一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统及方法技术方案

一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统及方法，系统包括依次设置的激光发射单元、接收大气的后向散射信号的激光接收单元、将光信号转换成电信号的光束处理单元、将电信号进行处理的控制处理单元，其特征在于，系统还包括设置在激光接收单元与光束处理单元之间的光束调节单元，光束调节单元包括依次设置的用于对信号旋转偏振态的半波片，偏振分光棱镜，半波片下方设置有移动平台，移动平台在第一驱动的作用下在垂直光路的方向上来回移动。该发明专利技术中标定过程可定时进行，自动化无需人值守操作；可替换性高，便于更新维修；此方法可在不同结构的偏振激光雷达系统上使用；利用半波片采用+45

【技术实现步骤摘要】
一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统及方法


[0001]本专利技术属于偏振激光雷达
，尤其涉及一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统及方法。

技术介绍

[0002]偏振激光雷达是探测大气中气溶胶及云光学特性十分重要的科学工具。自1971年Schotland等人首次使用偏振激光雷达探测了大气中冰云的退偏比，国内外科研工作者纷纷开展使用偏振激光雷达对大气进行探测。2003年中国科学院安徽光学精密机械研究所刘东等人用自行研制的532nm偏振激光雷达测量了卷云及沙尘的退偏比，其测量结果也与国外相关实验数据基本吻合。
[0003]偏振激光雷达进行探测的核心数据即为后向散射光的退偏比。根据米散射理论，当探测物体为球形时，其后向散射退偏比为0；当探测物体为非球型时，则后向散射光会发生一定程度的退偏，退偏比也会出现非0的情况。依据退偏比是否为0可有效的判别球形、非球形气溶胶，而根据独特的气溶胶分类方法，可以按照测得退偏比大小的具体数值对探测气溶胶进行分类，目前使用偏振激光雷达对气溶胶种类进行识别已较为精准。
[0004]常用的偏振激光雷达有3个探测波段，分别为355nm，532nm及1064nm，通过探测发射到大气中的后向散射回波信号，利用偏振分光棱镜可将回波信号中的平行偏振分量(P分量)和垂直偏振分量(S分量)进行分离，继而分别交由光电探测器进行探测，随后得出后向散射光的退偏比信息。但尽管使用同一款光电探测器也会出现能量上的探测误差，这种由于电子器件自身的差异性会导致偏振激光雷达探测结果的不准确性；其次由于接收光路中多种镀膜光学元件的使用、后向散射光的偏振态与入射偏振平面存在误差夹角同样会改变接收的后向散射光退偏比大小。因此准确的对偏振激光雷达系统存在的各种误差进行校正标定是正确获得退偏比数据的前提。
[0005]目前常用的偏振激光雷达标定方案包括：大气分子标定法、半波片法、
±
45
°
标定法等。大气分子标定法是当大气中只存在大气分子时，利用已知的大气分子退偏比0.0036进行标定，在接收到的原始退偏比与大气分子不匹配时，则使用标定系数V来进行校正标定，该方法操作简单，标定过程快速，所以该方法在上世纪末使用较为广泛，但其缺点也很明显，在选取合适的洁净大气时，往往是具有难度的，因此实际测量的大气退偏比与假设的干净大气退偏比间有误差，这些影响会导致标定系数不准确，因此该方法目前很少被采用；半波片法是指在激光器激光出射端加入半波片，通过旋转半波片45
°
，使激光的偏振态旋转90
°
，设计光路使激光入射至望远镜范围内，由于激光器出射能量保持不变，旋转半波片前后两次光电探测器所测得能量理论上相同，产生不等的情况则可使用增益系数G进行校正标定，该方法操作简单，但没有考虑光路中PBS等光学元件可能产生的偏振串扰情况；
±
45
°
标定法是德国慕尼黑大学的Freudenthaler等人提出的，与半波片法类似，区别是将半波片置于接收光路中PBS之前，通过旋转两次半波片(相对于初始位置，分别旋转
‑
22.5
°
，+22.5
°
)测量两次大气回波信号的退偏比值，即可通过公式确定增益系数G。
±
45
°
标定法在
标定公式中考虑了偏振串扰等问题，标定精度高，缺点是无法排除大气变化所带来标定影响，目前该标定方法已在国外多台高精度偏振激光雷达上使用。
[0006]以上所介绍的偏振激光雷达标定方案为目前主流的标定方案，偏振激光雷达出厂标定是十分重要的步骤，但在偏振激光雷达标定完成后一段时间，雷达系统依然可能存在退偏比信息产生误差的现象，原因是随着雷达系统运行时间增加，其中探测器可能会出现老化现象，包括探测增益失真，对于雷达系统中运用到的光学镀膜元件，也会因为环境因素，光能过大等对表面镀膜产生损伤，各个部件功能无法达到标定时理想性能。

