本发明专利技术公开了一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达，该激光雷达采用全光纤链接，并且利用延时光纤实现时分复用，用单探测器实现雷达回波中的平行偏振信号与垂直偏振信号同时探测。本发明专利技术仅使用单探测器实现大气退偏比的探测，其具有造价低、系统稳定、人眼相对安全、全光纤链接和结构紧凑等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光雷达
，尤其涉及一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达。
技术介绍
空气污染已成为我国21世纪面临的重大难题之一。其中，气溶胶污染是大气边界层内空气污染的主要组成部分。汽车尾气及工业排放等产生的酸性球形颗粒物和以地面扬尘为主的非球形颗粒物已经成为城市底层气溶胶的主要来源，对人类健康和生存环境造成了极大的危害，其所包含的可吸入颗粒物PM2.5更是直接威胁着人类的生命安全。目前国内开展的地基气溶胶遥感方法主要有：太阳直接辐射的宽带分光辐射遥感、多波段光度计遥感、根据天空散射亮度分布遥感、全波段太阳直接辐射遥感、华盖计遥感以及激光雷达遥感等。宽带分光辐射遥感利用波长范围分别为0.53～2.80μm，0.63～2.80μm，0.7～2.80μm的OG1，RG2，RG8三种滤光片测量太阳的直接辐射，然后把三种滤光片测得的太阳直接辐射相减，可以获得到达地面的0.53～0.63μm，0.63～0.73μm波长范围内的太阳直接辐射，根据这两个波段的大气上界太阳辐射常数，可以解得大气气溶胶浓度和粒子半径的信息。多波段光度计是利用可见到近红外波段范围内一系列窄波段滤光片测量大气对太阳直接辐射的消光，从而反演大气气溶胶光学厚度和粒子谱。这是目前在气溶胶遥感方法中比较准确，也是应用较多的一种方法。太阳光由大气分子和气溶胶散射形成天空亮度的分布，通过分析太阳位置和天空的亮度特征，可以得到气溶胶的信息。利用国内日射站的数据可以分析全波段太阳直射辐射对气溶胶光学厚度及粒子谱敏感性，从而确定700nm波长气溶胶光学厚度。华盖计是利用太阳附近的天空亮度(华盖区)反演气溶胶特性的一种方法。通过测量其统计的直接消光和华盖区天空亮度，可以反演较大半径粒子的气溶胶光学厚度、粒子谱等信息。以上手段都是以太阳为光源的被动遥感，并且局限于研究整层气溶胶的特性，而激光雷达是一种主动的遥感手段，利用激光雷达可以得到气溶胶的垂直分布信息。其中，偏振激光雷达以其分辨率高、实时性好、探测范围广的优点，在大气环境监测领域中的地位越来越重要。偏振激光雷达不仅能够获得气溶胶的分布情况，而且可依据气溶胶后向散射光偏振状态获得气溶胶的球形特性，进而辨别气溶胶的种类。汽车尾气和工业废气中的颗粒物呈现出较强的球形特性，退偏比较低，而地面扬尘属于非球形颗粒物，退偏比较高。显然，偏振激光雷达能够根据退偏比辨别气溶胶的种类和来源，为城市气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供有力的支持。目前，偏振激光雷达主要用于云和气溶胶的探测研究。1971年美国纽约大学的Schotland首先提出了用偏振激光雷达测量云层中各粒子的退偏比，在实验室模拟实验中发现云层中水滴的退偏比小于0.03，冰晶退偏比为0.38，而空气中的混合晶体退偏比可高达0.8。1977年和1978年加拿大约克大学的Pal和Carswell发表了降水过程中云底与云层内各部位退偏比双波长同时探测的结果。1981年日本名古屋大学的Iwasaka和Hayashida利用偏振激光雷达对美国圣海伦斯火山爆发前后的平流层气溶胶进行了探测研究。1992年美国犹他大学的Sassen利用偏振激光雷达测量了不同形态的云层的退偏振特征。在国内有中科院安光所、青岛海洋大学和西安理工大学等单位进行了偏振激光雷达实验。2003年中国科学院安徽光机所刘东、戚福弟等研制了一台偏振激光雷达，用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光偏振比的探测研究。测量了合肥西郊的卷云退偏比在0.4～0.5之间，沙尘退偏比在0.2～0.3之间，剧烈沙尘暴的退偏比在0.4左右。2012年刘东课题组还进行了机载双波长偏振激光雷达实验，利用532nm和1064nm激光测得4km以下大气回波信号。2008年中国海洋大学刘智深课题组设计了一台偏振激光雷达，应用于白天和夜晚卷云后向散射光退偏比的探测研究，成功测得青岛上空卷云的退偏比。2012年西安理工大学宋跃辉和华灯鑫等建成了一台可三维扫描的偏振激光雷达，对冬季西安地区1000米以下气溶胶的退偏比进行了连续扫描探测。总结来说，以上偏振激光雷达系统大多采用可见光波段或者1064nm激光源，出射功率大，人眼不安全，系统庞大；采用空间光路系统，结构不稳定；受太阳与天空背景辐射影响大，不能白天工作，信噪比低。