[发明专利]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

说明书

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。

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