基于干涉光譜鑒頻器的多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于干涉光譜鑒頻器的多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)。本發(fā)明不同于傳統(tǒng)HSRL系統(tǒng)必須采用單縱模激光器的工作條件，本發(fā)明提出的HSRL能在采用多縱模激光器作為發(fā)射光源的情況下工作。它巧妙利用干涉光譜鑒頻器光譜鑒頻曲線具有周期性的特點(diǎn)，只要將其鑒頻曲線周期設(shè)計(jì)得和激光器縱模間隔相匹配，則干涉光譜鑒頻器會(huì)對(duì)所有縱模的頻率中心產(chǎn)生同樣的抑制效果，從而達(dá)到和單縱模工作時(shí)一樣的光譜分離目的。所提出的多縱模HSRL系統(tǒng)將能顯著降低HSRL對(duì)單縱模激光器的依賴，既可以減少激光器的成本、體積和重量，又大大提升了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)我國(guó)機(jī)載和星載HSRL載荷的研制具有非常重要的意義。
【專利說明】
基于干潰光譜鑒頻器的多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于大氣氣溶膠遙感激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于干設(shè)光譜鑒 頻器的多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高光譜分辨率激光雷達(dá)化SRL)是大氣氣溶膠精確遙感的重要工具。通常的HS化向 被遙感大氣發(fā)射極窄帶光譜的高能量激光脈沖，并采用具有高光譜分辨能力的光譜鑒頻器 分離大氣回波信號(hào)中的氣溶膠米散射成分和大氣分子瑞利散射成分，從而不需要對(duì)大氣激 光雷達(dá)比做假設(shè)即可反演出大氣氣溶膠后向散射系數(shù)、消光系數(shù)等重要光學(xué)參數(shù)。目前的 HS化系統(tǒng)均需采用單縱模激光W保證大氣回波具有較窄的頻譜W實(shí)現(xiàn)精細(xì)的光譜分離。具 體來說，在532nm波段采用艦吸收池作為高光譜鑒頻器。由于艦吸收譜線在53化m附近最寬 處為~GHz,故不允許大氣回波譜線具有多個(gè)氣溶膠散射峰。而在355nm波段采用FP標(biāo)準(zhǔn)具 作為光譜鑒頻器時(shí)，完全沿用了艦吸收池的使用方式。
[0003] 除了 W上介紹的兩種常見光譜鑒頻器外，美國(guó)NASA提出的視場(chǎng)展寬邁克爾遜干設(shè) 儀(FWMI)鑒頻器相比于FP標(biāo)準(zhǔn)具鑒頻器具有更大的視場(chǎng)角，較小的口徑及較低的加工要 求。同時(shí)，F(xiàn)WMI還能用于任意服化波段，有望解決近紅外HS化光譜鑒頻的困難。目前，F(xiàn)WMI已 用于構(gòu)建53化m波段的HS化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但其使用的方式仍然和傳統(tǒng)的艦分子吸收鑒頻器W 及FP標(biāo)準(zhǔn)具相同，即需要使用窄帶單縱模激光作為發(fā)射光源。
