一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达技术

本申请公开了一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达。其中测量方法包括分时调节可调滤波器的透射波长；在特定透射波长下，将宽谱脉冲激光经可调滤波器滤出激光脉冲，脉冲激放大后发射至探测目标，回波信号经同一可调滤波器滤得待测信号，测量待测信号回波强度；测量不同透射波长下回波强度得到探测目标光谱。相关光谱扫描激光雷达采用时分复用技术和光开关选通技术，以支撑上述方法的实现。本申请可最大程度滤除太阳和天空背景噪声，并隔离了布里渊信号、拉曼信号和共振荧光信号，提高了探测光谱纯度和信噪比，同时通过采用全光纤结构，提高系统集成和稳定性。本申请还可提取水下剖面的光谱信号，是目前基于被动水色遥感的重要补充。

A spectrum measurement method and spectrum scanning lidar based on wide spectrum light source

【技术实现步骤摘要】
一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达
本申请涉及激光雷达领域，具体涉及一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达。
技术介绍
水色测量与分析是地球观测中的重要环节。由于浮游植物、悬浮泥沙及溶解物能够吸收和(或)散射来自太阳系统，特别是可见波长范围内的自然光，因此会对水下光场及穿越水气界面的向上辐射亮度光谱产生深刻的影响。这个辐射亮度的强度及其随波长的变化可以由辐射计或类似仪器测量。因此，通过分析这一光谱的变化能够感知水中及水下的成分，并由此衍生出“水色学”。水色学的研究结果革命性地改变了生物海洋学领域，特别是随着水色卫星的发展，其已经应用于资源及生态环境监测，气候变化响应与适应，灾害与生态系统预测预警，航运与油气开发等领域，在生物地球化学、物理海洋学、海洋系统模式、海洋渔业、海岸带管理等方面做出了重要贡献。虽然卫星水色遥感已被广泛应用，但其存在发展的瓶颈，首先，由于其采用太阳光为光源，在无太阳光的晚上及其低太阳角的情况下，无法工作，另外，在白天工作期间，当天空存在云的情况下，其探测存在较大偏差或者无法探测。
技术实现思路
本申请的目的在于克服
技术介绍
中存在的上述缺陷或问题，提供一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达，以弥补目前基于太阳光为光源的被动遥感技术中，在夜晚以及多云的情况无法工作的缺陷，从而实现全天时的水色遥感监测。为达成上述目的，采用如下技术方案：第一技术方案涉及一种基于宽谱光源的光谱测量方法，其包括：分时调节可调滤波器的透射波长；在每一透射波长周期中，宽谱脉冲激光经可调滤波器滤出激光脉冲，激光脉冲经放大后入射到探测目标，回波信号经同一可调滤波器得到待测信号，测量待测信号光强度得到该波长下的回波强度；通过测量不同波长下回波强度，得到探测目标光谱。第二技术方案基于第一技术方案，其中，所述宽谱脉冲激光和回波信号采用时分复用技术经过同一可调滤波器，具体包括：在所述可调滤波器两端各设置光开关；控制光开关切换，使可调滤波器在第一光通道与第二光通道间切换；所述第一光通道接收宽谱脉冲光激光输出激光脉冲；所述第二光通道接收回波信号输出待测信号；在每一透射波长周期中，包含一个或多个探测周期；在每个探测周期中，依序导通第一光通道和第二光通道。第三技术方案基于第二技术方案，其中导通第二光通道时，依时序测量待测信号光强度，得到探测目标各个剖面在该波长下的回波强度；并据此得到探测目标各剖面光谱。第四技术方案涉及一种光谱扫描激光雷达，其包括：宽谱脉冲激光器，其产生宽谱脉冲激光；第一光开关，其设有第一输入端、第二输入端和输出端；其第一输入端连接宽谱脉冲激光器；可调滤波器，其输入端连接第一光开关的输出端，并受控仅使具有透射波长的光通过；第二光开关，其设有输入端、第一输出端和第二输出端；其输入端连接可调滤波器的输出端；放大器，其输入端连接第二光开关的第一输出端，并输出出射信号；发射接收模块，其连接放大器的输出端以接收出射信号并发射；其还连接第一光开关的第二输入端以发送其接收到的回波信号；探测器，其输入端连接第二光开关的第二输出端，用于采集回波信号经滤波后形成的待测信号的光强度并转化成电信号；数据采集和处理模块，其将所述电信号转换成数字信号并进行处理得到光强度值；和控制器，其与宽谱脉冲激光器、第一光开关、可调滤波器、第二光开关和探测器信号连接；其控制宽谱脉冲激光器以特定频率输出宽谱脉冲激光并记录脉冲产生时间；其还控制可调滤波器调节透射波长；其还在控制第一光开关切换至第一输入端时控制第二光开关切换至第一输出端以滤出激光脉冲；其还在控制第一光开关切换至第二输入端时控制第二光开关切换至第二输出端以滤出待测信号；其还控制数据采集和处理模块在激光脉冲产生时间起经特定期间后采集待测信号。第五技术方案基于第四技术方案，其中，所述控制器还控制数据采集和处理模块在激光脉冲产生时间起经特定期间后多次采集所述电信号。第六技术方案基于第四技术方案，其中，所述发射接收模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜用于接收出射信号并发射；所述接收望远镜用于接收回波信号并发送到第一光开关的第二输入端。第七技术方案基于第四技术方案，其中，所述发射接收模块包括环形器和收发望远镜；环形器的第一通道放大器与收发望远镜；环形器的第二通道连接收发望远镜和第一光开关的第二输入端；所述收发望远镜用于发射出射信号和接收回波信号。第八技术方案基于第四技术方案，其中，所述光谱扫描激光雷达还包括延时光纤，所述延时光纤设置于第二光开关的第一输出端与发射接收模块之间。第九技术方案基于第四技术方案至第八技术方案之任一项，其中，所述光谱扫描激光雷达采用全光纤结构。相对于现有技术，上述方案具有的如下有益效果：本申请采用基于宽谱光源的主动遥感技术，弥补目前基于太阳光为光源的被动遥感技术中，在夜晚以及多云的情况无法工作的缺陷，从而实现全天时的水色遥感监测。分时调节可调滤波器的透射波长，可以得到不同波长下回波强度，以实现对光谱的测量。采用时分复用技术，通过光开关切换，使宽谱脉冲激光和回波信号分时经过同一可调滤波器，从而仅采用单个激光器，单个滤波器，单个探测器和单通道采集卡实现了光谱提取，简化了系统结构，提高系统集成化和稳定性。导通第二光通道时，依时序多次采集待测信号光强度，可以获得探测目标各个剖面在该波长下的回波强度，从而能够建立水下各剖面的光谱信息。由于宽谱脉冲激光和回波信号经同一滤波器，因此不仅可有效隔离太阳和天空背景噪声，还可隔离激光激发的非弹性散射信号，包括布里渊信号、拉曼信号和共振荧光信号，从而提高探测的光谱程度和信噪比。由于采用可调滤波器，其带宽和中心波长可通过程序调节，因此在针对特定的探测目标时，其可进行优化探测，一次实现多种海洋目标的探测。控制器还控制数据采集和处理模块在激光脉冲产生时间起经特定期间后依时序多次采集待测信号，得以实现对探测目标各剖面光谱的测量。通过设置延时光纤，可以让回波信号与宽谱脉冲激光在时域上分离，更有利于测量，且也能降低对第一光开关和第二光开关的切换频率的要求。通过采用全光纤结构，简化了系统结构，提高系统集成化和稳定性。附图说明为了更清楚地说明实施例的技术方案，下面简要介绍所需要使用的附图：图1为实施例一中的光谱扫描激光雷达结构示意图；图2为实施例二中的光谱扫描激光雷达结构示意图；图3为实施例一中可调滤波器透射波长随时间变化示意图；图4为实施例一中控制器控制动作沿时间分布示意图；图5为实施例一中探测目标辐射光谱示意图。主要附图标记说明：宽谱脉冲激光器1；第一光开关2；可调滤波器3；第二光开关4；放大器5；发射接收模块6，发射望远镜61，接收望远镜62，环形器63，收发望远镜64；探测器7；数据采集和处理模块8；控制器9；延时光纤10。具体实施方式权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于宽谱光源的光谱测量方法，其特征在于，包括：/n分时调节可调滤波器的透射波长；/n在每一透射波长周期中，宽谱脉冲激光经可调滤波器滤出激光脉冲，激光脉冲经放大后入射到探测目标，回波信号经同一可调滤波器得到待测信号，测量待测信号光强度得到该波长下的回波强度；/n通过测量不同波长下回波强度，得到探测目标光谱。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于宽谱光源的光谱测量方法，其特征在于，包括：
分时调节可调滤波器的透射波长；
在每一透射波长周期中，宽谱脉冲激光经可调滤波器滤出激光脉冲，激光脉冲经放大后入射到探测目标，回波信号经同一可调滤波器得到待测信号，测量待测信号光强度得到该波长下的回波强度；
通过测量不同波长下回波强度，得到探测目标光谱。


