的光轴调整子系统2，设置在三波长激光发射子系统1一侧的接收光学子系统3和与三波长激光发射子系统1、光轴调整子系统2、接收光学子系统3均电连接且与卫星平台遥测遥控交互的综合控制与信号处理子系统4；
[0047] 三波长激光发射子系统1用于发射三种波长激光脉冲且分光扩束合路为一束激光脉冲后以固定角度输出至大气、海水及海下目标，光轴调整子系统2用于调节扩束合路后的激光脉冲指向至与接收光学子系统3共轴的方向，接收光学子系统3用于接收大气、海水及海下目标的后向散射信号并进行分光、分色、窄带滤光及信号调理后转为模拟信号输出至综合控制与信号处理子系统4，综合控制与信号处理子系统4用于接收卫星平台的驱动指令并控制三波长激光发射子系统1发射激光脉冲，综合控制与信号处理子系统4用于高重频激光雷达的供配电、时序、指令控制，综合控制与信号处理子系统4用于接收接收光学子系统3发送的模拟信号并甄别组帧后发送给卫星平台。
[0048] 实施例2
[0049] 如图2所示，一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，包括设置在卫星上的高重频激光雷达，高重频激光雷达包括三波长激光发射子系统1，与三波长激光发射子系统1电连接的光轴调整子系统2，设置在三波长激光发射子系统1一侧的接收光学子系统3和与三波长激光发射子系统1、光轴调整子系统2、接收光学子系统3均电连接且与卫星平台遥测遥控交互的综合控制与信号处理子系统4；
[0050] 三波长激光发射子系统1用于发射三种波长激光脉冲且分光扩束合路为一束激光脉冲后以固定角度输出至大气、海水及海下目标，固定角度为激光脉冲发射与星下点保持3～5°，光轴调整子系统2用于调节扩束合路后的激光脉冲指向至与接收光学子系统3共轴的方向，接收光学子系统3用于接收大气、海水及海下目标的后向散射信号并进行分光、分色、窄带滤光及信号调理后转为模拟信号输出至综合控制与信号处理子系统4，综合控制与信号处理子系统4用于接收卫星平台的驱动指令并控制三波长激光发射子系统1发射激光脉冲，综合控制与信号处理子系统4用于高重频激光雷达的供配电、时序、指令控制，综合控制与信号处理子系统4用于接收接收光学子系统3发送的模拟信号并甄别组帧后发送给卫星平台；
[0051] 三波长激光发射子系统1包括三波长高重频激光器11，设置在三波长高重频激光器11一侧的分光扩束调节模块12和与三波长高重频激光器11电连接的激光器控制器13，激光器控制器13与综合控制与信号处理子系统4电连接；
[0052] 三波长高重频激光器11用于发射355nm激光脉冲、532nm激光脉冲和1064nm激光脉冲至分光扩束调节模块12，分光扩束调节模块12用于接收三波长高重频激光器11发射的激光脉冲按波长分束并分别扩束压缩激光发散角后合路为一束激光脉冲输出至大气、海水及海下目标，激光器控制器13用于在综合管理单元4同步控制下产生泵浦电流脉冲以驱动三波长高重频激光器11发射激光脉冲；
[0053] 三波长高重频激光器11的泵浦源为光纤耦合输出的激光二极管LD，端面泵浦Nd:YAG激光器介质，泵浦源谐振腔内插入BBO电光Q开关构建激光振荡级；三波长高重频激光器
11使用光纤耦合输出的激光二极管端泵Nd:YAG介质作为激光放大级，放大级采用两级放大；两级放大后输出的1064nm激光脉冲使用LBO晶体倍频获得532nm激光脉冲输出，两级放大后输出的1064nm激光脉冲使用LBO晶体和频获得355nm激光脉冲输出；
[0054] 分光扩束调节模块12使用高损伤阈值分色镜将355nm激光脉冲、532nm激光脉冲和1064nm激光脉冲分成三束；
[0055] 光轴调整子系统2包括设置在三波长激光发射子系统1一侧的光轴调整机构21和与光轴调整机构21电连接的光轴调整驱动器22；
[0056] 光轴调整机构21用于调整扩束合路后的激光脉冲指向至与接收光学子系统3共轴的方向，光轴调整驱动器22用于驱动控制光轴调整机构21；
[0057] 接收光学子系统3包括设置在三波长激光发射子系统1一侧的接收望远镜31、设置在接收望远镜31一侧的接收光学单元32、与光学单元32依次电连接的光电探测单元33和信号调理单元34；
[0058] 接收望远镜31用于按时序接收大气、海水及海下目标的后向散射信号并输出至接收光学单元32，接收光学单元32用于接收后向散射信号并进行分光、分色、窄带滤光后分别引入355nm垂直偏振通道、355nm平行偏振通道、532nm平行偏振通道、532nm垂直偏振通道和1064nm通道后向光电探测单元33输出光信号，光电探测单元33用于探测接收接收光学单元
