[发明专利]一种基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达

说明书

基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达,由窄线宽激光器、激光稳频系统、光学发射系统、光学接收系统、基于虚像相位阵列窄带光学滤波器、多通道光电探测系统、数据采集和处理系统构成。基于虚像相位阵列窄带光学滤波器由虚像相位阵列和衍射光栅构成，其输出为二维空间排列的光谱干涉条纹，可以直接分离大气气溶胶米散射和大气分子瑞利散射。基于虚像相位阵列虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达可以直接测量大气气溶胶米散射和大气分子瑞利散射，并获得高精度大气气溶胶和分子的光学参数。

技术领域

本发明涉及一种基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达，更具体地说属于一种以虚像相位阵列为窄带光学滤波器的高光谱分辨率大气激光雷达。

背景技术

高光谱分辨率大气激光雷达利用窄带光学滤波器可以直接分离大气气溶胶散射和大气分子散射，不用假设激光雷达比，从而获得高精度大气气溶胶和分子的光学参数。目前高光谱分辨率大气激光雷达采用的窄带光学滤波器包括法布里－珀罗（Fabry–Pérot）干涉仪、分子（原子）滤波器等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达，其中虚像相位阵列配合衍射光栅作为窄带光学滤波器。

虚像相位阵列是光学色散器件，可以将输入的线光源色散为空间排列的光谱干涉条纹。将虚像相位阵列输出的光谱耦合到匹配的衍射光栅中，则衍射光栅输出的是二维空间排列的光谱干涉条纹，每个光谱干涉条纹对应一个光学滤波器。

本发明包括窄线宽激光器、激光稳频系统、光学发射系统、光学接收系统、基于虚像相位阵列窄带光学滤波器、多通道光电探测系统、数据采集和处理系统，其特征在于，将窄线宽激光器的输出波长利用激光稳频系统锁定在基于虚像相位阵列窄带光学滤波器的一个干涉条纹上。利用光学发射系统将稳频的激光垂直发射到大气中，然后利用光学接收系统垂直接收大气回向散射，并耦合进基于虚像相位阵列窄带光学滤波器中；激光波长对应的干涉条纹可以滤出部分大气回向散射中的气溶胶米（Mie）散射和分子瑞利（Rayleigh）散射；激光波长两侧的干涉条纹分别可以滤出部分大气回波中的瑞利散射。利用多通道光电探测系统将滤出的米散射信号和瑞利散射转换成电信号，并导入数据采集和处理系统。

因为大气垂直方向的风速很小，本发明中忽略垂直风速引起的散射信号多普勒频移的影响。因为激光的大气米散射和瑞利散射模型精确可知，所以利用基于虚像相位阵列窄带光学滤波器滤出的米散射信号和多路瑞利散射信号，可以反演出大气米散射和瑞利散射强度，进而导出相应的大气气溶胶和分子的光学参数。

所采用激光器的特征是其引起的大气米散射线宽小于基于虚像相位阵列窄带光学滤波器的一个干涉条纹的光谱宽度。所采用基于虚像相位阵列窄带光学滤波器的特征是其自由光谱范围的两倍小于大气瑞利散射光谱宽度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1，本发明的基于虚像相位阵列窄带光学滤波器结构图

图2，本发明的基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达结构图

图3，本发明的基于虚像相位阵列窄带光学滤波器的光谱干涉条纹和大气瑞利和米散射光谱

图4，本发明的基于虚像相位阵列窄带光学滤波器滤出的大气米散射和瑞利散射信号