[0004] 然而，要做到理想的單縱模激光輸出，目前大都采用代價(jià)高昂的種子注入鎖定技 術(shù)。運(yùn)樣的激光系統(tǒng)不僅體積龐大，而且需要對(duì)諧振腔的腔長(zhǎng)及脈沖建立時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行 精確控制，環(huán)境適應(yīng)性較差，運(yùn)對(duì)HS化儀器的機(jī)載和艦載是極為不利的。如何降低HS化系統(tǒng) 對(duì)激光器的嚴(yán)苛要求是目前擺在激光雷達(dá)領(lǐng)域的重要問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出了一種基于干設(shè)光譜鑒頻器的多縱模HS化。不同于傳 統(tǒng)HS化系統(tǒng)必須采用單縱模激光器的工作條件，本發(fā)明提出的HS化能在采用多縱模激光器 作為發(fā)射光源的情況下工作。它巧妙利用干設(shè)光譜鑒頻曲線具有周期性的特點(diǎn)，只要將干 設(shè)鑒頻曲線周期設(shè)計(jì)得和激光器縱模間隔相匹配，則鑒頻器會(huì)對(duì)所有縱模的頻率中屯、產(chǎn)生 同樣的抑制效果，從而達(dá)到和單縱模工作時(shí)一樣的光譜分離目的。由于多縱模激光器在系 統(tǒng)穩(wěn)定性、加工成本W(wǎng)及體積小型化等方面均具有顯著的優(yōu)勢(shì)，且制造技術(shù)非常成熟，因此 本技術(shù)方案的提出將會(huì)極大降低HS化系統(tǒng)中對(duì)激光器的嚴(yán)苛要求，對(duì)HS化技術(shù)的推廣和發(fā) 展意義重大。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：
[0007] 基于干設(shè)光譜鑒頻器的多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)，包括多縱模激光器、第一 折轉(zhuǎn)反射鏡、激光擴(kuò)束鏡、望遠(yuǎn)鏡、小孔光闊、準(zhǔn)直透鏡、第二折轉(zhuǎn)反射鏡、前置處理光路、分 光棱鏡、第一匯聚透鏡、第一光電探測(cè)器、干設(shè)光譜鑒頻器、第二匯聚透鏡和第二光電探測(cè) 器。
[000引多縱模激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一折轉(zhuǎn)反射鏡反射后，由激光擴(kuò)束鏡擴(kuò)束并射入 大氣。大氣中的氣溶膠粒子和大氣分子會(huì)向后散射沿途穿過的激光，且散射能量被望遠(yuǎn)鏡 接收。望遠(yuǎn)鏡接收到的能量經(jīng)過小孔光闊W限制散射光視場(chǎng)角，最后被準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直。之 后，光能量被第二折轉(zhuǎn)反射鏡導(dǎo)入前置處理光路做相關(guān)處理(例如濾除太陽背景光、偏振分 光等）。經(jīng)過前置處理后的光能最終透過分光棱鏡進(jìn)入干設(shè)光譜鑒頻器。
[0009] 干設(shè)光譜鑒頻器會(huì)將入射光能分成兩部分出射。其中從干設(shè)光譜鑒頻器反射回來 的能量被分光棱鏡反射后再被第一匯聚透鏡匯聚到第一光電探測(cè)器上(稱為氣溶膠通道）； 從干設(shè)光譜鑒頻器透射出來的能量則被第二匯聚透鏡匯聚到第二光電探測(cè)器上(稱為分子 通道）。兩個(gè)光電探測(cè)器上的信號(hào)包括了大氣散射參數(shù)的全部信息，經(jīng)過如下反演方法即可 得到大氣后向散射系數(shù)、光學(xué)厚度等光學(xué)屬性：
[0010] 首先列m氣溶膠通道巧分子通道的激化雷達(dá)方程為
[0011]
(1)
[001^ 其中，Bi為常數(shù)因子、距離、重疊因子校正的回波信號(hào)（i=A表示氣溶膠，i=M表示 分子，后同），權(quán)為氣溶膠或大氣分子后向散射系數(shù)，T為光學(xué)厚度。Ta-A為干設(shè)光譜鑒頻器氣 溶膠通道的氣溶膠信號(hào)透過率，Tm-A為干設(shè)光譜鑒頻器氣溶膠通道的大氣分子信號(hào)透過率， Ta-M為干設(shè)光譜鑒頻器分子通道的氣溶膠信號(hào)透過率，Tm-M為干設(shè)光譜鑒頻器分子通道的大 氣分子信號(hào)透過率。根據(jù)能量守恒，顯然有
