CN111123293A - 一种自校准的偏振大气激光雷达装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光光谱技术应用技术领域，提供了一种自校准的偏振大气激光雷达装置和方法，包括激光器、线偏振片、激光发射装置、激光接收装置、窄带滤光片和偏振面阵相机。该方法在不额外添加光学元件的前提下，同时获取四种偏振态的大气后向散射信号，构建四个偏振态的大气回波信号探测方程，并通过非线性最小二乘法实时得到准确的体退偏比δ^v和偏振失配角θ，解决了传统双通道偏振激光雷达系统的增益比定标复杂的难题。本发明具有结构简单、操作方便、成本低、可靠性高等特点。

Description

一种自校准的偏振大气激光雷达装置和方法

技术领域

本发明属于激光光谱技术应用技术领域，具体涉及一种自校准的偏振大气激光雷达装置和方法，用于探测大气颗粒物的形态。

背景技术

大气激光雷达(Light Detection and Ranging，Lidar)技术是一种主动式的光学遥感技术，具有高时空分辨率、优越的方向性和相干性及可实时监测等独特的优势。偏振大气激光雷达是通过向大气中发射高纯度的线偏振光，根据探测的退偏信号识别云的相位(冰云和水云)、气溶胶形态等重要信息。当偏振光入射到球形粒子(高空洁净大气分子)时，其后向散射光依然是线偏振光，当偏振光入射到非球形粒子(如沙尘气溶胶)时，其后向散射光部分退偏为非偏振光，整体上则变成了部分偏振光。根据后向散射信号偏振态的变化，偏振大气激光雷达可以识别大气中球形粒子与非球形粒子，被广泛应用于极地气候研究，大气气溶胶和云的类型识别，以及气溶胶分类等方面。然而，偏振激光雷达在获取高精度大气偏振信息方面依然存在很大挑战。

双通道偏振大气激光雷达是最常见也是应用最为广泛的偏振大气激光雷达。其基本原理是利用脉冲激光器向大气中发出高纯度的线偏振光，线偏振光经过大气散射后，其后向散射信号通过大口径的望远镜收集，并通过偏振分光棱镜(PBS)将平行偏振分量和垂直偏振分量分开，最后两个正交偏振的光信号分别经过光电倍增管转换成电信号，并被计算机处理。其中，最典型的偏振大气激光雷达是美国宇航局发射的星载大气激光雷达，其中一个载荷为CALIOP激光雷达。CALIOP激光雷达是一个双波长偏振激光雷达系统，其中532nm波段为双通道偏振激光雷达。虽然平行和垂直两个分量采用相同规格的光电倍增管进行同时探测，但是两者对光信号的透过率，光电转换系数以及放大系数并不完全相同，在偏振激光雷达中称之为系统增益系数。系统增益系数的不同对其探测结果会有显著影响，因此需要进行增益比定标。目前常用的增益比定标方法有特殊大气法、非偏振光法、非线性拟合法、±45°定标法。

特殊大气法是将干净大气作为“标准版”的大气条件来实现对系统增益比的定标，虽然该方法操作简单且不需要在系统中添加任何额外的光学元件，但是通常情况下干净大气比较难以测到(一般存在于10km以上的高空大气)。此外，干净大气的退偏比受到系统参数以及大气状况的影响，其本身存在较大的不确定性，容易导致标定误差。

非偏振光法是采用非偏振光源，如白炽灯，卤素灯等，来进行增益比的定标。定标时需要通过较复杂手段使得非偏振光源处于望远镜之前，不便于快速重复操作。该方式使得入射到探测器的光信号在光信号强度的角度分布以及频谱特征方面还是与真正的激光雷达信号不同，这些误差往往不易评估。

非线性拟合法(或称半波片多次旋转法)是将位于PBS之前的半波片多次旋转，人为地改变PBS反射通道和透射通道的强度比，建立半波片旋转角度与强度比的函数关系。最后通过非线性拟合，反演得到增益比。该方法不仅可以得到系统增益比，还可以得到偏振失配角以及定标区域的大气退偏比。但是该方法需要耗费较长的时间，并且要求标定期间大气条件相对稳定。

±45°定标法是通过半波片，将发射激光的偏振方向调整至与PBS的入射面成45°角，从而使得经过PBS后两通道探测器所探测到的强度比就是增益比。该方法要求两通道没有偏振串扰，从而对PBS的性能提出了极高的要求，这在实际中是很难满足的。

上述这些标定方法要么依赖于大气条件，要么需要额外增加光学元件，标定过程繁琐。不仅如此，系统增益比会随环境的变化而变化，因此增益比定标需要定期进行，这给实际测量应用带来了巨大挑战。针对这一挑战，本发明设计了一种自校准的偏振大气激光雷达装置和方法。

