[发明专利]基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达

摘要

本发明公开了一种基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达。本发明不同于传统HSRL系统必须采用单纵模激光器的工作条件，本发明提出的HSRL能在采用多纵模激光器作为发射光源的情况下工作。它巧妙利用干涉光谱鉴频器光谱鉴频曲线具有周期性的特点，只要将其鉴频曲线周期设计得和激光器纵模间隔相匹配，则干涉光谱鉴频器会对所有纵模的频率中心产生同样的抑制效果，从而达到和单纵模工作时一样的光谱分离目的。所提出的多纵模HSRL系统将能显著降低HSRL对单纵模激光器的依赖，既可以减少激光器的成本、体积和重量，又大大提升了整个系统的稳定性，对我国机载和星载HSRL载荷的研制具有非常重要的意义。

主权项

基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达，其特征在于包括多纵模激光器、第一折转反射镜、激光扩束镜、望远镜、小孔光阑、准直透镜、第二折转反射镜、前置处理光路、分光棱镜、第一汇聚透镜、第一光电探测器、干涉光谱鉴频器、第二汇聚透镜和第二光电探测器；多纵模激光器发出的激光经过第一折转反射镜反射后，由激光扩束镜扩束并射入大气；大气中的气溶胶粒子和大气分子会向后散射沿途穿过的激光，且散射能量被望远镜接收；望远镜接收到的能量经过小孔光阑以限制散射光视场角，最后被准直透镜准直；之后，光能量被第二折转反射镜导入前置处理光路做相关处理；经过前置处理后的光能最终透过分光棱镜进入干涉光谱鉴频器；干涉光谱鉴频器会将入射光能分成两部分出射；其中从干涉光谱鉴频器反射回来的能量被分光棱镜反射后再被第一汇聚透镜汇聚到第一光电探测器上，称为气溶胶通道；从干涉光谱鉴频器透射出来的能量则被第二汇聚透镜汇聚到第二光电探测器上，称为分子通道；两个光电探测器上的信号包括了大气散射参数的全部信息，经过如下反演方法即可得到大气后向散射系数、光学厚度等光学属性:首先列出气溶胶通道和分子通道的激光雷达方程为$\begin{array}{c}{B}_A=(T_{a-A}{\mathrm{\β}}_a+T_{m-A}{\mathrm{\β}}_m)\exp (-2\mathrm{\τ})\\ B_M=(T_{a-M}{\mathrm{\β}}_a+T_{m-M}{\mathrm{\β}}_m)\exp (-2\mathrm{\τ})\end{array}---\left(1\right)$其中，B_i为常数因子、距离、重叠因子校正的回波信号(i＝A表示气溶胶,i＝M表示分子,后同)，β_i为气溶胶或大气分子后向散射系数，τ为光学厚度；T_a‑A为干涉光谱鉴频器气溶胶通道的气溶胶信号透过率，T_m‑A为干涉光谱鉴频器气溶胶通道的大气分子信号透过率，T_a‑M为干涉光谱鉴频器分子通道的气溶胶信号透过率，T_m‑M为干涉光谱鉴频器分子通道的大气分子信号透过率；根据能量守恒，显然有T_a‑A+T_a‑M＝T_m‑A+T_m‑M＝C             (2)其中常数C为考虑干涉光谱鉴频器光学元件对能量的吸收效应后的总透过率，即C＝1‑吸收率；根据式(1)，可以得到大气总后向散射系数β的反演表达式$\mathrm{\β}=R_a{\mathrm{\β}}_m=\frac{(T_{m-A}-T_{a-A})-K(T_{m-M}-T_{a-M})}{{\mathrm{KT}}_{a-M}-T_{a-A}}{\mathrm{\β}}_m---\left(3\right)$其中R_a＝β/β_m＝(β_a+β_m)/β_m为气溶胶后向散射比，用于表征大气气溶胶负载状态，K＝B_A/B_M为两探测通道信号比；得到了后向散射系数后，由式(1)即容易得到光学厚度表达式为$\mathrm{\τ}=-\frac{1}{2}log\[\frac{({\mathrm{KT}}_{a-M}-T_{a-A})B_M}{(T_{a-M}{T}_{m-A}-T_{m-M}{T}_{a-A}){\mathrm{\β}}_m}\]---\left(4\right).$