基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达及信号解码方法技术

本发明专利技术基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达及信号解码方法，本发明专利技术的激光雷达，包括种子激光器输出端、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器和分束器各输入端、输出端及准直器输入端依序连接；所述接收望远镜输出端、滤波器、铟镓砷量子探测器、采集卡、计算机各输入端、输出端和波形发生器输入端依序连接；能量检测通道输入端与分束器输出端连接，能量检测通道输出端接入采集卡输入端连接，波形发生器输出端分别连接第一电光调制器和第二电光调制器。本发明专利技术激光雷达及方法突破飞行时间法的模糊距离，在缩小体积同时提高雷达系统稳定性，提高对于大粒径气溶胶分布的辨识能力，提高云层穿透能力，为研究大气科学提供探测设备。

【技术实现步骤摘要】
基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达及信号解码方法
本专利技术属于激光雷达
，尤其涉及一种基于脉冲编码技术的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达及信号解码方法。
技术介绍
环境污染日益严重，气象要素和污染物的探测变得越来越重要。得益于高时间和空间分辨率，激光雷达在对于风向风速以及污染物传输方面的探测大有裨益。相干探测激光雷达主要用于边界层内大气参数探测，直接探测激光雷达可以覆盖更远距离和更高高度的大气参数探测。法国上普罗旺斯天文台(OHP)首次使用双边缘FPI作为鉴频器实现了长达50公里的风力探测，在阿雷西博天文台开发了一种基于单FPI的瑞利激光雷达用于近60km高度的风测量。后来，扫描电压的FPI被分子碘过滤器取代。在挪威安第斯附近的阿洛玛研究站中，FPI和碘过滤器都被用于高空风测量，最近的实验证明了它能测量80公里以内的风和温度。中国科学技术大学在2014年也实现了60km高空风场探测。而在气溶胶探测上，目前相干探测手段尚没有成熟的解决方案，直接探测占据绝对主导。尤其是1.5μm波长激光雷达由于具有人眼安全、瑞利散射干扰小、天空背景辐射干扰小、大气衰减率小等优势，是各国正在积极发展的领域。美国的Mayor通过甲烷腔中的受激拉曼散射效应，研制成功了焦耳级别的大脉冲能量1.5μm激光器，并应用在激光雷达中对大气烟羽和风场进行了探测。也有美国国家大气研究中心采用拉曼频移的方法将YAG激光器输出的1064nm激光移至1.5μm进行气溶胶探测。中国科学技术大学对于1.5μm能见度激光雷达、气溶胶激光雷达也进行了许多相关研究。激光在大气传输过程中，受大气衰减以及各种复杂天气状况影响，激光雷达接收的回波信号具有很低的信噪比和很大的随机性。当信噪比较低时，信号湮没在噪声中，导致测量误差增大，提高激光雷达的信噪比，尤其是远场弱信号的信噪比，对提高数据处理准确性至关重要。目前采用的提高信噪比的方法有提高激光发射平均功率、增大望远镜口径、使用脉冲累积等。这些都可以在一定程度上提高信噪比，但目前的激光器发射脉冲功率受限，通过增加脉冲时域宽度提高发射平均功率会牺牲距离分辨率；望远镜口径增大会导致成本增加和稳定性降低；而基于飞行时间法的激光雷达采用的脉冲累积方法存在时间分辨率变差及混叠距离问题。
技术实现思路
基于现有技术的这些问题，本专利技术的目的是要突破混叠距离的限制，在不牺牲探测空间分辨率的情况下，提高脉冲发射平均功率，以提高系统的信噪比，由此，本专利技术提供一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达。为了达成所述目的，本专利技术的第一方面，是提供一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，其实现解决技术问题的技术方案包括：种子激光器、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器、分束器、准直器、接收望远镜、滤波器、铟镓砷量子探测器、能量监测通道、采集卡、计算机以及波形发生器；其中：所述种子激光器的输出端、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器和分束器各输入端、输出端及准直器的输入端依序连接；所述接收望远镜的输出端、滤波器、铟镓砷量子探测器、采集卡、计算机各输入端、输出端和波形发生器的输入端依序连接；能量检测通道的输入端与分束器的输出端连接，能量检测通道的输出端接入采集卡的输入端连接，波形发生器的输出端分别连接第一电光调制器和第二电光调制器；通过能量检测通道接收一束脉冲编码光并将脉冲编码波形反馈给采集卡，采集卡将脉冲编码波形反馈给计算机，计算机控制波形发生器，控制第一电光调制器和第二电光调制器将种子激光器的连续光调制成编码的脉冲光并生成脉冲编码，光纤放大器对脉冲编码进行放大，分束器将放大后的脉冲编码光分成两束，其中一束脉冲编码光由准直器进行出射；接收望远镜接收大气回波信号后，使用滤波器滤除大气回波信号的背景噪声，并将去噪大气回波信号接入铟镓砷量子探测器，铟镓砷量子探测器输出未经解码的光子数包络信号，由采集卡进行采集并输入计算机进行解码和数据处理。为了达成所述目的，本专利技术的第二方面，是提供一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达信号解码方法，其实现反演的技术方案包括的步骤如下：步骤S1:使用双通道任意波形发生器生成四组单极性Golay码调制第一电光调制器和第二电光调制器，对发射激光进行脉冲编码，得到四组激光雷达信号；步骤S2:对四组激光雷达信号进行距离门划分，并对时域信号进行光子计数，得到四组激光雷达光子计数信号；步骤S3:对四组激光雷达光子计数信号按照解码规则进行解码，将单极性码光子数相减和对应的序列取相关，两个序列结果之和相加，得到解码后回波信号中的光子数信号；步骤S4:将解码后回波信号中的光子数信息，根据弹性散射激光雷达方程，将光子数转化为激光雷达消光系数，反演得到气溶胶和能见度信息。本专利技术的有益效果：本专利技术一种基于脉冲编码技术的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，针对激光雷达回波信号信噪比低的问题，提出一种采用脉冲编码技术改善系统信噪比从而提高探测准确度的方法。采用激光脉冲串进行空时编码，降低各发射波形之间的时域互相关，减小自相关旁瓣，在保证人眼安全探测的情况下提高了发射总功率，不增加脉冲累积时间，不牺牲探测时间和距离分辨率的情况下，提高激光雷达信噪比。另一方面，相比于传统短波长激光雷达，1.5μm激光在同等平均功率的情况下拥有更多的光子，天空背景噪声更低，在使用铟镓砷量子探测器情况下，也提高了信噪比。本专利技术通过使用合适的脉冲编码技术提高脉冲重复频率，再依据对应的解码算法处理，突破混叠距离，提高探测距离。本专利技术激光雷达及方法突破飞行时间法的模糊距离，在缩小了体积的同时提高了雷达系统的稳定性，且提高了对于大粒径气溶胶分布的辨识能力，提高了云层穿透能力，为更好地研究大气科学问题提供探测设备。附图说明图1为本专利技术公开的一种基于脉冲编码技术1.5μm波长气溶胶探测激光雷达示意图；图2为本专利技术的编码前后1.5μm波长气溶胶探测激光雷达的脉冲发射示意图；图3为本专利技术中采用的Golay脉冲序列相关函数及其和的函数示意图；图4为本专利技术中脉冲编码1.5μm波长气溶胶探测激光雷达信号解码流程图；图5为单脉冲的回波信号和脉冲编码及解码后的的回波信号及其信噪比的示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。实施例请参阅图1示出本专利技术公开的一种基于脉冲编码技术的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的包括：种子激光器1、第一电光调制器2、第二电光调制器3、光纤放大器4、分束器5、准直器6、接收望远镜7、滤波器8、铟镓砷量子探测器9、能量监测通道10、采集卡11、计算机12、波形发生器13；其中：...

