大气激光雷达的探测方法及装置与流程

本发明涉及大气遥感探测技术，特别涉及一种大气激光雷达的探测方法及装置。

背景技术：

目前，气象部门通常使用无线电气象探空仪测量大气温度，平流层至中间层的温度探测一般使用火箭探空和星载红外或微波辐射计。但是火箭探空费用昂贵，卫星遥感的垂直距离分辨率较低，因此激光雷达观测大气温度已在许多大气研究项目中得到重视，并取得了一定的研究进展。同样，大气激光雷达在大气风速测量，气溶胶分布研究等方面也具有独特的优势。然而，目前的大气激光雷达探测技术仍然存在一定的缺点，如：大气激光雷达的使用受环境影响较大，特别是白天大气温度的测量结果有待进一步提高，同时测量光谱中米散射的存在，也是影响大气激光雷达温度测量结果的重要因素。

技术实现要素：

为了提高大气激光雷达对大气各参数测量的准确性，本发明提供一种大气激光雷达探测的方法及装置，以适用于不同功能类型的激光雷达，利用塞曼效应和外差探测的方法实现对散射信号的鉴频及探测，有效的抑制背景噪声的干扰，提高光谱探测信噪比，实现大气激光雷达全天候的工作。

本发明采用以下的技术方案实现上述目的。一种大气激光雷达的探测方法，其特征在于，采用种子注入式脉冲激光器的种子光束经倍频后通过塞曼效应产生频率对称的双边频光束，两边频光束与大气激光雷达探测到的后向180^o散射信号在探测器中混频进行外差探测，获得对应频率处散射信号的频谱点，根据塞曼效应谱线裂距与磁场强度间的线性关系，调节塞曼效应发生装置中磁场的大小，改变两边频光束的频率间隔并再次与对应频率处的散射信号混频进行外差探测，实现整个频谱的对称式扫描，最终获得散射信号的整个光谱线型，进而根据相关的理论得到大气特性参数。

优选地，所述塞曼效应所产生的谱线裂距与磁场强度h间的线性关系，表达式为：

；

式中：e为电子电荷，m为电子质量，c为真空光速；通过改变磁场变化步长调节谱线裂距变化的大小，提高探测光谱的分辨率；同时塞曼效应产生相对于初始入射到塞曼效应发生装置中激光频率对称分布的双边频谱线，当磁场改变时实现对信号光谱的对称式同步鉴频扫描。

一种大气激光雷达的探测方法，适用于测风激光雷达、测温激光雷达或测量气溶胶激光雷达的探测。

一种大气激光雷达探测方法的装置，包括种子注入式脉冲激光器，所述种子注入式脉冲激光器与高精度延时装置相连，其输出的脉冲光束依次经激光扩束装置、全反射平面镜进入大气激发产生散射信号；所述种子注入式脉冲激光器的种子光束被第二平面分光镜分光，其透射光束经光束变换装置进入塞曼效应发生装置；所述第二平面分光镜的反射光束进入波长计，波长计与第一数据采集卡相连；种子注入式脉冲激光器，用于产生激发散射信号的脉冲光束和产生塞曼效应的种子光束；塞曼效应发生装置，用于产生作为参考光束的两道分裂光束；

所述塞曼效应发生装置通过偏振分光/控制装置分别出射两道光束，其中一道光束依次经过全反射平面镜与光合束镜反射，再透过依次设置的凸透镜、小孔光阑、凸透镜和凸透镜聚焦到第二探测器；所述塞曼效应发生装置出射的另一道光束依次经过全反射平面镜与光合束镜反射，透过依次设置的凸透镜、小孔光阑、凸透镜和凸透镜聚焦到第一探测器；所述偏振分光/控制装置，用于对所述塞曼效应发生装置出射光束偏振的控制，使经所述偏振分光/控制装置后的光束偏振态与所述散射信号偏振态一致；

