[發明專利]光散射接收元件及其在激光雷達系統中的應用

在審

• 申請號: 202111333371.8
• 申請日: 2021-11-11
• 公開（公告）號: CN114152930A
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 王宣;易洋;周一帆;王凱楠;趙曉娜;王龍龍;王安宙;毛松;趙兵;李想;陳潛源
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481;G01S7/4911;G01S7/4912;G01S17/95
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 方可

本申請公開了一種光散射接收元件及其在激光雷達系統中的應用，其用于測量大氣氣溶膠的激光雷達系統，光散射接收元件設置在激光雷達系統的望遠鏡接收端，光散射接收元件為光波導陣列，光波導陣列在光接收方向上具有多個收光面不同的光波導，收光面具有對應不同高度氣溶膠散射光的成像接收焦平面和視場。按照本申請實現的光散射接收元件，使用在激光雷達系統中，使得不同距離散射返回的激光雷達信號光束聚焦在接收望遠鏡出射端不同的焦平面和位置，仍舊能夠被有效接收，從而得到從低空到高空不同高度的、完整的大氣廓線測量數據。

技術領域

本申請涉及激光雷達技術領域，更具體地，涉及一種光散射接收元件及其在激光雷達系統中的應用。

背景技術

大氣氣溶膠是懸浮于大氣中的液態和固態顆粒物總稱，主要通過直接效應和間接效應影響全球氣候和局地空氣質量。氣溶膠作為描述大氣狀況的主要參數，其影響短期空氣質量、局地氣象差異以及長期氣候變化，因此對氣溶膠分布的實時測量就顯得尤為重要，氣溶膠的主要來源是人類活動的揚塵和燃燒排放等，絕大部分含量集中于邊界層內。

相關技術中，對于大氣氣溶膠的測量是通過激光雷達實現的，具體是以激光器為發射源，其中，激光雷達信號光束垂直向上發射，經氣溶膠散射后被接收器接收，利用激光雷達信號光束與大氣中存在的空氣分子和氣溶膠粒子間的互相作用來實現對大氣光學與物理特性的測量，以及大氣氣象的主動遙感探測(除了激光雷達的遙感測量以外，主要是光學粒子計數器，納米粒徑譜儀等，其缺點是必需局地采樣進行檢測)，以及包括有飛行等軍事和民用活動的測量應用場景。

然而氣溶膠測量中的一個主要影響是它們受到大的時間和空間波動，這使得預測不可能并且點測量不充分。因此，在其影響可能至關重要的應用中，通常需要在感興趣的完整空間域上連續監測氣溶膠，例如，由于高度發生的重要變化，盡可能在一個激光發射的周期被測量更多高度范圍的氣溶膠光學散射特性。

激光雷達長期以來被提出用于遠程測量大氣參數，因為其光學結構的制約，激光雷達技術在氣溶膠的測量性上本身具有一定的局限性，不能兼顧遠、近距離的測量需要，尤其是不能滿足從極短距離開始、全空域覆蓋探測的需要。

現有的激光雷達氣溶膠測量包括了多種測量方案，例如，專利申請號為201410253958.1的專利文獻全光纖激光雷達氣溶膠探測裝置，公開了一種全光纖激光雷達氣溶膠探測裝置，其包括有信號發射通道，用于發出激光信號，信號接收通道，用于接收發出的激光信號以及接收激光信號出射到大氣中所產生回波信號，信號處理通道，用于將回波信號轉化為電信號并進行分析處理，信號發射通道、信號接收通道和信號處理通道為全光纖結構，采用全光纖結構，能夠實現高達20kHz，皮瓦量級的信號探測，提高時空分辨率。

專利申請號為202010828354.0的文獻公開了一種基于CCD側向探測的氣溶膠激光雷達系統，采用多塊以不同高度并排放置的柱面鏡同時接收不同高度段的大氣氣溶膠信息，由多塊柱面鏡代替傳統的單個鏡頭，CCD可探測到代表多個高度段的多條并排光束，從而實現在保證探測高度范圍的前提下提高探測的空間分辨率，同時避免底層和高層由于魚眼鏡頭畸變造成的精度降低。

專利申請號為202010553916.5的文獻公開了一種用于大氣氣溶膠探測的轉動拉曼分光系統及分光方法，其通過光纖、光纖法蘭傳導激光雷達中望遠鏡接收到的大氣回波信號，經準直器后以準直光射出，濾除950nm以下的光束，之后通過光柵、長焦距透鏡和帶孔反射鏡將光束中的信號分離，實現近紅外1064nm波段氣溶膠的獨立精細探測。