2.如权利要求1所述的一种基于宽谱光源的光谱测量方法，其特征在于：所述宽谱脉冲激光和回波信号采用时分复用技术经过同一可调滤波器，具体包括：
在所述可调滤波器两端各设置光开关；
控制光开关切换，使可调滤波器在第一光通道与第二光通道间切换；所述第一光通道接收宽谱脉冲光激光输出激光脉冲；所述第二光通道接收回波信号输出待测信号；
在每一透射波长周期中，包含一个或多个探测周期；在每个探测周期中，依序导通第一光通道和第二光通道。


3.如权利要求2所述的一种基于宽谱光源的光谱测量方法，其特征在于：导通第二光通道时，依时序测量待测信号光强度，得到探测目标各个剖面在该波长下的回波强度；并据此得到探测目标各剖面光谱。


4.一种光谱扫描激光雷达，其特征在于，包括：
宽谱脉冲激光器，其产生宽谱脉冲激光；
第一光开关，其设有第一输入端、第二输入端和输出端；其第一输入端连接宽谱脉冲激光器；
可调滤波器，其输入端连接第一光开关的输出端，并受控仅使具有透射波长的光通过；
第二光开关，其设有输入端、第一输出端和第二输出端；其输入端连接可调滤波器的输出端；
放大器，其输入端连接第二光开关的第一输出端，并输出出射信号；
发射接收模块，其连接放大器的输出端以接收出射信号并发射；其还连接第一光开关的第二输入端以发送其接收到的回波信号；
探测器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官明佳，李忠平，商少凌，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35