32输出的光信号并分别转化为电信号输出至信号调理单元34，信号调理单元34用于接收光电探测单元33发出的电信号并进行多通道多级放大调理后转为模拟信号输出至综合控制与信号处理子系统4，每一探测通道调理后分路为大气光子信号通道与海洋模拟信号通道；
[0059] 接收望远镜31使用卡塞格林式望远镜结构，接收望远镜31口径为500mm～1000mm，三波长激光发射子系统1发射的激光脉冲与接收望远镜31通过折转反射镜同轴输出；
[0060] 接收光学单元32使用分色镜、偏振分光镜和折转反射镜分通道接收大气、海水及海下目标的后向散射信号，接收光学单元32使用窄带滤光片与F‑P标准距组合方式进行背景光的滤光；
[0061] 光电探测单元33使用光电倍增管探测355nm垂直偏振通道、355nm平行偏振通道、532nm平行偏振通道和532nm垂直偏振通道的光信号，光电探测单元33使用盖革模式雪崩光电二级管探测1064nm通道的光信号；
[0062] 信号调理单元34对光电探测单元33的单个探测器输出的电信号采用多通道多级放大结构，分别进行带宽300MHz、增益10dB的调理生成第一模拟信号和带宽150MHz、增益20dB的调理生成第二模拟信号，第一模拟信号用于光子计数探测，第二模拟信号用于模拟回波探测；
[0063] 综合控制与信号处理子系统4包括与卫星平台遥测遥控交互的综合管理单元41和与接收光学子系统3电连接的数据采集处理单元42，综合管理单元41与三波长激光发射子系统1、光轴调整子系统2和接收光学子系统3均电连接；
[0064] 综合管理单元41用于接收卫星平台的驱动指令并控制三波长激光发射子系统1发射激光脉冲，综合管理单元41用于高重频激光雷达的供配电、时序、指令控制；数据采集处理单元42包括数据处理单元、高速比较器、FPGA和模数转换器，数据处理单元用于按采样时序产生采样波门，并在波门内通过高速比较器与FPGA进行光信号的甄别处理，模数转换器与FPGA对模拟信号进行采样处理，并将处理后结果组帧发送给卫星平台下传地面；
[0065] 数据采集处理单元42的光子计数探测计数率大于50MCPS，数据采集处理单元42的模拟采样采样率大于1GHz，数据采集处理单元42的有效位数优于12bits。
[0066] 实施例3
[0067] 如图2所示，一种星载大气海洋高重频激光雷达系统，包括设置在卫星上的高重频激光雷达，高重频激光雷达包括三波长激光发射子系统1，与三波长激光发射子系统1电连接的光轴调整子系统2，设置在三波长激光发射子系统1一侧的接收光学子系统3和与三波长激光发射子系统1电连接且与卫星平台遥测遥控交互的综合控制与信号处理子系统4；
[0068] 三波长激光发射子系统1用于发射三种波长激光脉冲且分光扩束合路为一束激光脉冲后以固定角度输出至大气、海水及海下目标，固定角度为激光脉冲发射与星下点保持3～5°，避免海面菲涅尔反射造成探测通道的饱和；光轴调整子系统2用于调节扩束合路后的激光脉冲指向至与接收光学子系统3共轴的方向，接收光学子系统3用于接收大气、海水及海下目标的后向散射信号并进行分光、分色、窄带滤光及信号调理后转为模拟信号输出至综合控制与信号处理子系统4，综合控制与信号处理子系统4用于接收卫星平台的驱动指令并控制三波长激光发射子系统1发射激光脉冲，综合控制与信号处理子系统4用于高重频激光雷达的供配电、时序、指令控制，综合控制与信号处理子系统4用于接收接收光学子系统3发送的模拟信号并甄别组帧后发送给卫星平台；
[0069] 三波长激光发射子系统1包括三波长高重频激光器11，设置在三波长高重频激光器11一侧的分光扩束调节模块12和与三波长高重频激光器11电连接的激光器控制器13，激光器控制器13与综合控制与信号处理子系统4电连接；
[0070] 三波长高重频激光器11用于发射355nm激光脉冲、532nm激光脉冲和1064nm激光脉冲至分光扩束调节模块12，分光扩束调节模块12用于接收三波长高重频激光器11发射的激光脉冲按波长分束并分别扩束压缩激光发散角后合路为一束激光脉冲输出至大气、海水及海下目标，激光器控制器13用于在综合管理单元4同步控制下产生泵浦电流脉冲以驱动三波长高重频激光器11发射激光脉冲；
[0071] 三波长高重频激光器11的泵浦源为光纤耦合输出的激光二极管LD，端面泵浦Nd:YAG激光器介质，泵浦源谐振腔内插入BBO电光Q开关构建激光振荡级；三波长高重频激光器