【技术保护点】
1.一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，其特征在于，包括：种子激光器、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器、分束器、准直器、接收望远镜、滤波器、铟镓砷量子探测器、能量监测通道、采集卡、计算机以及波形发生器；其中：/n所述种子激光器的输出端、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器和分束器各输入端、输出端及准直器的输入端依序连接；所述接收望远镜的输出端、滤波器、铟镓砷量子探测器、采集卡、计算机各输入端、输出端和波形发生器的输入端依序连接；能量检测通道的输入端与分束器的输出端连接，能量检测通道的输出端接入采集卡的输入端连接，波形发生器的输出端分别连接第一电光调制器和第二电光调制器；/n通过能量检测通道接收一束脉冲编码光并将脉冲编码波形反馈给采集卡，采集卡将脉冲编码波形反馈给计算机，计算机控制波形发生器，控制第一电光调制器和第二电光调制器将种子激光器的连续光调制成编码的脉冲光并生成脉冲编码，光纤放大器对脉冲编码进行放大，分束器将放大后的脉冲编码光分成两束，其中一束脉冲编码光由准直器进行出射；接收望远镜接收大气回波信号后，使用滤波器滤除大气回波信号的背景噪声，并将去噪大气回波信号接入铟镓砷量子探测器，铟镓砷量子探测器输出未经解码的光子数包络信号，由采集卡进行采集并输入计算机进行解码和数据处理。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，其特征在于，包括：种子激光器、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器、分束器、准直器、接收望远镜、滤波器、铟镓砷量子探测器、能量监测通道、采集卡、计算机以及波形发生器；其中：
所述种子激光器的输出端、第一电光调制器、第二电光调制器、光纤放大器和分束器各输入端、输出端及准直器的输入端依序连接；所述接收望远镜的输出端、滤波器、铟镓砷量子探测器、采集卡、计算机各输入端、输出端和波形发生器的输入端依序连接；能量检测通道的输入端与分束器的输出端连接，能量检测通道的输出端接入采集卡的输入端连接，波形发生器的输出端分别连接第一电光调制器和第二电光调制器；
通过能量检测通道接收一束脉冲编码光并将脉冲编码波形反馈给采集卡，采集卡将脉冲编码波形反馈给计算机，计算机控制波形发生器，控制第一电光调制器和第二电光调制器将种子激光器的连续光调制成编码的脉冲光并生成脉冲编码，光纤放大器对脉冲编码进行放大，分束器将放大后的脉冲编码光分成两束，其中一束脉冲编码光由准直器进行出射；接收望远镜接收大气回波信号后，使用滤波器滤除大气回波信号的背景噪声，并将去噪大气回波信号接入铟镓砷量子探测器，铟镓砷量子探测器输出未经解码的光子数包络信号，由采集卡进行采集并输入计算机进行解码和数据处理。


2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达，其特征在于，所述种子激光器为1.5μm波长种子激光器或光纤激光器，所述光纤放大器使用掺饵光纤放大器，所述分束器使用1:99的分束器，所述波形发生器使用双通道任意波形发生器。


3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达信号解码方法，其特征在于，所述脉冲编码是使用Golay编码，其他编码形式包括但不限于Simplex码、CCPONS互补码。


4.一种基于脉冲编码的1.5μm波长气溶胶探测激光雷达信号解码方法，其特征在于，实现反演的技术方案包括步骤如下：
步骤S1:使用双通道任意波形发生器生成四组单极性Golay码调制第一电光调制器和第二电光调制器，对发射激光进行脉冲编码，得到四组激光雷达信号；
步骤S2:对四组激光雷达信号进行距离门划分，并对...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冲，李文豪，王雨，薛向辉，
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