技术实现思路

[0007]为了实现定时自动对偏振激光雷达系统进行标定，本专利技术提出了一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统及方法，具体技术方案如下：
[0008]一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统，包括依次设置的激光发射单元、接收大气的后向散射信号的激光接收单元、将光信号转换成电信号的光束处理单元、将电信号进行处理的控制处理单元，系统还包括设置在激光接收单元与光束处理单元之间的光束调节单元，所述光束调节单元包括依次设置的用于对信号旋转偏振态的半波片，偏振分光棱镜，所述半波片下方设置有移动平台，所述移动平台在第一驱动的作用下在垂直光路的方向上来回移动。
[0009]具体地说，所述半波片之前还设置有滤光片。
[0010]具体地说，所述半波片与将半波片支撑在移动平台上的支撑架之间设置有可支撑半波片环形转动的转动机构。
[0011]具体地说，所述转动机构包括固定在半波片和支撑架之间的轴承、与半波片同轴固定的齿轮、驱使齿轮转动的第二驱动。
[0012]具体地说，所述第二驱动为步进电机，所述步进电机的驱动端与齿轮啮合，所述转动精度为
±
0.05
°
。
[0013]具体地说，所述光束处理单元包括探测器和数据采集卡，所述偏振分光棱镜的两个输出光路上均设置有探测器，所述探测器的数据进入到数据采集卡中。
[0014]具体地说，工作步骤如下：
[0015]S1、光信号进入接收光路，首先经过滤光片滤除天空中的杂散光，确定计算机进入到定时标定程序；
[0016]S2、判断是否到达执行标定时间点，当到达时进入步骤S3，否则进入步骤S7；
[0017]S3、驱使半波片进入到光路中，启动光路，并采集，偏振分光棱镜的两个输出信号强度分别为P
T
(45
°
)和P
R
(45
°
)；
[0018]S4、获取未校正时两探测器测得的直接信号比δ
*
(+45
°
)；
[0019]S5、计算标定系数并载入作为最新标定系数V
*
；
[0020]S6、标定结束，第一驱动和第二驱动工作作用驱使半波片移出光路；
[0021]S7、进入常规探测；
[0022]S8、设定时间后判断是否再次需要标定。
[0023]具体地说，其中步骤S4中获取未校正退偏比δ
*
(+45
°
)的步骤如下：
[0024]偏振激光雷达在接收来自大气的后向散射信号后根据偏振相位分为平行偏振信号和垂直偏振信号，用下述公式分别表示为：
[0025][0026][0027]在上式中P
⊥
、P
||
分别为垂直偏振功率和平行偏振功率，可被接收系统中探测器分别接收；r为探测距离，η
⊥
和η
||
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统，包括依次设置的激光发射单元、接收大气的后向散射信号的激光接收单元、将光信号转换成电信号的光束处理单元、将电信号进行处理的控制处理单元，其特征在于，系统还包括设置在激光接收单元与光束处理单元之间的光束调节单元，所述光束调节单元包括依次设置的用于对信号旋转偏振态的半波片(7)，偏振分光棱镜(9)，所述半波片(7)下方设置有移动平台(8)，所述移动平台(8)在第一驱动(14)的作用下在垂直光路的方向上来回移动。2.根据权利要求1所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统，其特征在于，所述半波片(7)之前还设置有滤光片(6)。3.根据权利要求1所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统，其特征在于，所述半波片(7)与将半波片(7)支撑在移动平台(8)上的支撑架之间设置有可支撑半波片(7)环形转动的转动机构。4.根据权利要求3所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统，其特征在于，所述转动机构包括固定在半波片(7)和支撑架之间的轴承(13)、与半波片(7)同轴固定的齿轮、驱使齿轮转动的第二驱动。5.根据权利要求4所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统，其特征在于，所述第二驱动为步进电机，所述步进电机的驱动端与齿轮啮合，所述转动精度为
±
0.05
°
。6.根据权利要求3所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统，其特征在于，所述光束处理单元包括探测器(10)和数据采集卡(11)，所述偏振分光棱镜(9)的两个输出光路上均设置有探测器(10)，所述探测器(10)的数据进入到数据采集卡(11)中。7.根据权利要求1所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统，其特征在于，工作步骤如下：S1、光信号进入接收光路，首先经过滤光片(6)滤除天空中的杂散光，确定计算机(12)进入到定时标定程序；S2、判断是否到达执行标定时间点，当到达时进入步骤S3，否则进入步骤S7；S3、驱使半波片(7)进入到光路中，启动光路，并采集，偏振分光棱镜(9)的两个输出信号强度分别为P
T
(45
°
)和P
R
(45
°
)；S4、获取未校正时两探测器(10)测得的直接信号比δ
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(+45
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)；S5、计算标定系数并载入作为最新标定系数V
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；S6、标定结束，第一驱动(14)和第二驱动工作作用驱使半波片(7)移出光路；S7、进入常规探测；S8、设定时间后判断是否再次需要标定。8.根据权利要求1所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统，其特征在于，其中步骤S4中获取未校正退偏比δ
*
(+45
°
)的步骤如下：偏振激光雷达在接收来自大气的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，况志强，王来彬，刘本利，汤兢业，李乘，邓迁，吴德成，王珍珠，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：