此外，这些系统均采用双探测器探测两路不同偏振态的回波信号，造价高，并且退偏比受探测器效率涨落的影响，信噪比低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达，其具有气溶胶信号信噪比高、退偏比精度高、造价低、系统稳定、人眼相对安全、全光纤链接和结构紧凑等优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达，包括：连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5、扩束镜6、望远镜7、偏振分束器8、延时光纤9、光纤耦合器10、光纤环形器11、光纤布拉格光栅12、探测器13、采集卡14与计算机15；其中：所述连续激光器1输出的激光依次经过光纤隔离器2、强度调制器3、光纤放大器5与扩束镜6后出射到大气中；在此过程中强度调制器的调制强度由任意函数发生器4来控制；后向散射信号被望远镜7接收后传输至偏振分束器8，所述偏振分束器8将后向散射信号分离为平行偏振信号与垂直偏振信号，所述垂直偏振信号通过偏振分束器8的端口B传输至光纤耦合器10的端口B，所述平行偏振信号偏振分束器8的端口A并经由延时光纤9延时后传输至光纤耦合器10的端口A；所述光纤耦合器10将接收到的信号传输至光纤环形器11的端口A，并从光纤环形器11的端口B输出至光纤布拉格光栅12滤除背景噪声，再原路返回至光纤环形器11的端口B，最终滤除背景噪声后的信号从光纤环形器11的端口C输出至探测器13，进而通过采集卡14输入至计算机15，由计算机15根据接收到的数据进行气溶胶相关数据的反演计算。所述连续激光器1、光纤隔离器2、强度调制器3、任意函数发生器4、光纤放大器5与扩束镜6之间，偏振分束器8、延时光纤9、光纤耦合器10、光纤环形器11、光纤布拉格光栅12与探测器13之间均采用保偏光纤连接。所述光纤隔离器2、强度调制器3、光纤放大器5、偏振分束器8、光纤耦合器10、光纤环形器11与光纤布拉格光栅12均为保偏器件。所述延时光纤9采用保偏光纤，其损耗小于0.2dB/Km。所述连续激光器1的输出激光波长为1.5μm。所述探测器13选用铟镓砷探测器、量子上转换单光子探测器或者超导纳米线单光子探测器。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，采用偏振分束器分离两个偏振态的信号后，将其中一路经过延时光纤，再将两路信号耦合进入探测器，在时域上形成了时分复用结构。其优点在于：1)采用1550nm微脉冲激光器，体积小，造价低，出射功率小，人眼安全；2)采用全光纤链路，结构紧凑，稳定；3)1550nm波长信号可日夜连续工作，不受太阳背景辐射影响；4)时分复用技术搭配单通道高性能单光子探测器，造价低，不受探测器效率涨落影响，易于校准，探测信噪比高，且测量退偏比精度高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达，其特征在于，包括：连续激光器(1)、光纤隔离器(2)、强度调制器(3)、任意函数发生器(4)、光纤放大器(5)、扩束镜(6)、望远镜(7)、偏振分束器(8)、延时光纤(9)、光纤耦合器(10)、光纤环形器(11)、光纤布拉格光栅(12)、探测器(13)、采集卡(14)与计算机(15)；其中：所述连续激光器(1)输出的激光依次经过光纤隔离器(2)、强度调制器(3)、光纤放大器(5)与扩束镜(6)后出射到大气中；在此过程中强度调制器的调制强度由任意函数发生器(4)来控制；后向散射信号被望远镜(7)接收后传输至偏振分束器(8)，所述偏振分束器(8)将后向散射信号分离为平行偏振信号与垂直偏振信号，所述垂直偏振信号通过偏振分束器(8)的端口B传输至光纤耦合器(10)的端口B，所述平行偏振信号偏振分束器(8)的端口A并经由延时光纤(9)延时后传输至光纤耦合器(10)的端口A；所述光纤耦合器(10)将接收到的信号传输至光纤环形器(11)的端口A，并从光纤环形器(11)的端口B输出至光纤布拉格光栅(12)滤除背景噪声，再原路返回至光纤环形器(11)的端口B，最终滤除背景噪声后的信号从光纤环形器(11)的端口C输出至探测器(13)，进而通过采集卡(14)输入至计算机(15)，由计算机(15)根据接收到的数据进行气溶胶相关数据的反演计算。...
【技术特征摘要】
1.一种基于时分复用的单探测器全光纤偏振激光雷达，其特征在于，包括：连续激光器(1)、光纤隔离器(2)、强度调制器(3)、任意函数发生器(4)、光纤放大器(5)、扩束镜(6)、望远镜(7)、偏振分束器(8)、延时光纤(9)、光纤耦合器(10)、光纤环形器(11)、光纤布拉格光栅(12)、探测器(13)、采集卡(14)与计算机(15)；其中：所述连续激光器(1)输出的激光依次经过光纤隔离器(2)、强度调制器(3)、光纤放大器(5)与扩束镜(6)后出射到大气中；在此过程中强度调制器的调制强度由任意函数发生器(4)来控制；后向散射信号被望远镜(7)接收后传输至偏振分束器(8)，所述偏振分束器(8)将后向散射信号分离为平行偏振信号与垂直偏振信号，所述垂直偏振信号通过偏振分束器(8)的端口B传输至光纤耦合器(10)的端口B，所述平行偏振信号偏振分束器(8)的端口A并经由延时光纤(9)延时后传输至光纤耦合器(10)的端口A；所述光纤耦合器(10)将接收到的信号传输至光纤环形器(11)的端口A，并从光纤环形器(11)的端口B输出至光纤布拉格光栅(12)滤除背景噪声，再原路返回至光纤环形器(11)的端口B，最终滤除背景噪声后的信号从光纤环形器(11)的端口C输出至探测器(13)，进而通过采集卡(1...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏海云，裘家伟，上官明佳，王冲，窦贤康，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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