[發明專利]基于Scheimpflug原理的多波長偏振米散射激光雷達系統

有效

• 申請號: 201910223234.5
• 申請日: 2019-03-22
• 公開（公告）號: CN109917421B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 梅亮;孔政
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01N15/02;G01N15/06
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明屬于激光技術應用技術領域，提供了基于Scheimpflug原理的多波長偏振米散射激光雷達系統，用于探測大氣氣溶膠的時空演變、大氣中顆粒物的濃度、顆粒粒徑大小、形狀和粒子譜分布。該系統包括激光發射裝置、接收裝置、主控制器，激光發射裝置和接收裝置分別固定在連接板的兩側，其間距滿足Scheimpflug成像原理。該系統采用四個二極管激光器作為光源，兩個CMOS圖像傳感器分時探測，以角度分辨而非飛行時間分辨的方式獲得距離分辨的大氣后向散射信號，可以獲取多個波長的激光雷達信號，與傳統的脈沖式氣溶膠激光雷達系統相比具有結構簡單，操作方便，成本低，可靠性高等特點。

技術領域

本發明屬于激光技術應用技術領域，具體涉及基于Scheimpflug原理的多波長偏振米散射激光雷達系統，用于探測大氣氣溶膠的時空演變、大氣中顆粒物的濃度、顆粒粒徑大小、形狀和粒子譜分布。

背景技術

激光雷達(Light Detection and Ranging，Lidar)技術是一種主動光學廓線定量遙感工具，其具有高的時空分辨率、優越的方向性和相干性以及可以實時監測等獨特的優勢。激光雷達技術已經廣泛地應用于大氣氣溶膠和云的監測，污染氣體(臭氧、二氧化氮、二氧化硫等)以及溫室氣體(二氧化碳、甲烷等)濃度分布測量，中高層大氣溫度場、風場、能見度和大氣邊界層的探測等諸多方面。

目前，脈沖式米散射氣溶膠激光雷達技術的研究較為成熟、應用也最為廣泛，其可以探測氣溶膠粒子的廓線分布，而多波長米散射激光雷達可以反演氣溶膠的粒子譜分布，其偏振信號可用于區分不同形狀的粒子，進而對氣溶膠粒子進行分類。脈沖式激光雷達技術的硬件原理是向大氣中發射納秒量級的脈沖光并以時間分辨的方式探測其后向散射光的強度，從而實現了不同距離上大氣回波信號的探測。目前國內有多家研究單位開展米散射激光雷達研究，如安徽光機所研制了多波長激光雷達系統，用于氣溶膠和卷云等微物理特性的探測(D.Liu,et.al,Development of multi-wavelength Raman lidar and itsapplication on aerosol and cloud research,Epj Web Conf 119,25011,(2016).)；西安理工大學建立了多波長偏振激光雷達系統用于氣溶膠探測等(H.G.Di,et.al,Detections and analyses of aerosol optical properties under different weatherconditions using multi-wavelength Mie lidar,Acta Phys Sin-Ch Ed 63,244206,(2014).)。然而，脈沖式氣溶膠激光雷達系統的設計和維護成本卻居高不下。這主要是由于兩方面的原因：其一，是該技術需要的高性能納秒量級脈沖光源如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器等，不僅成本高而且維護費用不菲；其二，是由于激光雷達信號與距離的平方成反比，系統對動態范圍的要求非常高，不僅需要高靈敏探測器如光電倍增管等，而且需要高速模擬采樣以及單光子計數技術等復雜的信號采樣技術。

SLidar(Scheimpflug Lidar)技術以連續光作為發射光源，由望遠鏡收集后向散射信號并由傾斜的圖像傳感器在滿足沙氏(Scheimpflug)成像原理的條件下探測大氣后向散射光，以角度分辨的方式獲得距離分辨的大氣后向散射信號，成功的實現了距離分辨的大氣后向散射信號探測。基于該原理，SLidar技術可以使用大功率連續光光源(如二極管激光器)，以及CCD/CMOS傳感器作為探測器，從而有效地克服了傳統脈沖激光雷達技術在光源和光電檢測方面系統復雜的困難。在解決三波長甚至更多波長激光雷達系統集成方面有非常大的潛力，極大地降低了系統的結構和成本。為此，本發明設計了一種基于Scheimpflug原理的多波長偏振米散射激光雷達系統。

上述對背景技術的陳述僅是為了方便對本發明技術方案(使用的技術手段、解決的技術問題以及產生的技術效果等方面)的深入理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域技術人員所公知的現有技術。

發明內容