[发明专利]一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达

说明书

本发明公布了一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，包括激光发射模块、望远镜接收模块以及和频与鉴频模块。激光发射模块产生单频激光脉冲信号，望远镜接收模块接收和探测激光雷达回波信号，和频与鉴频模块通过非线性晶体使接收的激光雷达回波信号与单频泵浦光信号和频产生与鉴频分子吸收池某一吸收谱线匹配的光子，并通过鉴频分子吸收池进行光谱鉴频，吸收由米散射产生的光子，获取额外的激光雷达方程，实现激光雷达方程精确求解。利用本发明，可以将高光谱分辨率激光雷达波长转换到常用鉴频分子吸收池的吸收谱线处进行光谱鉴频，降低了多波长高光谱分辨率激光雷达研制难度。

技术领域

本发明属于激光雷达遥感技术领域，尤其是涉及一种基于上转换原理的高光谱分辨率激光雷达。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001～100微米的尘埃、烟雾等固体或液体颗粒。其作为大气的次要成分，不仅在辐射收支、空气化学和水文循环方面发挥着重要作用，而且影响环境质量和公众健康。气溶胶的来源和变化、发生、停留时间、物理特性和化学成分在空间和时间上的过程很快。高时空分辨率的激光雷达是一种可以高效地提供全球气溶胶高度观测的方法，可以作为被动遥感仪器的有力补充。在多种激光雷达中，高光谱分辨率激光雷达(HSRL)是一种无需假设消光系数和后向散射系数之比(也称激光雷达比)就可以精确反演气溶胶及云光学特性参数的新型激光雷达系统。单波长高光谱分辨率激光雷达可以获取单个波长下精确的后向散射系数和消光系数等光学特性；拓展到多波长高光谱分辨率激光雷达后可以获取多个波长下精确的光学特性，从而进一步准确推算气溶胶粒子的微物理特性。

高光谱分辨率激光雷达相比普通的后向散射激光雷达引入了关键的特征器件——光谱鉴频器。光谱鉴频器的性能极为关键，关系到最终光学特性产品反演精度，决定了是否能发挥出高光谱分辨率激光雷达的根本优势。现有的光谱鉴频器分为两类：一类是以碘分子吸收池为代表的吸收型光谱鉴频器；另一类是以法布里珀罗标准具和迈克尔孙干涉仪为代表的干涉型光谱鉴频器。干涉型光谱鉴频器设计使用不受激光波长限制，但是干涉仪本身的稳定性、接收视场角以及抑制比等性能较差，难以实现比拟吸收型鉴频器的光谱分辨性能，开发成本和难度均较高；而吸收型光谱鉴频器使用波段受限于分子特性，常用的仅为532nm基于碘分子吸收池的高光谱分辨率激光雷达一种类型，对于需要开发的紫外波段(如355nm)和近红外波段(如1064nm)高光谱分辨率激光雷达，均无合适的吸收型光谱鉴频器。

因此，发展一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达可以促进多个波段的高光谱分辨率激光雷达的发展，是进一步推动多波段气溶胶光学特性和微物理特性精确反演的技术基础。

发明内容

为了克服现有高光谱分辨率激光雷达光谱鉴频技术的不足，本发明旨在提供一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，利用激光雷达发射激光产生的激光雷达回波信号，与高能量的泵浦光信号和频生成上转换信号，该信号波长吻合吸收型光谱鉴频器的吸收谱线，米散射信号可以直接被吸收滤除，其余的分子散射信号经过光谱鉴频器按照一定的信号透过率通过，聚焦到光电倍增管上，在光电倍增管上接收到的光子相对应的TTL信号被记录在光子计数器上，然后在上位机中进行处理。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，包括激光发射模块1、望远镜接收模块2以及和频与鉴频模块3。激光发射模块1产生频率稳定的激光脉冲输出，其回波散射光信号被望远镜接收模块2接收，主偏振信号经过和频与鉴频模块3获得两路激光雷达信号，分别为混合通道和高光谱分辨通道，两路信号联立可求解目标的精确光学特性参数。所述的激光发射模块1中，连续波单频种子激光器1-1激发产生的散射光中心频率和连续波单频泵浦激光器1-8产生泵浦光中心频率和频后产生和频光信号，和频信号频率落在和频与鉴频模块3中带有温控系统的鉴频分子吸收池3-9分子的某一吸收谱线中心频率上。混合通道信号B_C与高光谱分辨通道信号B_H强度分别表示如下：

B_C＝η_C·(β_a+β_m)·exp(-2τ),