[001引 Ta-A+Ta-M二 Tm-A+Tm-M二 C ( 2 )
[0014] 其中常數(shù)C為考慮干設(shè)光譜鑒頻器光學(xué)元件對(duì)能量的吸收效應(yīng)后的總透過率（即C =1-吸收率）。根據(jù)式(1)，可W得到大氣總后向散射系數(shù)0的反演表達(dá)式
[0015]
(3)
[0016] 其中Ra = e/em=(ea+em)/0m為氣溶膠后向散射比，用于表征大氣氣溶膠負(fù)載狀態(tài)，K = Ba/Bm為兩探測(cè)通道信號(hào)比。得到了后向散射系數(shù)后，由式(1)即容易得到光學(xué)厚度表達(dá)式 為
[0017]
(4)：
[001引上述多縱模服化得W工作的核屯、是所采用的干設(shè)光譜鑒頻器的自由光譜范圍FSR 同所采用的多縱模激光器的縱模間隔相等且干設(shè)光譜鑒頻器的諧振頻率需要調(diào)整得和激 光器各個(gè)縱模對(duì)齊。運(yùn)里，干設(shè)光譜鑒頻器可W選擇邁克爾遜類型的干設(shè)儀，如FWMI;也可 W選擇FP標(biāo)準(zhǔn)具。如選擇FWMI，則要求所采用的FWMI自由光譜范圍FSR同多縱模激光器的縱 模間隔偏差不大于0 . OlGHz，諧振頻率需要調(diào)整得和激光器各個(gè)縱模偏差不大于0.03G化； 如選擇FP標(biāo)準(zhǔn)具，則要求所采用的FP標(biāo)準(zhǔn)具自由光譜范圍FSR同多縱模激光器的縱模間隔 偏差不大于0.0 OlG化，諧振頻率需要調(diào)整得和激光器各個(gè)縱模偏差不大于0.005G化。
[0019] 本發(fā)明有益效果如下：
[0020] 本發(fā)明采用多縱模激光器構(gòu)建HS化系統(tǒng)，極大減輕了服化技術(shù)對(duì)激光器的苛刻要 求，對(duì)HS化激光器的國(guó)產(chǎn)化和低成本化具有重大意義。更重要的是，目前要做到完全的單縱 模輸出，激光器大都采用種子注入技術(shù)，導(dǎo)致激光系統(tǒng)體積非常龐大，運(yùn)對(duì)HS化儀器的機(jī)載 或星載是極為不利的。而如果能采用多縱模激光器作為HS化發(fā)射光源，既能實(shí)現(xiàn)激光系統(tǒng) 的小型化，同時(shí)不需要對(duì)諧振腔的精密控制，極大地提高了激光器的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性， 對(duì)研制HS化載荷具有很大的促進(jìn)作用。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明裝置示意圖；
[0022] 圖2是FWMI干設(shè)光譜鑒頻器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖3是在多縱模服化系統(tǒng)中，F(xiàn)WMI對(duì)多縱模激光回波信號(hào)的光譜分離示意圖；
[0024] 圖4是在多縱模服化系統(tǒng)中，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)多縱模激光回波信號(hào)的光譜分離示意圖；