所述塞曼效应发生装置经电流控制装置与计算机相连；所述散射信号依次经过望远镜系统、小孔光阑和凸透镜，再经过全反射平面镜反射透过窄带滤光片被第一平面分光镜分成透射光束和反射光束，该透射光束依次经光合束镜、凸透镜、小孔光阑、凸透镜和凸透镜聚焦到第二探测器；该反射光束经全反射平面镜反射后再依次透过光合束镜、凸透镜、小孔光阑、凸透镜、凸透镜聚焦到第一探测器；

所述第二探测器经第一带通滤波器和第二数据采集卡与计算机连接；所述第一探测器经第二带通滤波器和第三数据采集卡与计算机连接；所述第一数据采集卡、第二数据采集卡和第三数据采集卡的数据采集时间均由高精度延时装置控制。

优选地，所述塞曼效应发生装置包括全反射平面镜、平凹反射镜、倍频晶体、电磁铁和冷却控制系统；所述光束变换装置的光束进入塞曼效应发生装置中依次经过全反射平面镜、平凹反射镜和倍频晶体并垂直穿过电磁铁产生的磁感线，再进入偏振分光/控制装置；所述全反射平面镜位于平凹反射镜的焦平面处；倍频晶体，用于产生与所述种子注入式脉冲激光器发射脉冲光束频率相同的光束；所述电磁铁为上下两块且水平平行放置，两块电磁铁之间留有光束通过的缝隙；所述电磁铁连接有冷却控制系统并通过导线外接电流控制装置,所述冷却控制系统，用于控制所述电磁铁的温度，防止其温度过热；电流控制装置，用于控制所述电磁铁的电流，进而改变所述塞曼效应发生装置中磁场的大小，产生不同裂距的分裂光束。

优选地，所述塞曼效应发生装置出射的光束经偏振分光/控制装置中的1/4波片被偏振分光镜分成透射光束和反射光束，其透射光束依次经过第一偏振片和准直滤波装置出射；其反射光束依次经过全反射平面镜、第二偏振片和准直滤波装置出射；所述第一偏振片和第二偏振片均与偏振旋转控制器相连。

本发明利用塞曼效应边频谱线裂距与磁场之间严格的线性关系并结合外差探测方法，具有高探测信噪比、高准确性及高光谱分辨率的优点；适用于不同功能类型的激光雷达系统，而且可以实现全天候的大气参数测量；可以实现光谱频率的选择性探测，能够消除测温大气激光雷达中米散射对散射光谱的影响；能够实现对关于入射激光频率的对称或不对称分布光谱的同时扫描测量，降低了整个光谱的探测时间。

附图说明

图1是本发明大气激光雷达的探测装置的原理图；

图2是本发明中塞曼效应发生装置26的原理图；

图3是本发明中偏振分光及控制装置27的原理图；

图4是本发明探测空气在温度为294k，压强为1个大气压下的瑞利-布里渊散射光谱具体实例的曲线图；

图中：1.望远镜系统，2.9.21.小孔光阑，3.8.10.11.19.20.22.凸透镜，4.6.28.29.37.全反射平面镜，5.窄带滤光片，7.23.光合束镜，12.第一探测器，13.第二带通滤波器，14.第三数据采集卡，15.计算机，16.第二数据采集卡，17.第一带通滤波器，18.第二探测器，24.第一平面分光镜，25.电流控制装置；

26.塞曼效应发生装置，261.全反射平面镜，262.平凹反射镜，263.倍频晶体，264.电磁铁，265.冷却控制系统，266.导线；

27.偏振分光/控制装置，271.1/4波片，272.偏振分光镜，273.全反射平面镜，274.第一偏振片，275.第二偏振片，276.准直滤波装置，277.准直滤波装置，278.偏振旋转控制器；

