一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统的制作方法

本发明属于高光谱激光雷达，特别是涉及一种马赫泽德干涉的宽视场海洋光学剖面探测激光雷达系统，能够对海洋的光学参数剖面进行探测。

背景技术：

1、激光与水体相互作用后会发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射包括米散射瑞利散射，这类散射的中心波长相对于原激光波长不发生频移，非弹性散射包括布里渊散射和拉曼散射，这类散射的中心波长相对于激光波长会发生一定的频移。由于水体的布里渊散射散射截面较大，回波能量较强，且布里渊散射信号的频谱信息与水体光学参数、温度、盐度强相关，因此布里渊海洋激光雷达能够用于反演水体参数。通常水体会引起蓝绿激光的布里渊频移量在7～8ghz，这种微小频移的测量属于高光谱分辨率激光雷达。高光谱分辨率激光雷达的核心部件是高精度鉴频器，常见的鉴频器包括原子分子蒸汽吸收池、fabry-pérot干涉仪、迈克尔逊干涉仪等。原子分子蒸汽吸收池根据特定原子或分子的吸收峰，对某些特定波长起到高光谱滤波效果，不能广泛适用于任意波长。

2、常规的fabry-pérot干涉仪、迈克尔逊干涉仪等采用光束干涉方式调整激光频谱的透过率，理论上可以对任意波长进行调制，但是对视场非常敏感，偏离最佳视场会降低干涉条纹的对比度而影响应用。视场展宽的迈克尔逊干涉仪提出了一种不受波长限制、大视场的解决方案，例如申请号为cn 103308926b的专利文件公开了基于视场展宽迈克尔逊干涉仪鉴频器的大气探测高光谱激光雷达，但这种迈克尔逊干涉仪结构使得一部分光经干涉后返回光源方向而不方便利用。

3、建立一种新型的宽视场高光谱分辨率激光雷达，不受波长限制、宽视场且有较高的能量利用率，能够拓展高光谱激光雷达的作用距离，在海洋激光雷达探测领域具有意义。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，不受波长限制、宽视场且具有较高的能量利用率，激光回波能量较强，能够提升海洋激光雷达光学参数剖面测量的作用距离。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，包括用于接受海水散射回的激光雷达回波信号的接收探测模块，接收探测模块包括马赫泽德干涉组件；马赫泽德干涉组件包括第一半反半透立方体棱镜、第二半反半透立方体棱镜、第一全反射棱镜、第二全反射棱镜、干涉臂；

4、入射光经过第一半反半透立方体棱镜得到反射光和透射光，反射光依次经过第一全反射棱镜、第二全反射棱镜反射，与透射光经第二半反半透立方体棱镜发生干涉后，分成两路。

5、所述第一半反半透立方体棱镜的透射出射面与第二半反半透立方体棱镜的入射面平行且相对；第一半反半透立方体棱镜的反射出射面与第一全反射棱镜的入射面平行且相对，第一全反射棱镜的出射面与第二全反射棱镜的入射面平行且相对，第二全反射棱镜的出射面与第二半反半透立方体棱镜的入射面平行且相对，两个半反半透立方体棱镜、为消偏振分光棱镜，分光膜与入射面呈45°放置，两个全反射棱镜、的截面为等腰直角三角形，入射面为直角边，与镀有全反射膜的斜边夹角45°。

6、所述第一半反半透立方体棱镜的反射出射面与第一全反射棱镜的入射面之间的干涉臂、第一全反射棱镜的出射面与第二全反射棱镜入射面之间的干涉臂、第二全反射棱镜的出射面与第二半反半透立方体棱镜的入射面之间的干涉臂均采用长方体玻璃填充；三段干涉臂选用相同的玻璃材质，三段干涉臂作为一个整体记作玻璃臂玻璃组件。

7、所述第一半反半透立方体棱镜的透射出射面与第二半反半透立方体棱镜的入射面之间的干涉臂为混合臂，混合臂为玻璃臂-空气隙混合结构，混合臂包括混合臂玻璃组件、混合臂空气隙；混合臂玻璃组件由长方体玻璃构成，一端与第一半反半透立方体棱镜的透射出射面紧密接触，另一端与第二半反半透立方体棱镜的入射面平行相对；混合臂玻璃组件的两端设置有增透膜。

8、综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

9、(1)能够在任意波长上使用，比原子分子滤波器有更广泛的波长工作范围；

10、(2)通过对马赫泽德干涉组件的干涉臂的材料组成及长度设计，实现了滤波视场的拓展，相对采用单一的视场补偿片来拓展视场方案，本发明借助多个玻璃组件进行参数优化，不仅视场扩展还具有更好的热稳定性。

11、(3)相比基于视场展宽迈克尔逊干涉仪仅有一个干涉输出端，本发明采用马赫泽德干涉组件有两个干涉输出端，通过两个干涉输出端互补处理，具有更高的能量利用率和更高的信噪比。

技术特征：

1.一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：包括用于接受海水散射回的激光雷达回波信号的接收探测模块，接收探测模块包括马赫泽德干涉组件(9)；马赫泽德干涉组件(9)包括第一半反半透立方体棱镜(14)、第二半反半透立方体棱镜(15)、第一全反射棱镜(16)、第二全反射棱镜(17)、干涉臂；