11使用光纤耦合输出的激光二极管端泵Nd:YAG介质作为激光放大级，放大级采用两级放大；两级放大后输出的1064nm激光脉冲使用LBO晶体倍频获得532nm激光脉冲输出，两级放大后输出的1064nm激光脉冲使用LBO晶体和频获得355nm激光脉冲输出，其单脉冲能量分别为2mJ、8mJ、8mJ，激光发射重复频率为1000Hz；
[0072] 通过应用高重频激光发射技术，在保证发射平均功率不影响探测效能的同时，有效降低了激光发射峰值功率与单脉冲能量，使激光雷达海洋探测避免了探测系统的饱和，同时通过光子计数的方式和时间积累提高大气探测所需信噪比，使得激光雷达可同时实现大气、水面、水下目标探测；
[0073] 分光扩束调节模块12使用高损伤阈值分色镜将355nm激光脉冲、532nm激光脉冲和1064nm激光脉冲分成三束，分别经扩束镜扩束后再合为一束输出。具体方法为出射激光通过分色镜实现波长分束，通过扩束镜实现激光发散角的压缩，扩束后通过45°折转反射镜实现合束，此方法可减轻扩束镜由于不同波长色差带来的设计难度；
[0074] 光轴调整子系统2包括设置在三波长激光发射子系统1一侧的光轴调整机构21和与光轴调整机构21电连接的光轴调整驱动器22；
[0075] 光轴调整机构21用于调整扩束合路后的激光脉冲指向至与接收光学子系统3共轴的方向，光轴调整驱动器22用于驱动控制光轴调整机构21；光轴调整子系统2包括光轴调整驱动器22和光轴调整机构21，光轴调整机构21由两轴调节反射镜、步进电机、高精度编码器、精密减速器、精密丝杠组成，光轴调整驱动器22通过驱动电路为电机提供驱动电流，经精密减速器带动精密丝杠，使两轴调节反射镜转动，并实时由高精度编码器读取转角信息，实现调整机构的闭环控制；光轴调整机构22的两轴调节带动合束后的355nm、532nm、1064nm发射激光光束指向，方位向和俯仰向调整范围为±1°，调整精度为5μrad，通过调整回波数据最大实现实现与接收望远镜31共轴输出；
[0076] 接收光学子系统3包括设置在三波长激光发射子系统1一侧的接收望远镜31、设置在接收望远镜31一侧的接收光学单元32、与光学单元32依次电连接的光电探测单元33和信号调理单元34；
[0077] 接收望远镜31用于按时序接收大气、海水及海下目标的后向散射信号并输出至接收光学单元32，接收光学单元32用于接收后向散射信号并进行分光、分色、窄带滤光后分别引入355nm垂直偏振通道、355nm平行偏振通道、532nm平行偏振通道、532nm垂直偏振通道和1064nm通道后向光电探测单元33输出光信号，光电探测单元33用于探测接收接收光学单元
32输出的光信号并分别转化为电信号输出至信号调理单元34，信号调理单元34用于接收光电探测单元33发出的电信号并进行多通道多级放大调理后转为模拟信号输出至综合控制与信号处理子系统4，每一探测通道调理后分路为大气光子信号通道与海洋模拟信号通道；
[0078] 接收望远镜31使用卡塞格林式望远镜结构，接收望远镜31口径为500mm～1000mm，三波长激光发射子系统1发射的激光脉冲与接收望远镜31通过折转反射镜同轴输出；接收望远镜31实现平行光进入平行光出射，望远镜主要由主镜组件、次镜组件、外遮光罩、遮光罩、支撑结构、望远镜主结构组成，发射激光经分光扩束调节模块后，与接收望远镜31次镜后的45°折转反射镜折转同轴输出；
[0079] 接收光学单元32使用分色镜、偏振分光镜和折转反射镜分通道接收大气、海水及海下目标的后向散射信号，接收光学单元32使用窄带滤光片与F‑P标准距组合方式进行背景光的滤光；
[0080] 接收望远镜31焦面处放置视场光阑，目标散射光信号经散射光阑后由准直镜准直成为平行光，然后经过三波长分色镜反射分离出355nm波长光，再经355nm F‑P腔、355nm窄带滤光片滤波、355nm聚焦镜聚焦后进入355nm探测器进行光电转换；经过三波长分色镜透射出532nm与1064nm光，再经过双波长分色镜后反射分离出532nm光，入射至532nm F‑P腔，进行背景光滤除，滤除通过偏振分光镜，光束中P偏振方向的光束透射过偏振分光镜，再532nm窄带滤光片滤波、532nm聚焦镜后进入532nm P探测器进行光电转换；光束中S偏振方向的光束于偏振分光镜表面呈90°反射，入射至532nm S折转反射镜，再经532nm窄带滤光片滤波、532nm聚焦镜后进入532nm S探测器进行光电转换；经过双波长分色镜后透射分离出