30.高精度延时装置，31.光束变换装置，32.第一数据采集卡，33.波长计，34.第二平面分光镜，35.种子注入式脉冲激光器，36.激光扩束装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例子对本发明作进一步说明。参见图1所示，该装置包括望远镜系统1、小孔光阑2、9、21、透镜3、8、10、11、19、20、22、全反射平面镜4、6、28、29、37、窄带滤光片5、光合束镜7、23、第一、二探测器12、18、第一、二带通滤波器17、13、第一、二、三数据采集卡32、16、14、计算机15、第一、二平面分光镜24、34、电流控制装置25、塞曼效应发生装置26、偏振分光及控制装置27、高精度延时装置30、光束变换装置31、波长计33、种子注入式脉冲激光器35、激光扩束装置36；其中，塞曼效应发生装置26包括全反射镜261、平凹反射镜262、倍频晶体263、电磁铁264、冷却控制系统265；偏振分光及控制装置27包括1/4波片271、偏振分光镜272、全反射镜273、偏振片274、275、准直滤波装置276、277、偏振片旋转控制器278；光束变换装置31包括光束的准直滤波器及光束整形装置；

具体过程：种子注入式脉冲激光器35发出的脉冲光束经激光扩束装置36后被全反射镜37反射进入大气环境当中激发散射信号，同时将种子注入式脉冲激光器35的种子光束引出，该光束经第二平面分光镜34被分成两路，其中一路反射光束进入波长计33，波长数据由第一数据采集卡32采集并传输到计算机15用于对种子光束的频率监测，另一路透射光束经光束变换装置31整形滤波后进入塞曼效应发生装置26产生相对于入射光频率左右对称的分裂光束，具有左旋和右旋的圆偏振分裂光进入偏振分光及控制装置27实现光的偏振态的变换和不同偏振态的光束的分离及控制，分离后的光束分别被全反射平面镜28、29反射；脉冲光束激发的大气后向180^o散射信号由望远镜系统1收集后通过小孔光阑2滤波，透镜3准直，全反射平面镜4反射后进入窄带滤光片5滤除环境背景光的影响，然后散射信号被第一平面分光镜24分成两路，其中一路透射光在光合束镜23中与由塞曼效应分裂产生的其中一路光束进行合束，然后经透镜22，小孔光阑21，透镜20准直滤波后被透镜19聚焦到第二探测器18中对外差信号进行探测，探测到的信号经第一带通滤波器17后被第二数据采集卡16采集后传输到计算机15中进行存储；另一路反射光束经全反射平面镜6反射后在光合束镜7中与由塞曼效应分裂产生的另一路光束进行合束，然后经透镜8，小孔光阑9，透镜10准直滤波后被透镜11聚焦到第一探测器12中对外差信号进行探测，探测到的信号经第二带通滤波器13后被第三数据采集卡14采集后传输到计算机15中进行存储，最终实现对信号的探测记录。其中第一、二、三数据采集卡32、16、14的数据采集时间由高精度延时装置30精确控制，控制塞曼效应发生装置26的电流控制装置25具有手动控制和计算机15控制两种工作模式，且均具有电流大小的粗调和细调功能。

该探测装置具有较高的探测灵敏度、增益转换效率及探测信噪比，能够抑制背景噪声的影响，可实现大气激光雷达全天候的连续测量。

参见图2所示的塞曼效应发生装置26，经光束变换装置31变换后的光束进入塞曼效应发生装置26，被该装置中位于平凹反射镜262焦平面处的全反射平面镜261反射到平凹反射镜262上再次被反射，反射后的平行光束进入倍频晶体263进行倍频后进入由电磁铁264产生的磁场中发生塞曼效应，当光束直接从塞曼效应发生装置26最右侧入射时图2中水平方向的虚线，不需要全反射镜261和平凹反射镜262。其中电磁铁264产生与入射激光相垂直的纵向磁场图2中竖直方向虚线，电磁铁264上加有冷却控制系统265，磁场大小可由导线266外接到电流控制装置25进行精确控制。