上述对背景技术的陈述仅是为了方便对本发明技术方案(使用的技术手段、解决的技术问题以及产生的技术效果等方面)的深入理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自校准的偏振大气激光雷达装置和方法，以解决传统偏振大气激光雷达系统增益比定标复杂、繁琐等重大难题。

本发明的技术方案：

一种自校准的偏振大气激光雷达装置，包括二极管激光器1、线偏振片2、激光发射装置、激光接收装置、窄带滤光片8和偏振面阵相机7；

所述的激光器1安装在激光发射装置的入射端，线偏振片2安装于激光发射装置内部且位于激光器1前端，激光器1的中心、线偏振片2的中心和激光发射装置透镜的中心三者位于一条直线上；其中，线偏振片2的偏振态方向与激光器1的偏振态方向一致，线偏振片2可以将激光的偏振度进行提纯，提纯后的激光通过激光发射装置准直后发射到大气中；

所述的探测器安装筒9一端安装固定在激光接收装置上，另一端安装偏振面阵相机7；窄带滤光片8安装在探测器安装筒9内；发射到大气中的激光光束的后向散射信号经激光接收装置收集，经过窄带滤光片8滤除大气背景信号后，成像在偏振面阵相机7上，该偏振面阵相机7可同时探测0°，45°，90°和135°四个偏振态的大气后向散射信号；

所述的偏振面阵相机7、激光接收装置和激光发射装置满足如下任意一种关系：(1)偏振面阵相机7的传感器所在平面、激光接收装置等效透镜所在平面和激光发射装置光轴三者相交，满足沙氏成像原理；(2)偏振面阵相机7的传感器所在平面平行放置于激光接收装置焦点处；

所述的激光发射装置和激光接收装置通过连接板4连接，驱动电路5和主控制器6安装在连接板4上，二者相连；偏振面阵相机7与主控制器6连接，激光器1与驱动电路5连接。

所述的激光发射装置上由镜筒和透镜组成。

所述的激光器1为二极管激光器，其发射光束为线偏振光，其工作波长由温控和驱动电路控制。

所述的激光接收装置为牛顿望远镜10。

所述的激光发射装置和激光接收装置存在一定的间隔。

所述的窄带滤光片8的透射中心波长与激光器1的工作波长相匹配。

一种自校准的偏振大气激光雷达方法，步骤如下：

S1、旋转线偏振片和偏振相机的角度，使得偏振相机探测得到的135°和45°偏振态的后向散射信号重合，即P_135°＝P_45°，然后记录大气的原始后向散射信号数据；

S2、对记录的原始数据进行背景扣除、信号插值和滤波操作，得到像素-强度的激光雷达信号；根据校准像素点和距离，利用几何光学模型得到距离-强度的激光雷达信号；

S3、此时，调节系统时已经将调P_135°＝P_45°调重合，故认为此时的偏振失配角θ＝0°，偏振相机可以同时探测四个偏振态(0°，45°，90°，135°)的后向散射信号，总的后向散射信号强度等于相互正交的偏振组分的后向散射信号强度之和：P＝P_⊥+P_||＝P_45°+P_135°；此时，体退偏比δ^v＝P_s/P_p＝P_⊥/P_||＝β_⊥/β_||，P_135°/P_45°＝1；

S4、在实际测量过程中，当系统漂移等因素导致偏振失配角θ发生变化时，即θ≠0°，P_135°≠P_45°，构建四个偏振态的大气回波信号探测方程，并通过非线性最小二乘法求解体退偏比δ^v和偏振失配角，最终得到整个激光路径上的大气退偏比。

本发明的有益效果：本发明提供一种自校准的偏振大气激光雷达装置和方法。该方法在不额外添加光学元件的前提下，同时获取四种偏振态的大气后向散射信号，构建四个偏振态的大气回波信号探测方程，并通过非线性最小二乘法实时得到准确的体退偏比δ^v和偏振失配角θ，解决了传统双通道偏振激光雷达系统的增益比定标复杂的难题。本发明具有结构简单、操作方便、成本低、可靠性高等特点。

