[發明專利]一種基于虛像相位陣列的水體布里淵散射和彈性散射激光雷達

有效

• 申請號: 201610314481.2
• 申請日: 2016-05-13
• 公開（公告）號: CN105785388B
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發明（設計）人: 劉金濤;劉秉義;宋小全;張凱臨;吳松華
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G01S17/88
• 分類號: G01S17/88
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

基于虛像相位陣列的水體布里淵散射和彈性散射激光雷達,由窄線寬激光器、激光穩頻系統、光學發射系統、光學接收系統、基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器、多通道光電探測系統、數據采集和處理系統構成。基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器由虛像相位陣列和衍射光柵構成，其輸出為二維空間排列的光譜干涉條紋，可以直接分離水中米（Mie）散射、水體分子瑞利散射（Rayleigh）和水體的水體布里淵（Brillouin）散射。基于虛像相位陣列的水體布里淵散射和彈性散射激光雷達可以直接測量水體的彈性散射散射和布里淵散射，并獲得相應的高精度參數。

技術領域

本發明涉及一種基于虛像相位陣列的水體布里淵（Brillouin）散射和彈性散射激光雷達，更具體地說屬于一種以虛像相位陣列為窄帶光學濾波器的測量水體布里淵散射和彈性散射的激光雷達。

背景技術

當激光入射到水體后，在引起彈性散射的同時，會引起水體的布里淵散射。水體的彈性散射主要包括水體的瑞利（Rayleigh）散射、水中懸浮顆粒的米（Mie）散射等。彈性散射的波長與入射光激光波長相同。水體的瑞利散射線寬約1GHz，水中顆粒的米散射線寬基本與激光線寬相同。水體的布里淵散射是入射光與水中聲子相互作用產生的。在溫度0~40℃、鹽度35‰（海水鹽度）范圍內，水體的布里淵散射約在±6.5GHz ~±8.5GHz范圍內，譜寬約在0.4GHz~2GHz范圍內。

在測量水體布里淵散射和彈性散射的激光雷達中，需要分離出水體的彈性散射和布里淵散射，目前通常有以下幾種方式：

1.采用Fabry-Pérot 干涉儀，如采用掃描方式、并使用單光電倍增管作為光電探測器。這種方式可以測量得到很精細的彈性散射和布里淵散射，但是測量時間長，不適合激光雷達。

2.采用邊緣濾波器，如Fabry-Pérot標準具、原子或分子濾波器等。這種方式適合激光雷達，但是不能同時測量彈性散射和布里淵散射，并且要求激光的波長同濾波器的特性嚴格匹配。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于虛像相位陣列的測量水體布里淵散射和彈性散射激光雷達，其中虛像相位陣列配合衍射光柵作為窄帶光學濾波器。

虛像相位陣列是光學色散器件，可以將輸入的線光源色散為空間排列的光譜干涉條紋。將虛像相位陣列輸出的光譜耦合到匹配的衍射光柵中，則衍射光柵輸出的是二維空間排列的光譜干涉條紋，每個光譜干涉條紋對應一個光學濾波器。

本發明包括窄線寬激光器、激光穩頻系統、光學發射系統、光學接收系統、基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器、多通道光電探測系統、數據采集和處理系統，其特征在于，將窄線寬激光器的輸出波長利用激光穩頻系統鎖定在基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器的一個干涉條紋上。利用光學發射系統將穩頻的激光發射到被測水體中，然后利用光學接收系統接收水體回波，并耦合進基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器中。所采用基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器的特征是其自由光譜范圍的小于水中米散射光譜寬度。

在基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器的輸出像平面，放置多通道光電探測系統，將濾出的米散射信號、瑞利散射、布里淵散射轉換成電信號，并導入數據采集和處理系統。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1，本發明的基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器結構圖

圖2，本發明的基于虛像相位陣列的水體布里淵散射和彈性散射激光雷達結構圖

圖3，本發明的基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器的光譜干涉條紋和水中米散射、水體瑞利散射、水體布里淵散射光譜

圖4，本發明的基于虛像相位陣列窄帶光學濾波器濾出的水中米散射、水體瑞利散射、水體布里淵散射光譜