[0025] 圖中，多縱模激光器1、第一折轉(zhuǎn)反射鏡2、激光擴(kuò)束鏡3、望遠(yuǎn)鏡4、小孔光闊5、準(zhǔn)直 透鏡6、第二折轉(zhuǎn)反射鏡7、前置處理光路8、分光棱鏡9、第一匯聚透鏡10、第一光電探測(cè)器 11、干設(shè)光譜鑒頻器a、第二匯聚透鏡12W及第二光電探測(cè)器13。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0027] 如圖1所示，基于干設(shè)光譜鑒頻器的多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)，包括多縱模激 光器1、第一折轉(zhuǎn)反射鏡2、激光擴(kuò)束鏡3、望遠(yuǎn)鏡4、小孔光闊5、準(zhǔn)直透鏡6、第二折轉(zhuǎn)反射鏡 7、前置處理光路8、分光棱鏡9、第一匯聚透鏡10、第一光電探測(cè)器11、干設(shè)光譜鑒頻器a、第 二匯聚透鏡12W及第二光電探測(cè)器13。
[0028] 多縱模激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過第一折轉(zhuǎn)反射鏡2反射后，由激光擴(kuò)束鏡3擴(kuò)束并 射入大氣。大氣中的氣溶膠粒子和大氣分子會(huì)向后散射沿途穿過的激光，且散射能量被望 遠(yuǎn)鏡4接收。望遠(yuǎn)鏡4接收到的能量經(jīng)過小孔光闊5W限制散射光視場(chǎng)角，最后被準(zhǔn)直透鏡6 準(zhǔn)直。之后，光能量被第二折轉(zhuǎn)反射鏡7導(dǎo)入前置處理光路8做相關(guān)處理(例如濾除太陽背景 光、偏振分光等）。經(jīng)過前置處理光路8處理后的光能最終透過分光棱鏡9進(jìn)入干設(shè)光譜鑒頻 器a。
[0029] 干設(shè)光譜鑒頻器a會(huì)將入射光能分成兩部分出射。其中從干設(shè)光譜鑒頻器a反射回 來的能量被分光棱鏡9反射后再被第一匯聚透鏡10匯聚到第一光電探測(cè)器11上(稱為氣溶 膠通道）；從干設(shè)光譜鑒頻器a透射出來的能量則被第二匯聚透鏡12匯聚到第二光電探測(cè)器 13上(稱為分子通道）。兩個(gè)光電探測(cè)器上的信號(hào)包括了大氣散射參數(shù)的全部信息，經(jīng)過如 下反演方法即可得到大氣后向散射系數(shù)、光學(xué)厚度等光學(xué)屬性：
[0030] 首先列出氣溶膠通道和分子通道的激光雷達(dá)方程為
[0031]
(1)
[0032] 其中，Bi為常數(shù)因子、距離、重疊因子校正的回波信號(hào)Q=A表示氣溶膠，i=M表示 分子，后同），扣為氣溶膠或大氣分子后向散射系數(shù)，T為光學(xué)厚度。Ta-A為干設(shè)光譜鑒頻器a 氣溶膠通道的氣溶膠信號(hào)透過率，Tm-A為干設(shè)光譜鑒頻器a氣溶膠通道的大氣分子信號(hào)透過 率，Ta-M為干設(shè)光譜鑒頻器a分子通道的氣溶膠信號(hào)透過率，Tm-M為干設(shè)光譜鑒頻器a分子通 道的大氣分子信號(hào)透過率。根據(jù)能量守恒，顯然有
[003；3] Ta-A+Ta-M = Tm-A+Tm-M = C (2)
[0034]其中常數(shù)C為考慮干設(shè)光譜鑒頻器a光學(xué)元件對(duì)能量的吸收效應(yīng)后的總透過率(即 C=I-吸收率）。根據(jù)式(1)，可W得到大氣總后向散射系數(shù)0的反演表達(dá)式
[003引
頓
[0036] 其中Ra = IVPm=(把+0。)/0。為氣溶膠后向散射比，用于表征大氣氣溶膠負(fù)載狀態(tài)，K = Ba/Bm為兩探巧幡道信號(hào)比。得到了后向散射系數(shù)后，由式(1)即容易得到光學(xué)厚度表達(dá)式 為
[0037]
(4)
