一种基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术包括窄线宽激光器、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，本专利技术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专利技术作进一步说明。图1，本专利技术的基于虚像相位阵列窄带光学滤波器结构图图2，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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图中：1．入射的平行光，2．柱面镜，3．虚像相位阵列，4．辅助光学透镜，5.衍射光栅（以平面反射式光栅为例），6.衍射光栅像平面处的二维空间排列的光谱干涉条纹，7.窄线宽激光器，8.激光稳频系统，9.光学发射系统，10.光学接收系统，11.基于虚像相位阵列窄带光学滤波器，12.多通道光电探测系统，13.数据采集和处理系统，14.基于虚像相位阵列窄带光学滤波器的输出光谱干涉条纹，15.激光稳频系统的激光波长锁定点，16.无多普勒频移的大气米散射，17.无多普勒频移的大气瑞利散射，18.大气米散射线宽（半高全宽），19.基于虚像相位阵列光学鉴频器的一个干涉条纹的光谱宽度（半高全宽），20.基于虚像相位阵列光学鉴频器干涉条纹的自由光谱范围，21.大气瑞利散射线宽（半高全宽），22.λL处滤出的大气米散射，23.λL处滤出的大气瑞利散射，24.λL-1处滤出的大气瑞利散射，25.λL-2处滤出的大气瑞利散射，26.λL+1处滤出的大气瑞利散射，27.λL+2处滤出的大气瑞利散射。具体实施方式本专利技术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，以解决相关领域的技术问题。本专利技术的基于虚像相位阵列光学滤波器如图1所示。平行光（1）经柱面透镜（2）聚焦后入射到虚像相位阵列（3）中。虚像相位阵列（3）的输出经过辅助光学透镜（4）后耦合到匹配的衍射光栅（5）中。根据实际情况，辅助光学透镜（4）也可以不加。衍射光栅（5）可以是透射式或者反射式，也可是凹面光栅或者平面光栅。在衍射光栅的焦平面（6）处得到二维空间排列的光谱干涉条纹，其中虚像相位阵列在y方向有光谱角色散，衍射光栅在x方向有光谱角色散。本专利技术的基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达如图2所示。窄线宽激光器（7）作为光源，并利用激光稳频系统（8）将激光波长锁定。锁频后的激光通过光学发射系统（9）垂直进入大气。利用光学接收系统（10）垂直接收大气回向散射信号，并导入到基于虚像相位阵列窄带光学滤波器（11）中。利用多通道光电探测系统（12）探测所需的基于虚像相位阵列窄带光学滤波器（11）的输出，并导入数据采集和处理系统（13）。图3中（14）是基于虚像相位阵列窄带光学滤波器输出的光谱干涉条纹。如果激光波长锁定在图3中的（15）处，对应于基于虚像相位阵列窄带光学滤波器中心波长λL的干涉条纹。因为大气垂直方向的风速很小，本专利技术中忽略垂直风速引起的散射信号多普勒频移的影响，认为大气回向散射信号中多普勒频移为零。无多普勒频移的大气米散射（16）和无多普勒频移的大气米瑞利（17）的中心波长也在（15）处。本专利技术要求大气米散射线宽（18）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（19），同时基于虚像相位阵列窄带光学滤波器干涉条纹的自由光谱范围（20）的两倍小于大气瑞利散射光谱宽度（21）。图4中中心波长λL的干涉条纹可以滤出部分大气米散射（22）和大气瑞利散射(23)；中心波长λL-2、λL-1、λL+1、λL+2干涉条纹可以分别滤出部分大气瑞利散射(24)、(25)、(26)、(27)。因为基于虚像相位阵列窄带光学滤波器干涉条纹的理论模型精确可知，同时激光大气米散射和瑞利散射的理论模型也精确可知，所以图4中大气瑞利散射(23)、(24)、(25)、(26)、(27)的相互比例关系可以精确计算出，进而可以计算出大气米散射和大气瑞利散射强度。总之，图2中基于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散射和大气分子散射强度，并获得高精度大气气溶胶和分子的光学参数。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达，其特征在于：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；其中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，通过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；激光锁频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散射和分子瑞利散射；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。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚像相位阵列的高光谱分辨率大气激光雷达，其特征在于：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；其中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，通过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；激光锁频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散射和分子瑞利散射；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金涛，宋小全，张凯临，吴松华，刘秉义，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37