[发明专利]一种定标偏振激光雷达增益比的方法

说明书

本发明公开一种定标偏振激光雷达增益比的方法，具体是在偏振激光雷达接收系统中的偏振分光棱镜之前放置一片半波片；半波片的快轴可以任意朝向，分别记录此时偏振分光棱镜反射通道和透射通道探测器接收到的光强和将半波片绕入射光旋转45°，再次分别记录此时反射通道和透射通道探测器接收到的光强和将半波片旋转前后两个探测器接收到的光强代入即可得到偏振激光雷达的增益比G。该定标方法严格符合穆勒矩阵‑斯托克斯矢量理论，可以直接得到偏振激光雷达系统的增益比；该定标方法具有很好的鲁棒性，其定标结果不受发射激光非理想线偏振性、大气条件、位于半波片之前光学元件非理想偏振特性等的影响；该定标方法精度高而且操作极其简捷。

技术领域

本发明涉及偏振激光雷达定标，特别是一种定标偏振激光雷达增益比的方法。

背景技术

光与粒子相互作用而散射时，根据散射粒子的形状和大小(相对于发射激光波长)，后向散射光的偏振态将发生不同程度的改变，偏振激光雷达正是在这一背景下发展起来的。偏振激光雷达是一种主动遥感技术，它是大气及海洋探测的重要组成部分。偏振激光雷达能够分辨出被测区域的球形粒子和非球形粒子，显著提高粒子微物理性质的反演精度，还可以用来研究多重散射。偏振激光雷达的基本原理是发射一束高纯度的线偏振光，在接收光路中添加偏振分析器(一般是偏振分光棱镜)，使得回波信号中垂直偏振分量和平行偏振分量(相对于发射激光的偏振面)分离，最终被两个探测器分别记录。根据两通道探测器的强度比，可以得到被测大气的退偏信息进而推断出散射粒子的物理特性。然而，如果这两个探测通道的增益系数不相等，那么两探测器输出信号的强度比将不等于回波信号中两正交偏振分量的强度比，进而造成测量误差。大量研究表明，因两探测通道增益系数不同造成的测量误差是偏振激光雷达的主要误差源之一，因此需要对偏振激光雷达进行增益比定标。事实上，随着环境和时间的改变，探测器、电流放大器等的增益系数会随之变化，故增益比定标需要定期进行，这要求偏振激光雷达的增益比定标过程尽可能简单，且不受大气条件的限制。

目前定标偏振激光雷达增益比的方法很多，干净大气法是常用的增益比定标方法。通过选择一段合适的探测区域，并假定该区域内只含有大气分子。根据理论模型计算得到大气分子退偏比，进而归一化得到偏振激光雷达的增益比。然而，理想的干净大气很难存在，被测区域内出现少量的非球形粒子将对定标结果造成显著影响，而且大气分子退偏比的理论值本身也存在一定的不确定性，这导致干净大气法定标精度较低，易受大气条件的限制。NASA兰利研究中心提出在偏振激光雷达接收光路中的偏振分光棱镜之前放置一片半波片，不断旋转半波片，并实时记录两个探测通道得到的信号。通过非线性最小二乘法拟合，可以反演出大气退偏比。然而，该方法操作复杂，定标时间较长，不适用于被测大气快速变化的情况，尤其是星载激光雷达。鉴于此，NASA在2006年发射升空的Caliop中偏振激光雷达部分采用的增益比定标方法是在偏振分光棱镜之前插入退偏器，产生非偏振光，进而完成增益比定标。然而，退偏器的出射光往往并不是理想的非偏振光，依然会存在一定的偏振度，进而造成定标误差。M.McGill等提出在偏振分光棱镜之前放置一块半波片，首先旋转半波片，使得偏振分光棱镜入射光的偏振面与偏振分光棱镜的入射面对齐；再将半波片旋转22.5°，使得偏振分光棱镜入射光的偏振面与偏振分光棱镜的入射面的夹角成45°，此时入射到两个探测通道的光强是相等的，最终得到两个探测通道之间的增益比。为了减小上述方法中旋转角度误差对定标精度的影响，V.Freudenthaler等在此基础上提出将半波片再旋转-22.5°，两次定标得到的增益比求几何平均作为最终的定标结果。该方法可以不受大气条件以及发射激光偏振态的影响。然而，在穆勒矩阵-斯托克斯矢量理论中，该方法并不能得到真正的系统增益比，其定标结果会受到接收系统中偏振分光棱镜之前光学元件的影响。另外，在运用该定标方法时需要首先调整半波片的快轴朝向，使得入射光的偏振面与偏振分光棱镜的入射面对齐，然而这个对齐过程会带来不可忽略的定标误差。

发明内容