[0038] 上述多縱模HS化得W工作的核屯、是所采用的干設(shè)光譜鑒頻器a的自由光譜范圍 FSR同所采用的多縱模激光器1的縱模間隔相等且干設(shè)光譜鑒頻器a的諧振頻率需要調(diào)整得 和激光器各個(gè)縱模對(duì)齊。運(yùn)里，干設(shè)光譜鑒頻器a可W選擇邁克爾遜類型的干設(shè)儀，如FWMI; 也可W選擇FP標(biāo)準(zhǔn)具。如選擇FWMI，則要求所采用的FWMI自由光譜范圍FSR同多縱模激光器 1的縱模間隔偏差不大于0.0 lG化，諧振頻率需要調(diào)整得和激光器各個(gè)縱模偏差不大于 0.03GHz ;如選擇FP標(biāo)準(zhǔn)具，則要求所采用的FP標(biāo)準(zhǔn)具自由光譜范圍FSR同多縱模激光器1的 縱模間隔偏差不大于0.0 OlG化，諧振頻率需要調(diào)整得和激光器各個(gè)縱模偏差不大于 0.005細(xì)Z。
[0039] 所提出的多縱模HS化系統(tǒng)將能顯著降低HS化對(duì)單縱模激光器的依賴，既節(jié)省了激 光器的成本、體積和重量，又大大提升了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)我國(guó)機(jī)載和艦載HS化載荷的 研制具有非常重要的意義。
[0040] 實(shí)施例
[0041] 圖1中，多縱模激光器1采用縱模間隔和縱模寬度滿足要求的激光器即可。縱模間 隔應(yīng)根據(jù)所要建立的HS化系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)而定，一般應(yīng)和對(duì)應(yīng)波段的分子瑞利散射譜的譜 寬在同一量級(jí)，例如在常用的激光波段中，l〇64nm波段推薦采用2G化，532nm波段推薦采用 3G化，355nm波段推薦采用4G化?？v模寬度最好小于150MHz。例如可W選擇長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)公司 化-X-P系列的多縱模光纖激光器。
[0042] 第一折轉(zhuǎn)反射鏡2和第二折轉(zhuǎn)反射鏡7采用普通抗強(qiáng)激光反射鏡即可，例如北京大 恒公司的GCC-IOl043，直徑38. Imm;
[0043] 激光擴(kuò)束鏡3采用普通擴(kuò)束器即可，例如北京大恒公司的GC0-141602型號(hào)擴(kuò)束鏡， 6倍擴(kuò)束；
[0044] 望遠(yuǎn)鏡4可采用反射式、折反式等通用望遠(yuǎn)鏡，例如米德公司生產(chǎn)的250mm卡塞格 林望遠(yuǎn)鏡；
[0045] 小孔光闊5可W采用thorlabs公司的SM1D12C光闊；
[0046] 準(zhǔn)直透鏡6采用一般的平凸透鏡即可，如thorlabs公司LA1509;
[0047] 前置處理系統(tǒng)8中，一般加入一塊干設(shè)濾光片即可滿足要求，如thorlabs公司 化532-1;如果需要探測(cè)氣溶膠的退偏特性，則還需要在前置處理系統(tǒng)中加入偏振分光元 件，如thorlabs 公司 PBS25-532;
[004引分光棱鏡9可采用普通分光棱鏡，如肥WPORT公司10FC16PB. 3型號(hào)分光棱鏡，口徑 25.4mm；
[0049] 第一匯聚透鏡10和第二匯聚透鏡12采用常見的雙凸透鏡，例如thorlabs公司 LB1027-A；
[0050] 第一光電探測(cè)器11和第二光電探測(cè)器13為同一型號(hào)的光電探測(cè)器件，可W選用高 速響應(yīng)和高靈敏度的光電二極管或光電倍增管，例如日本濱松公司的R6358型號(hào)光電倍增 管。
