[发明专利]基于Scheimpflug原理的多波长偏振米散射激光雷达系统

说明书

本发明属于激光技术应用技术领域，提供了基于Scheimpflug原理的多波长偏振米散射激光雷达系统，用于探测大气气溶胶的时空演变、大气中颗粒物的浓度、颗粒粒径大小、形状和粒子谱分布。该系统包括激光发射装置、接收装置、主控制器，激光发射装置和接收装置分别固定在连接板的两侧，其间距满足Scheimpflug成像原理。该系统采用四个二极管激光器作为光源，两个CMOS图像传感器分时探测，以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号，可以获取多个波长的激光雷达信号，与传统的脉冲式气溶胶激光雷达系统相比具有结构简单，操作方便，成本低，可靠性高等特点。

技术领域

本发明属于激光技术应用技术领域，具体涉及基于Scheimpflug原理的多波长偏振米散射激光雷达系统，用于探测大气气溶胶的时空演变、大气中颗粒物的浓度、颗粒粒径大小、形状和粒子谱分布。

背景技术

激光雷达(Light Detection and Ranging，Lidar)技术是一种主动光学廓线定量遥感工具，其具有高的时空分辨率、优越的方向性和相干性以及可以实时监测等独特的优势。激光雷达技术已经广泛地应用于大气气溶胶和云的监测，污染气体(臭氧、二氧化氮、二氧化硫等)以及温室气体(二氧化碳、甲烷等)浓度分布测量，中高层大气温度场、风场、能见度和大气边界层的探测等诸多方面。

目前，脉冲式米散射气溶胶激光雷达技术的研究较为成熟、应用也最为广泛，其可以探测气溶胶粒子的廓线分布，而多波长米散射激光雷达可以反演气溶胶的粒子谱分布，其偏振信号可用于区分不同形状的粒子，进而对气溶胶粒子进行分类。脉冲式激光雷达技术的硬件原理是向大气中发射纳秒量级的脉冲光并以时间分辨的方式探测其后向散射光的强度，从而实现了不同距离上大气回波信号的探测。目前国内有多家研究单位开展米散射激光雷达研究，如安徽光机所研制了多波长激光雷达系统，用于气溶胶和卷云等微物理特性的探测(D.Liu,et.al,Development of multi-wavelength Raman lidar and itsapplication on aerosol and cloud research,Epj Web Conf 119,25011,(2016).)；西安理工大学建立了多波长偏振激光雷达系统用于气溶胶探测等(H.G.Di,et.al,Detections and analyses of aerosol optical properties under different weatherconditions using multi-wavelength Mie lidar,Acta Phys Sin-Ch Ed 63,244206,(2014).)。然而，脉冲式气溶胶激光雷达系统的设计和维护成本却居高不下。这主要是由于两方面的原因：其一，是该技术需要的高性能纳秒量级脉冲光源如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器等，不仅成本高而且维护费用不菲；其二，是由于激光雷达信号与距离的平方成反比，系统对动态范围的要求非常高，不仅需要高灵敏探测器如光电倍增管等，而且需要高速模拟采样以及单光子计数技术等复杂的信号采样技术。

SLidar(Scheimpflug Lidar)技术以连续光作为发射光源，由望远镜收集后向散射信号并由倾斜的图像传感器在满足沙氏(Scheimpflug)成像原理的条件下探测大气后向散射光，以角度分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号，成功的实现了距离分辨的大气后向散射信号探测。基于该原理，SLidar技术可以使用大功率连续光光源(如二极管激光器)，以及CCD/CMOS传感器作为探测器，从而有效地克服了传统脉冲激光雷达技术在光源和光电检测方面系统复杂的困难。在解决三波长甚至更多波长激光雷达系统集成方面有非常大的潜力，极大地降低了系统的结构和成本。为此，本发明设计了一种基于Scheimpflug原理的多波长偏振米散射激光雷达系统。

上述对背景技术的陈述仅是为了方便对本发明技术方案(使用的技术手段、解决的技术问题以及产生的技术效果等方面)的深入理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容