[發(fā)明專利]一種自校準的偏振大氣激光雷達裝置和方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010041035.5
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111123293A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發(fā)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;G01S7/497;G01S7/481
• 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(fā)明屬于激光光譜技術應用技術領域，提供了一種自校準的偏振大氣激光雷達裝置和方法，包括激光器、線偏振片、激光發(fā)射裝置、激光接收裝置、窄帶濾光片和偏振面陣相機。該方法在不額外添加光學元件的前提下，同時獲取四種偏振態(tài)的大氣后向散射信號，構建四個偏振態(tài)的大氣回波信號探測方程，并通過非線性最小二乘法實時得到準確的體退偏比δ^v和偏振失配角θ，解決了傳統(tǒng)雙通道偏振激光雷達系統(tǒng)的增益比定標復雜的難題。本發(fā)明具有結構簡單、操作方便、成本低、可靠性高等特點。

技術領域

本發(fā)明屬于激光光譜技術應用技術領域，具體涉及一種自校準的偏振大氣激光雷達裝置和方法，用于探測大氣顆粒物的形態(tài)。

背景技術

大氣激光雷達(Light Detection and Ranging，Lidar)技術是一種主動式的光學遙感技術，具有高時空分辨率、優(yōu)越的方向性和相干性及可實時監(jiān)測等獨特的優(yōu)勢。偏振大氣激光雷達是通過向大氣中發(fā)射高純度的線偏振光，根據(jù)探測的退偏信號識別云的相位(冰云和水云)、氣溶膠形態(tài)等重要信息。當偏振光入射到球形粒子(高空潔凈大氣分子)時，其后向散射光依然是線偏振光，當偏振光入射到非球形粒子(如沙塵氣溶膠)時，其后向散射光部分退偏為非偏振光，整體上則變成了部分偏振光。根據(jù)后向散射信號偏振態(tài)的變化，偏振大氣激光雷達可以識別大氣中球形粒子與非球形粒子，被廣泛應用于極地氣候研究，大氣氣溶膠和云的類型識別，以及氣溶膠分類等方面。然而，偏振激光雷達在獲取高精度大氣偏振信息方面依然存在很大挑戰(zhàn)。

雙通道偏振大氣激光雷達是最常見也是應用最為廣泛的偏振大氣激光雷達。其基本原理是利用脈沖激光器向大氣中發(fā)出高純度的線偏振光，線偏振光經(jīng)過大氣散射后，其后向散射信號通過大口徑的望遠鏡收集，并通過偏振分光棱鏡(PBS)將平行偏振分量和垂直偏振分量分開，最后兩個正交偏振的光信號分別經(jīng)過光電倍增管轉換成電信號，并被計算機處理。其中，最典型的偏振大氣激光雷達是美國宇航局發(fā)射的星載大氣激光雷達，其中一個載荷為CALIOP激光雷達。CALIOP激光雷達是一個雙波長偏振激光雷達系統(tǒng)，其中532nm波段為雙通道偏振激光雷達。雖然平行和垂直兩個分量采用相同規(guī)格的光電倍增管進行同時探測，但是兩者對光信號的透過率，光電轉換系數(shù)以及放大系數(shù)并不完全相同，在偏振激光雷達中稱之為系統(tǒng)增益系數(shù)。系統(tǒng)增益系數(shù)的不同對其探測結果會有顯著影響，因此需要進行增益比定標。目前常用的增益比定標方法有特殊大氣法、非偏振光法、非線性擬合法、±45°定標法。

特殊大氣法是將干凈大氣作為“標準版”的大氣條件來實現(xiàn)對系統(tǒng)增益比的定標，雖然該方法操作簡單且不需要在系統(tǒng)中添加任何額外的光學元件，但是通常情況下干凈大氣比較難以測到(一般存在于10km以上的高空大氣)。此外，干凈大氣的退偏比受到系統(tǒng)參數(shù)以及大氣狀況的影響，其本身存在較大的不確定性，容易導致標定誤差。

非偏振光法是采用非偏振光源，如白熾燈，鹵素燈等，來進行增益比的定標。定標時需要通過較復雜手段使得非偏振光源處于望遠鏡之前，不便于快速重復操作。該方式使得入射到探測器的光信號在光信號強度的角度分布以及頻譜特征方面還是與真正的激光雷達信號不同，這些誤差往往不易評估。

非線性擬合法(或稱半波片多次旋轉法)是將位于PBS之前的半波片多次旋轉，人為地改變PBS反射通道和透射通道的強度比，建立半波片旋轉角度與強度比的函數(shù)關系。最后通過非線性擬合，反演得到增益比。該方法不僅可以得到系統(tǒng)增益比，還可以得到偏振失配角以及定標區(qū)域的大氣退偏比。但是該方法需要耗費較長的時間，并且要求標定期間大氣條件相對穩(wěn)定。

±45°定標法是通過半波片，將發(fā)射激光的偏振方向調整至與PBS的入射面成45°角，從而使得經(jīng)過PBS后兩通道探測器所探測到的強度比就是增益比。該方法要求兩通道沒有偏振串擾，從而對PBS的性能提出了極高的要求，這在實際中是很難滿足的。