[0051] 干設(shè)光譜鑒頻器a可W采用FP標(biāo)準(zhǔn)具，也可W采用FWMI。如采用FP標(biāo)準(zhǔn)具干設(shè)光譜 鑒頻器，可W直接購(gòu)買商用的標(biāo)準(zhǔn)具產(chǎn)品，如美國(guó)化orlabs公司的化b巧-parot干設(shè)儀系 列；如果采用FWMI干設(shè)光譜鑒頻器，則需要自行設(shè)計(jì)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。它包含分光棱 鏡曰1、玻璃臂曰2、空氣臂反射鏡曰3 W及壓電陶瓷曰4。分光棱鏡al是一個(gè)普通1英寸50:50非偏 振分光棱鏡，如NEWPORT公司10FC16PB. 3型號(hào)分光棱鏡;玻璃臂a2為1英寸圓柱體，且末端鍛 高反膜，其材料和長(zhǎng)度需要計(jì)算得到;空氣臂反射鏡a3為普通的高反鏡，如北京大恒公司的 GCC-101043,直徑38.1臟;壓電陶瓷曰4可^選擇肥胖?01?1'公司肥〔356型號(hào)的壓電晶體微位移 器，進(jìn)行X、Y兩方向的傾斜和軸向的平移;空氣臂反射鏡曰3固定在壓電陶瓷曰4上隨著壓電陶 瓷的運(yùn)動(dòng)而傾斜或者平動(dòng);空氣臂反射鏡a3距離分光棱鏡al的間距也需要計(jì)算得到。
[0052] 計(jì)算FWMI光譜鑒頻器a的玻璃臂曰2的長(zhǎng)度和空氣臂反射鏡曰3到分光棱鏡al距離的 方法如下：
[0053] 首先需要選取FWMI的自由光譜范圍FSR，即應(yīng)保持FSR同所用激光器的縱模間隔相 同（相差小于0.0 lG化）。根據(jù)選定的FSR即可求出FWMI的固有光程差FOPD
[0054] F0PD = c/FSR (1)
[0055] 其中，C為光速。之后需要選定FWMI玻璃壁a2所用的材料，一般應(yīng)選擇方便加工且 容易獲取的玻璃材料，如烙石英等。選定玻璃材料后，通過如下兩式聯(lián)立方程即可解算出玻 璃壁曰2的長(zhǎng)度，W及空氣臂反射鏡曰3到分光棱鏡al的距離。
[0056] 城 [0化7]
[005引其中目t是一個(gè)固定角度參數(shù)，一般選擇一個(gè)比較小的角度(不大于1.5度）；山是所 需要求的玻璃壁曰2的長(zhǎng)度，m是所選玻璃壁材料的折射率;Cb是所需要求的空氣臂反射鏡曰3 到分光棱鏡al的距離，ri2是空氣的折射率。
[0059]作為FWMI設(shè)計(jì)的一個(gè)例子，可W選擇玻璃H-ZF52作為玻璃壁曰2的材料，其折射率 ni = 1.8584@532nm;空氣的折射率112 = 1.0002@532皿。選取目t= 1.5°，自由光譜范圍FSR要求 為3GHz，則可W解出di = 37.876mm，d2 = 20.3821mm。根據(jù)計(jì)算得到的參數(shù)，加工完玻璃材料 之后，按照?qǐng)D2裝配即可得到FWMI干設(shè)光譜鑒頻器。
[0060] 圖3示出了FWMI干設(shè)光譜鑒頻器在多縱模HS化系統(tǒng)中的光譜鑒頻特性。圖中畫出 的激光回波光譜由11個(gè)單縱模回波疊加而成。可見，多縱模HS化技術(shù)的核屯、就是將FWMI光 譜鑒頻器的自由光譜范圍FSR設(shè)計(jì)得和多縱模激光頻率間隔相匹配，運(yùn)樣各縱模的回波譜 均被FWMI做相同程度的抑制，從而實(shí)現(xiàn)在多縱模使用時(shí)的精細(xì)光譜分離。
[0061] 同圖3類似，圖4示出了 FP標(biāo)準(zhǔn)具干設(shè)光譜鑒頻器在多縱模HS化系統(tǒng)中的光譜鑒頻 特性。FP標(biāo)準(zhǔn)具干設(shè)光譜鑒頻器同F(xiàn)WMI干設(shè)光譜鑒頻器除了鑒頻曲線形狀不同外，它們?cè)?