附图说明

图1为本发明实施例中提供了自校准的偏振大气激光雷达的结构示意图。

图2为本发明实施例中提供了自校准的偏振大气激光雷达系统的偏振相机的正视图。

图3为本发明实施例中提供了发射光束偏振态与偏振相机偏振探测通道示意图。

图中：1二极管激光器；2线偏振片；3发射望远镜；4连接板；5驱动电路；6主控制器；7偏振面阵相机；8窄带滤光片；9探测器安装筒；10牛顿望远镜。

图3中P_||所在的方向表示发射端激光光束的偏振态的方向，P_p所在的方向表示偏振面阵相机0°通道偏振态的方向。P_||，P_⊥，P′_45°，P′_135°表示的是发射端激光光束的偏振态的方向与偏振面阵相机0°通道偏振态的方向平行时，偏振面阵相机所探测到的0°，90°，45°，135°偏振态的信号强度。P_p，P_s，P_45°，P_135°表示的是发射端激光光束的偏振态的方向与偏振面阵相机0°通道偏振态的方向夹角为θ时，偏振面阵相机所探测到的0°，90°，45°，135°偏振态的信号强度。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

(1)基本概念

偏振失配角θ：二极管激光器发射激光的偏振态所在的平面与接收光路中相机0°通道偏振态所在的平面的夹角。

体退偏比δ^v：总的垂直偏振分量的后向散射系数与总的平行偏振分量的后向散射系数之比。

(2)技术方案的具体原理

首先，偏振激光雷达系统的工作原理如下所述：二极管激光器发射一束线偏振激光，光束首先经过线偏振片(其偏振态与激光偏振态一致)对激光的偏振度进行提纯，最后激光光束通过望远镜准直后发射到大气中。激光与大气中的分子、颗粒物等发生相互作用形成的后向散射信号经过牛顿望远镜收集并通过窄带滤光片压缩背景，最后由偏振相机同时探测四个不同偏振态的后向散射信号。

对于单次散射激光雷达，其后向散射信号强度P(r)随距离r变化关系可以用激光雷达方程表示为，

P(r)＝P₀ηβ(r)τ²(r) (1)

P₀为激光器的发射功率，η为系统常数，β(r)为总的后向散射系数，可以分解为垂直分量(β_⊥)和平行分量(β_||)，τ²(r)为大气透射率。通常情况下，大气中的粒子被认为是各向同性的，即大气对不同偏振态的光信号的透过率相等。除此之外，还需要假设不同偏振态的光信号在发射端和接收端的传输效率相同。由于使用同一个偏振相机进行大气后向散射信号的四个偏振态探测，故本方法没有系统增益系数。

当偏振失配角θ为0时，表明此时系统发射端与接收端完全对齐，偏振相机可以同时探测四个偏振态的后向散射信号，总的后向散射信号强度等于相互正交的偏振组分的后向散射信号强度之和，其中P_||，P_⊥，P′_45°，P′_135°分别表示偏振面阵相机在0°，90°，45°，135°偏振态通道所探测到的后向散射信号强度，

P＝P_⊥+P_||＝P_45°+P_135° (2)

不同偏振态的后向散射信号可以分别用以下四个方程来表示，

P_⊥＝P₀ηβ_⊥τ² (3)

P_||＝P₀ηβ_||τ² (4)

P′_135°＝P_||sin²45+P_⊥cos²45 (5)

P′_45°＝P_||cos²45+P_⊥sin²45 (6)

此时，体退偏比δ^v＝P_s/P_p＝P_⊥/P_||＝β_⊥/β_||，P′_135°/P′_45°＝1。

然而，在实际情况中偏振失配θ角是偏振激光雷达的重要系统误差来源。在本发明方法中，在调试系统过程中将135°和45°偏振方向的激光雷达信号调至完全重合，即P_135°＝P_45°，表明此时的偏振失配角θ＝0。然而在实际测量过程中，由于系统漂移等原因会使得偏振失配角θ发生变化，即θ≠0°。此时，偏振相机所探测到的四个偏振通道的后向散射强度方程组为：

P_s＝P_||sin²θ+P_⊥cos²θ (7)

P_p＝P_||cos²θ+P_⊥sin²θ (8)

P_135°＝P_||sin²(45-θ)+P_⊥cos²(45-θ) (9)

P_45°＝P_||cos²(45-θ)+P_⊥sin²(45-θ) (10)

将公式(7)、(8)和(9)、(10)分别相除，便得到以下公式，

P_s/P_p和P_135°/P_45°的比值可以通过实际测量的不同偏振角度的后向散射信号强度计算出来，根据公式(11)(12)组成两个方程，由于方程中只有体退偏比δ^v和偏振失配角θ两个未知量，可通过非线性最小二乘法求解出两个未知量。求出体退偏比后δ^v。因此无论发射端与接收端的偏振态是否完全对齐，在实际的大气测量中都可以通过四通道的偏振后向散射信号计算出体退偏比δ^v和偏振失配角θ，免除了需要校准偏振失配角的操作。

