[发明专利]基于沙姆定律的扫描光谱激光雷达

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达技术和光谱成分分析技术领域，能够通过激光雷达技术确定目标物体的位置并通过探测目标物体如大气污染物的后向散射信号或植物叶绿素的荧光光谱，实现定量分析物质种类、成分以及含量信息。

背景技术

沙姆定律最早由Theodor Scheimpflug提出。当主体平面、镜头片面和影像平面相交于一条直线时，在影像平面可以得到全面清晰的成像。该技术使我们在大光圈的情况下获得极大的景深。

基于沙姆定律的激光雷达于2014年由Mikkel Brydegaard提出。相比传统脉冲式雷达，基于沙姆定律的激光雷达属于连续光激光雷达，测距方式基于像素位置与距离的对应关系而不是飞行时间法，因此系统不再受限于脉冲激光器的体积及成本。然而该系统只能得到发射波长的回波信号，无法得到物质非弹性散射信号或者荧光、拉曼信号。2016年Guangyu Zhao利用沙姆定律结合成像光谱仪完成了水体拉曼信号和浮游植物的荧光信号检测，但探测距离只有5m且光谱仪的分辨率大约为5nm，不适于物质的准确分类。为了提高激光雷达系统的性能，适应更广泛的应用，我们设计了一套基于沙姆定律的扫描光谱激光雷达系统，利用海洋光学光纤光谱仪（分辨率小于1.5nm）结合定位CCD（Charge-coupled Device）的方法定量分析大气中所需分析物质的位置、种类及含量，探测距离可以达到1km左右。

发明内容

1、本发明的目的。

本发明基于现有的探测雷达系统分辨率低，无法实现物质位置定位、种类和含量、光谱峰值位置等检测的问题，而提出的一种基于沙姆定律的扫描光谱激光雷达系统。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明专利通过组装一个激光雷达系统，运用光与物质相互作用机理，通过光纤光谱仪测量大气污染物的后向散射光谱或者植物的荧光光谱，定量分析出物质的种类和含量；通过定位CCD分析出目标物质的位置信息。

本发明提出的基于沙姆定律的扫描光谱激光雷达，包括光源，发射望远镜，接收望远镜，定位CCD，半透半反镜，光纤，光谱仪；光源面为物面，定位CCD面为像面，接收望远镜为镜面，三面满足沙姆定律相交于同一直线，发射望远镜和接收望远镜处于同一平面内，贴合定位CCD表面放置一个半透半反镜，光纤以及光谱仪位于半透半反镜收集光谱信息；光束经过半透半反镜一部分信号成像在定位线阵CCD 上，一部分反射光进入光纤，利用光谱仪进行分析。

更进一步具体实施方式，定位CCD和接收望远镜的夹角角度始终不变，调节接收望远镜，改变物面和接收望远镜的夹角，从而改变观测的大气空间范围。

更进一步具体实施方式，物面和接收望远镜的夹角物面和接收望远镜的夹角根据需要调节，跟探测的距离有关，距离近调节角度大一些，探测的距离远，调节调节角度小一些。

更进一步具体实施方式，还包括收集多目标光谱耦合进入光纤的收集透镜，位于光纤的顶端与半透半反镜对应设置。

更进一步具体实施方式，所述的定位CCD面与接收望远镜的夹角为40—50°。

更进一步具体实施方式，所述的发射望远镜为扩束望远镜为150/600mm。

更进一步具体实施方式，所述的光源可根据探测目标选择从紫外、可见光到近红外的LED。

更进一步具体实施方式，所述的接收望远镜为大孔径的牛顿反射式望远镜。

更进一步具体实施方式，所述的定位CCD为线阵或者面阵CCD。

3、本发明的有益效果。

（1）本发明通过光纤光谱仪和定位CCD两者结合检测，光谱仪收集半透半反镜反射出去的一部分光，可以通过光谱峰值位置、半高全宽、光强以及光谱形状来分析物质种类和含量。而定位CCD可以将另一部分透过的光的光学影像转换为电信号，从而在定位CCD上特定位置得到目标物体的信息，通过像素点位置与目标实际位置的对应关系推断出目标的具体位置。在探测范围内出现少量目标（例如两个），则可以直接利用光纤分别收集两个点的光谱信息，直接利用光谱峰值位置、半高全宽、光强以及光谱形状等信息分析这两种物质的种类和含量

（2）本发明还设置收集透镜，实现在探测范围内出现多个目标，可以利用透镜耦合进入光纤，光纤光谱仪收集到的是多个目标的混合光谱，我们可以通过改变接收望远镜的观测角度来扫描目标位置，通过观察光谱峰值的变化，从而分析污染物大致分布的空间区域。