1064nm光，入射1064nm窄带滤光片、1064nm聚焦镜后进入1064nm模拟探测器进行光电转换。
其中，532nm、355nm通道的F‑P腔与窄带滤光片组合实现50pm的滤光带宽，1064nm由于背景光影响较小，采用0.3nm的滤光片实现背景光抑制；
[0081] 光电探测单元33使用光电倍增管探测355nm垂直偏振通道、355nm平行偏振通道、532nm平行偏振通道和532nm垂直偏振通道的光信号，光电探测单元33使用盖革模式雪崩光电二级管探测1064nm通道的光信号；光电倍增管选用日本HAMAMTSU公司的9880U PMT，可实
6
现50mA/W的响应度与1*10的增益；雪崩光电二级管选用Laser components的SPCM‑AQRH‑
15，其暗噪声由于50CPS/s，可实现单光子量级探测；
[0082] 信号调理单元34对光电探测单元33的单个探测器输出的电信号采用多通道多级放大结构，分别进行带宽300MHz、增益10dB的调理生成第一模拟信号和带宽150MHz、增益20dB的调理生成第二模拟信号，第一模拟信号用于光子计数探测，第二模拟信号用于模拟回波探测；
[0083] 综合控制与信号处理子系统4包括与卫星平台遥测遥控交互的综合管理单元41和与接收光学子系统3电连接的数据采集处理单元42，综合管理单元41与三波长激光发射子系统1、光轴调整子系统2和接收光学子系统3均电连接；
[0084] 综合管理单元41用于接收卫星平台的驱动指令并控制三波长激光发射子系统1发射激光脉冲，综合管理单元41用于高重频激光雷达的供配电、时序、指令控制；数据采集处理单元42包括数据处理单元、高速比较器、FPGA和模数转换器，数据处理单元用于按采样时序产生采样波门，并在波门内通过高速比较器与FPGA进行光信号的甄别处理，模数转换器与FPGA对模拟信号进行采样处理，并将处理后结果组帧发送给卫星平台下传地面；
[0085] 综合管理单元，采用1553B总线实现与卫星平台的遥测与指令交互；采用OC门控制雷达内其余单机的加断电；采用双向422异步串口实现与雷达内部其余单机的指令控制、参数下发与遥测数据收集；同时，在卫星平台提供的秒脉冲下降沿(T0时刻)驱动下，产生雷达采样波门发送给数据采集处理单元；从而实现雷达综合管理与控制功能；
[0086] 数据采集处理单元42的光子计数探测计数率大于50MCPS，数据采集处理单元42的模拟采样采样率大于1GHz，数据采集处理单元42的有效位数优于12bits。
[0087] 如图3所示，实施例1‑3的探测方法包括如下步骤：
[0088] S1、调整光轴：光轴调整驱动器22控制光轴调整机构21将三波长激光发射子系统1输出的激光脉冲指向至与接收光学子系统3共轴的方向；发射激光脉冲进入步骤S2，获得探测回波门延时进入步骤S3，步骤S2和步骤S3同时进行；
[0089] S2、发射激光脉冲：综合控制与信号处理子系统4在卫星平台提供的秒脉冲下降沿驱动下控制三波长高重频激光器11发射高重频激光脉冲，秒脉冲下降沿为T0时刻；三波长高重频激光器11的发射频率为1kHz；三波长高重频激光器11出光时刻与秒脉冲下降沿T0的延时固定为200us±100ns；
[0090] S3、获得探测回波门延时：综合控制与信号处理子系统4在秒脉冲下降沿T0触发下产生采样波门，延时199.75us产生海洋探测发射脉冲采样波门，海洋探测发射脉冲采样波门宽度为500ns；
[0091] 根据卫星平台实时发送的平台高度h计算海洋探测回波波门延时t1:
[0092] t1＝h‑2250/0.15+200000，其中海洋探测回波波门宽度为30us；根据平台高度h计算大气探测波门延时t2：
[0093] t2＝h‑30000/0.15+200000,其中大气探测波波门宽度为270us；
[0094] S4、获得大气光学参数信息与海洋水下地形信息：数据采集处理单元42按采样波门在海洋探测发射脉冲采样波门与海洋探测回波波门内，对海洋模拟信号通道进行模数转换与缓存；数据采集处理单元42按采样波门在大气探测波门内对大气光子信号通道的光子脉冲进行甄别、计数处理，并将处理后结果与高重频激光雷达状态信息组帧发送给卫星平台下传地面进行后续反演处理，得到大气光学参数信息与海洋水下地形信息。
[0095] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