多縱模服化中的工作原理和所起到的作用是完全一致的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于干涉光譜鑒頻器的多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)，其特征在于包括多縱模激光 器、第一折轉(zhuǎn)反射鏡、激光擴(kuò)束鏡、望遠(yuǎn)鏡、小孔光闌、準(zhǔn)直透鏡、第二折轉(zhuǎn)反射鏡、前置處理 光路、分光棱鏡、第一匯聚透鏡、第一光電探測(cè)器、干涉光譜鑒頻器、第二匯聚透鏡和第二光 電探測(cè)器； 多縱模激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一折轉(zhuǎn)反射鏡反射后，由激光擴(kuò)束鏡擴(kuò)束并射入大 氣；大氣中的氣溶膠粒子和大氣分子會(huì)向后散射沿途穿過的激光，且散射能量被望遠(yuǎn)鏡接 收;望遠(yuǎn)鏡接收到的能量經(jīng)過小孔光闌以限制散射光視場(chǎng)角，最后被準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直;之后， 光能量被第二折轉(zhuǎn)反射鏡導(dǎo)入前置處理光路做相關(guān)處理;經(jīng)過前置處理后的光能最終透過 分光棱鏡進(jìn)入干涉光譜鑒頻器； 干涉光譜鑒頻器會(huì)將入射光能分成兩部分出射;其中從干涉光譜鑒頻器反射回來的能 量被分光棱鏡反射后再被第一匯聚透鏡匯聚到第一光電探測(cè)器上，稱為氣溶膠通道;從干 涉光譜鑒頻器透射出來的能量則被第二匯聚透鏡匯聚到第二光電探測(cè)器上，稱為分子通 道;兩個(gè)光電探測(cè)器上的信號(hào)包括了大氣散射參數(shù)的全部信息，經(jīng)過如下反演方法即可得 到大氣后向散射系數(shù)、光學(xué)厚度等光學(xué)屬性： 首先列出氣溶膠通道和分子通道的激光雷達(dá)方程為(1) 其中，B1為常數(shù)因子、距離、重疊因子校正的回波信號(hào)（i=A表示氣溶膠，i=M表示分子， 后同），隊(duì)為氣溶膠或大氣分子后向散射系數(shù)，τ為光學(xué)厚度;Ta-A為干涉光譜鑒頻器氣溶膠 通道的氣溶膠信號(hào)透過率，T m-A為干涉光譜鑒頻器氣溶膠通道的大氣分子信號(hào)透過率，Ta-M 為干涉光譜鑒頻器分子通道的氣溶膠信號(hào)透過率，Tm-M為干涉光譜鑒頻器分子通道的大氣 分子信號(hào)透過率:根據(jù)能暈守恒，顯然有(2) 其中常數(shù)C為考慮干涉光譜鑒頻器光學(xué)元件對(duì)能量的吸收效應(yīng)后的總透過率，即C=I-吸收率;根據(jù)式(1 )，可以得到大氣總后向散射系數(shù)邱勺反演表達(dá)式(3) 其中Ra = WPm= (&+βω)/βω為氣溶膠后向散射比，用于表征大氣氣溶膠負(fù)載狀態(tài)，K = Βα/Βμ為兩探測(cè)通道信號(hào)比;得到了后向散射系數(shù)后，由式(1)即容易得到光學(xué)厚度表達(dá)式為⑷。2. 如權(quán)利要求1所述的基于干涉光譜鑒頻器的多縱模HSRL，其特征在于它可以使用多 縱模激光器作為HSRL發(fā)射光源，并使用干涉光譜鑒頻器作為多縱?；夭ü庾V鑒頻器。3. 如權(quán)利要求1所述的基于干涉光譜鑒頻器的多縱模HSRL，其特征在于干涉光譜鑒頻 器采用視場(chǎng)展寬邁克爾遜干涉儀或FP標(biāo)準(zhǔn)具。4. 如權(quán)利要求1所述的基于干涉光譜鑒頻器的多縱模HSRL，其特征在于所采用的干涉 光譜鑒頻器的自由光譜范圍FSR同所采用的多縱模激光器的縱模間隔相等且干涉光譜鑒頻 器的諧振頻率需要調(diào)整得和激光器各個(gè)縱模對(duì)齊。
【文檔編號(hào)】G01S17/95GK106019312SQ201610631258
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月4日
【發(fā)明人】劉 東, 楊甬英, 成中濤, 劉崇, 白劍
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)