本发明提供一种自校准的偏振大气激光雷达装置和方法，该方法采用一个线偏振二极管激光器作为光源，一个偏振相机探测，利用几何光学计算获得距离分辨的四种偏振态的大气后向散射信号，可以实时得到准确的大气体退偏比δ^v和系统偏振失配角θ，解决了传统双通道脉冲式偏振激光雷达系统的增益比定标复杂的问题，具有结构简单，操作方便，成本低，可靠性高等特点。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自校准的偏振大气激光雷达装置，其特征在于，该自校准的偏振大气激光雷达装置包括激光器(1)、线偏振片(2)、激光发射装置、激光接收装置、窄带滤光片(8)和偏振面阵相机(7)；

所述的激光器(1)安装在激光发射装置的入射端，线偏振片(2)安装于激光发射装置内部且位于激光器(1)前端，激光器(1)的中心、线偏振片(2)的中心和激光发射装置透镜的中心三者位于一条直线上；其中，线偏振片(2)的偏振态方向与激光器(1)的偏振态方向一致，线偏振片(2)可以将激光的偏振度进行提纯，提纯后的激光通过激光发射装置准直后发射到大气中；

所述的探测器安装筒(9)一端安装固定在激光接收装置上，另一端安装偏振面阵相机(7)；窄带滤光片(8)安装在探测器安装筒(9)内；发射到大气中的激光光束的后向散射信号经激光接收装置收集，经过窄带滤光片(8)滤除大气背景信号后，成像在偏振面阵相机(7)上，该偏振面阵相机(7)可同时探测0°，45°，90°和135°四个偏振态的大气后向散射信号；

所述的偏振面阵相机(7)、激光接收装置和激光发射装置满足如下任意一种关系：(1)偏振面阵相机(7)的传感器所在平面、激光接收装置等效透镜所在平面和激光发射装置光轴三者相交，满足沙氏成像原理；(2)偏振面阵相机(7)的传感器所在平面平行放置于激光接收装置焦点处；

所述的激光发射装置和激光接收装置通过连接板(4)连接，驱动电路(5)和主控制器(6)安装在连接板(4)上，二者相连；偏振面阵相机(7)与主控制器(6)连接，激光器(1)与驱动电路(5)连接。

2.根据权利要求1所述的自校准的偏振大气激光雷达装置，其特征在于，所述的激光发射装置上由镜筒和透镜组成。

3.根据权利要求1或2所述的自校准的偏振大气激光雷达装置，其特征在于，所述的激光器(1)为二极管激光器，其发射光束为线偏振光，其工作波长由温控和驱动电路控制。

4.根据权利要求1或2所述的自校准的偏振大气激光雷达装置，其特征在于，所述的激光接收装置为牛顿望远镜(10)。

5.根据权利要求3所述的自校准的偏振大气激光雷达装置，其特征在于，所述的激光接收装置为牛顿望远镜(10)。

6.根据权利要求1、2或5所述的自校准的偏振大气激光雷达装置，其特征在于，所述的窄带滤光片(8)的透射中心波长与激光器(1)的工作波长相匹配。

7.根据权利要求3所述的自校准的偏振大气激光雷达装置，其特征在于，所述的窄带滤光片(8)的透射中心波长与激光器(1)的工作波长相匹配。

8.根据权利要求4所述的自校准的偏振大气激光雷达装置，其特征在于，所述的窄带滤光片(8)的透射中心波长与激光器(1)的工作波长相匹配。

9.一种自校准的偏振大气激光雷达方法，其特征在于，步骤如下：

S1、旋转线偏振片和偏振相机的角度，使得135°和45°偏振态的后向散射信号重合，即P_135°＝P_45°，然后记录大气的原始后向散射信号数据；

S2、对记录的原始数据进行背景扣除、信号插值和滤波操作，得到像素-强度的激光雷达信号；根据校准像素点和距离，利用几何光学模型得到距离-强度的激光雷达信号；

S3、此时，调节系统时已经将调P_135°＝P_45°调重合，故认为此时的偏振失配角θ＝0°，偏振面阵相机(7)同时探测四个偏振态(0°，45°，90°，135°)的后向散射信号，总的后向散射信号强度等于相互正交的偏振组分的后向散射信号强度之和：P＝P_⊥+P_||＝P_45°+P_135°；此时，体退偏比δ^v＝P_s/P_p＝P_⊥/P_||＝β_⊥/β_||，P_135°/P_45°＝1；

S4、在实际测量过程中，当系统漂移等因素导致偏振失配角θ发生变化时，即θ≠0°，P_135°≠P_45°，构建四个偏振态的大气回波信号探测方程，并通过非线性最小二乘法求解体退偏比δ^v和偏振失配角，最终得到整个激光路径上的大气退偏比。

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