参见图3所示的偏振分光及控制装置27，从塞曼效应发生装置26中出射的具有不同旋向的圆偏振光进入偏振分光及控制装置27中的1/4波片271后转化为偏振方向相互垂直的线偏振光，然后线偏振光经偏振分光镜272对不同偏振方向的光束进行分光，其中一路反射光束经全反射镜273进入第二偏振片275并被准直滤波装置277准直出射，另一路透射光束进入第一偏振片274并被准直滤波装置276准直出射。其中第一、二偏振片274、275的偏振方向可由偏振片旋转控制器278精确控制由图3中的虚线连接到偏振片旋转控制器278，偏振片旋转控制器278具有手动控制和计算机15控制两种工作模式，且均具有旋转精度的粗调与细调功能，在偏振片旋转控制器278的调节过程中可根据第一、二探测器12、18中探测信号的强弱对第一、二偏振片274、275的旋转角度进行优化实现最大的探测信噪比。

参见图4所示，图中虚线为空气在温度为294k，压强为1个大气压下的瑞利-布里渊散射光谱，为入射激光的频率，±为由塞曼效应引起的光谱分裂的频率裂距，分裂光束会随着磁场大小的变化而左右移动变化，实现对散射光谱的逐点式鉴频扫描，通过改变磁场变化的步长大小来改变探测光谱的分辨率。

本发明大气激光雷达探测的装置的控制方法如下：种子注入式脉冲激光器35要求种子激光的波长与脉冲激光的波长存在倍数关系，即脉冲激光的波长可由种子激光通过倍频晶体得到，如输出波长为1064nm的nd:yag激光器作为种子激光器，通过倍频晶体后变为532nm；同时，所述种子注入式脉冲激光器35的种子光束也作为塞曼效应发生装置26的种子光束，种子光束可为连续光可为脉冲光，当为脉冲光束时需要通过高精度延时装置30达到时间匹配的要求。所述高精度延时装置30采用美国斯坦福的数字延时触发器dg535，其具有4个独立的延时通道，5ps的延时分辨率，延时设置达1000s，当种子注入式脉冲激光器35出射脉冲光束时对数字延时触发器dg535产生一个触发信号，数字延时触发器dg535开始对第三、二、一数据采集卡14、16、32的数据采集时间进行延时控制，具体的延时时间根据实际所需探测信号的海拔高度确定；第三、二、一数据采集卡14、16、32采用p7882系列的计数卡，该计数卡含有512k的计数容量，每个计数单元容量为32比特，最大计数值为2³²，单组探测时长可根据需要设置；所述塞曼效应发生装置26中磁场的大小通过外接的电流控制装置25控制；所述电流控制装置25通过改变内部电阻的大小输出不同的电流进而使电磁铁264产生不同强度的磁场；所述电流控制装置25的输出电流由装在计算机15上的数据采集卡采集并由labwindowscvi实时显示；第一、二偏振片274、275的中轴上装有旋转马达，由马达带动第一、二偏振片274、275的旋转；所述偏振旋转控制器278通过单片机控制马达的旋转方向和速度，旋转方向和速度参数由计算机输入精细控制/手动选择控制，在探测某一高度的散射信号时，当第一、二偏振片274、275旋转到某一方向时，第一、二探测器12、18探测到的信号相对最强，该方向即为第一、二偏振片274、275的最佳方向；所述计算机15上装有对电流控制装置25输出电流采集的数据采集卡、对采集到的电流数据实时显示的labwindowscvi软件、与p7882系列计数卡相对应的mca-3采集控制/数据保存软件；调节电流控制装置25中输出电流的大小改变塞曼效应发生装置26中磁场的初始强度对光谱探测的频率范围进行选择，如通过改变磁场的初始强度使塞曼效应产生的边频谱线的频率大于具有窄线宽的米散射的频率范围来消除米散射对测量光谱的影响。

