[发明专利]一种高光谱分辨率激光雷达装置

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，特别是涉及一种高光谱分辨率激光雷达装置。

背景技术

在大气探测中，激光雷达接收到的大气后向散射光包含了谱宽较宽的大气分子的瑞利散射信号和谱宽较窄的气溶胶粒子的米散射信号。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。高光谱分辨率激光雷达利用气溶胶散射谱宽不同于其他散射谱的特性，通过具有高光谱分辨率的滤光器，从大气散射中分离米散射和瑞利散射光谱，进而反演出大气参数。具有高光谱分辨率的滤光器是高光谱分辨率激光雷达的核心技术之一。目前常用的高光谱分辨率激光雷达滤光器主要有基于原子或分子蒸汽吸收池的滤光器和基于Fabry-Perot干涉仪的滤光器两种。原子或分子蒸汽的吸收谱线非常多，但其中与常用激光波长相同的却很少，并且很多原子或分子蒸汽吸收池在常温下也不够稳定，极大地限制了高光谱分辨率激光雷达的应用范围。由于碘分子吸收池的吸收谱线相对较稳定，并且在532nm波段具有很好的吸收特性，所以目前最常用的基于原子或分子蒸汽吸收池的滤光器主要是碘分子吸收池滤光器，并且目前建立的基于原子或分子蒸汽吸收池滤光器的高光谱分辨率激光雷达也主要工作在532nm波段。基于Fabry-Perot干涉仪的滤光器理论上可做到任意波长，突破了基于原子或分子蒸汽吸收池滤光器的波长限制。但由于Fabry-Perot干涉仪视场角很小，搜集激光雷达回波信号的能力有限。由于激光雷达回波信号的强度与波长的四次方成反比，波长越长，激光雷达雷达回波信号的强度越弱。所以目前采用基于Fabry-Perot干涉仪滤光器的高光谱分辨率激光雷达主要用于紫外及近紫外的短波区域，在普通可见光由于信噪比很差，故应用较少，而在更长波段的近红外区域由于信噪比太差，目前还未见报道。视场展宽迈克尔逊干涉仪目前常用于干涉成像光谱仪等光谱仪器中。由于其不受波长限制、视场角大，非常适合作为高光谱分辨率激光雷达的滤光器。建立一套基于视场展宽迈克尔逊干涉仪滤光器的高光谱分辨率激光雷达将突破基于原子或分子蒸汽吸收池滤光器的高光谱分辨率激光雷达的波长限制以及基于Fabry-Perot干涉仪滤光器的高光谱分辨率激光雷达的视场限制，对拓展高光谱分辨率激光雷达的应用具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出了一种高光谱分辨率激光雷达装置，该装置基于视场展宽迈克尔逊干涉仪，不受波长限制、视场角大、激光雷达回波信号搜集能力强。

本发明包括发射系统、接收系统、锁频系统、数据采集系统和数据处理系统。发射系统包括单频偏振脉冲激光器、扩束器、反射镜a 和反射镜b；接收系统包括望远镜、光学滤波器、分光镜 、光电探测器a、偏振分光棱镜、光电探测器b 、基于视场展宽迈克尔逊干涉仪滤光器、光电探测器c。

锁频系统将基于视场展宽迈克尔逊干涉仪滤光器锁频至单频偏振脉冲激光器后，单频P偏振脉冲激光器发射的光束经过扩束镜扩束后，经过反射镜a 和反射镜b 发射到被探测大气中；受到大气分子和气溶胶粒子的散射，产生激光雷达回波信号。激光雷达回波信号由望远镜收集后，通过光学滤波器滤除天空背景辐射，然后经分光镜分光，一路信号被反射进入光电探测器a，另一路信号透射到偏振分光棱镜b后分为两路，S偏振信号被反射进入光电探测器b，P偏振信号透射到高光谱分辨率滤光器；P偏振信号经过高光谱分辨率滤光器后被光电探测器c接收。

光电探测器a、光电探测器b和光电探测器c完成三个通道信号的光电转换，将转换后的电信号输入数据采集系统，数据采集系统将电信号数字化后传输至数据处理系统，数据处理系统对数字化后的电信号进行大气参数的反演运算，从而得到被探测大气的参数。

所述的基于视场展宽迈克尔逊干涉仪滤光器包括分光棱镜、混合臂玻璃、混合臂空气隙、混合臂反射镜、玻璃臂玻璃和玻璃臂反射膜；混合臂反射镜与混合臂玻璃之间设置有混合臂空气隙。混合臂玻璃和玻璃臂玻璃设置在分光棱镜的分光面两边且是相邻的直角边上。玻璃臂玻璃远离分光棱镜的一端镀有玻璃臂反射膜。

分光棱镜将经偏振分光棱镜后的P偏振信号分成两路，一路信号通过由玻璃臂玻璃和玻璃臂反射膜组成的干涉臂a，并由干涉臂a远离分光棱镜端的玻璃臂反射膜反射后，重新被分光棱镜分光并反射至出射端；另一路信号依次通过由混合臂玻璃、混合臂空气隙和混合臂反射镜组成的干涉臂b，并由干涉臂b远离分光棱镜端的混合臂反射镜反射，且反射后的该路信号原路返回，重新被分光棱镜分光并透射至出射端；经干涉臂a和干涉臂b返回的两路信号在出射端产生干涉后由光电探测器c接收。