2.根据权利要求1所述的一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：所述第一半反半透立方体棱镜(14)的透射出射面(141)与第二半反半透立方体棱镜(15)的入射面(151)平行且相对；第一半反半透立方体棱镜(14)的反射出射面(142)与第一全反射棱镜(16)的入射面(161)平行且相对，第一全反射棱镜(16)的出射面(162)与第二全反射棱镜(17)的入射面(171)平行且相对，第二全反射棱镜(17)的出射面(172)与第二半反半透立方体棱镜(15)的入射面(152)平行且相对，两个半反半透立方体棱镜(14)、(15)为消偏振分光棱镜，分光膜与入射面呈45°放置，两个全反射棱镜(16)、(17)的截面为等腰直角三角形，入射面为直角边，与镀有全反射膜的斜边夹角45°。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：所述第一半反半透立方体棱镜(14)的反射出射面(142)与第一全反射棱镜(16)的入射面(161)之间的干涉臂(181)、第一全反射棱镜(16)的出射面(162)与第二全反射棱镜入射面(171)之间的干涉臂(182)、第二全反射棱镜(17)的出射面(172)与第二半反半透立方体棱镜(15)的入射面(152)之间的干涉臂(183)均采用长方体玻璃填充；三段干涉臂(181、182、183)选用相同的玻璃材质，三段干涉臂作为一个整体记作玻璃臂玻璃组件(18)。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：所述第一半反半透立方体棱镜(14)的透射出射面(141)与第二半反半透立方体棱镜(15)的入射面(151)之间的干涉臂为混合臂，混合臂为玻璃臂-空气隙混合结构，混合臂包括混合臂玻璃组件(19)、混合臂空气隙(20)；混合臂玻璃组件(19)由长方体玻璃构成，一端与第一半反半透立方体棱镜(14)的透射出射面(141)紧密接触，另一端与第二半反半透立方体棱镜(15)的入射面(151)平行相对；混合臂玻璃组件(19)的两端设置有增透膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：所述玻璃臂玻璃组件(18)、混合臂玻璃组件(19)的材料及尺寸通过以下步骤确定：

6.根据权利要求5所述的一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：所述马赫泽德干涉组件(9)正入射方向为第一半反半透立方体棱镜(14)的垂直入射方向。

7.根据权利要求1所述的一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：所述接收探测模块还包括接收探测模块包括望远镜(3)、窄带滤光片(4)、偏振分束器(5)、分束器(7)、四个光电探测器、数据高速采集单元(12)，海水水体散射回的激光雷达回波信号由望远镜收集，通过窄带滤光片(4)滤除背景散射光，经偏振分束器(5)分光得到p偏振回波信号和s偏振回波信号，p偏振回波信号被反射进入第一个光电探测器(6)，s偏振回波信号经分束器(7)分光，反射部分进入第二个光电探测器(8)，透射部分通过马赫泽德干涉组件(9)鉴频后分成两路由第三个光电探测器(10)和第四个光电探测器(11)接收；四个光电探测器的接收信号送至数据高速采集单元(12)进行采样转为数字信号，数字信号送至综合控制和数据处理模块(13)处理。

8.根据权利要求1或7所述的一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：所述综合控制和数据处理模块(13)将第三个光电探测器(10)和第四个光电探测器(11)获得的数据进行互补处理，作为海洋激光雷达系统的整体鉴频输出。

9.根据权利要求1或7所述的一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：还包括用于发射激光的激光发射模块，激光发射模块包括单频窄线宽窄脉宽激光器(1)、扩束镜(2)，单频窄线宽窄脉宽激光器(1)发射出激光、激光经过扩束镜(2)扩束后摄入海水；

10.根据权利要求5所述的一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，其特征在于：σ(θ0)作为干涉仪的固有光程差，入射角引入的光程差的变化量为δ(θ)＝σ(θ)-σ(θ0)；

技术总结
本申请公开了一种基于马赫泽德干涉的宽视场海洋激光雷达系统，属于高光谱激光雷达领域，包括激光发射模块、接收探测模块、综合控制和数据处理模块。接收探测模块的核心鉴频部件采用马赫泽德干涉组件，包括两个半反半透立方体棱镜、两个全反射棱镜与干涉臂；干涉臂有两路：一路在两个半反半透立方体棱镜间的短路径中插入玻璃臂‑空气隙混合结构，另一路在两个半反半透立方体棱镜间的长路径中分别插入三段玻璃臂，通过合理设计各玻璃臂的材料和长度，实现视场展宽的同时具有较好的热稳定性。马赫泽德干涉组件输出两路光场，经互补处理后具有较高的能量利用率和信噪比，能够拓展高光谱激光雷达的作用距离，在海洋激光雷达探测领域具有意义。

技术研发人员：杨颂,张景豪,雷子昂,沈振民,孙倩,郑永超,李同,杨孟婕,苏云,尚卫东
受保护的技术使用者：北京空间机电研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12