具体过程：种子注入式脉冲激光器35发出的脉冲光束经激光扩束装置36后，被全反射镜37反射进入大气环境当中激发散射信号，同时将种子注入式脉冲激光器35的种子光束引出，该光束经第二平面分光镜34被分成两路，其中一路反射光束进入波长计33，波长数据由第一数据采集卡32采集并传输到计算机15用于对种子光束的频率监测，另一路透射光束经光束变换装置31整形滤波后进入塞曼效应发生装置26产生相对于入射光频率左右对称的分裂光束，具有左旋和右旋的圆偏振分裂光进入偏振分光及控制装置27实现光的偏振态的变换和不同偏振态的光束的分离及控制，分离后的光束分别被全反射平面镜28、29反射；脉冲光束激发的大气后向180^o散射信号由望远镜系统1收集后通过小孔光阑2滤波，透镜3准直，全反射平面镜4反射后进入窄带滤光片5滤除环境背景光的影响，然后散射信号被第一平面分光镜24分成两路，其中一路透射光在光合束镜23中与由塞曼效应分裂产生的其中一路光束进行合束，然后经透镜22，小孔光阑21，透镜20准直滤波后被透镜19聚焦到第二探测器18中对外差信号进行探测，探测到的信号经第一带通滤波器17后被第二数据采集卡16采集后传输到计算机15中进行存储；另一路反射光束经全反射平面镜6反射后在光合束镜7中与由塞曼效应分裂产生的另一路光束进行合束，然后经透镜8，小孔光阑9，透镜10准直滤波后被透镜11聚焦到第一探测器12中对外差信号进行探测，探测到的信号经第二带通滤波器13后被第三数据采集卡14采集后传输到计算机15中进行存储，最终实现对信号的探测记录。其中第一、二、三数据采集卡32、16、14的数据采集时间由高精度延时装置30精确控制。

塞曼效应发生装置26中光束的传输：经光束变换装置31变换后的光束进入塞曼效应发生装置26，被该装置中位于平凹反射镜262焦平面处的全反射平面镜261反射到平凹反射镜262上再次被反射，反射后的平行光束进入倍频晶体263进行倍频后进入由电磁铁264产生的磁场中发生塞曼效应，当光束直接从塞曼效应发生装置26最右侧入射时，不需要全反射平面镜261和平凹反射镜262。其中电磁铁264产生与入射激光相垂直的纵向磁场，电磁铁264上加有冷却控制系统265，磁场大小可由导线266外接到电流控制装置25进行精确控制。

偏振分光及控制装置27对光的控制：从塞曼效应发生装置26中出射的具有不同旋向的圆偏振光进入偏振分光及控制装置27中的1/4波片271后转化为偏振方向相互垂直的线偏振光，然后线偏振光经偏振分光镜272对不同偏振方向的光束进行分光，其中一路反射光束经全反射平面镜273进入第二偏振片275并被准直滤波装置277准直出射，另一路透射光束进入第一偏振片274并被准直滤波装置276准直出射。其中第一、二偏振片274/275的偏振方向可由偏振片旋转控制器278精确控制,在偏振片旋转控制器278的调节过程中可根据第一、二探测器12、18中探测信号的强弱对第一、二偏振片274/275的旋转角度进行优化实现最大的探测信噪比。第一、二偏振片274/275也可由半波片改变入射线偏振光的振动面与晶体主截面之间的夹角、巴俾涅补偿器、索列尔补偿器等相位延时器及由电致旋光和磁致旋光效应制成的相关旋光器件替换。

当磁场强度变化时，由塞曼效应产生的两边频光束分别进行蓝移和红移，因此当被探测光谱关于入射激光频率对称时，如瑞利散射/瑞利-布里渊散射测温激光雷达得到的光谱，第一探测器12和第二探测器18得到的光谱彼此对称，通过光谱的叠加来提高光谱信噪比；当被探测光谱关于入射激光频率不对称时，如根据多普勒效应的测风激光雷达，第一探测器12和第二探测器18得到的光谱彼此不再对称，通过第一探测器12和第二探测器18的功率比得到大气中某一高度的风速大小。