本專利涉及激光雷達測量領域，尤其是一種同時采用同軸和旁軸兩種方式的全波形激光雷達接收系統(tǒng)。

背景技術：

激光雷達是以發(fā)射激光束來探測目標特征量的雷達系統(tǒng)，目前已成為探測大氣成分及其垂直分布的最有效的手段之一。發(fā)射機發(fā)出超短激光脈沖(5-200ns)，進入大氣后在行進的過程中不斷與大氣中的待測物質(zhì)(分子或微小顆粒)發(fā)生相互作用，其后向Raman散射，后向Mie散射，后向Rayleigh散射，可作為回波信號被望遠鏡接收，由光電探測器檢測變成光電流，進而轉(zhuǎn)換成電壓信號，送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器件(ADC)以便于后續(xù)的信號處理與反演工作。

下式公式1為一般激光雷達方程:

$P_r\left(R\right)=K\mathrm{\β}\left(R\right)ex\[p-2{\∫}_0^R\mathrm{\α}\left(r\right)dr\]/R^2---\left(1\right)$

P_r(R)是回波信號功率，K是激光系統(tǒng)的常數(shù)，決定于發(fā)射能量，望遠鏡有效面積，光學系統(tǒng)透過率，β(R)后向散射系數(shù)，α(r)消光系數(shù)(衰減系數(shù))。從公式中可以看出，隨著激光脈沖行進高度增加(距離遞增)，信號隨之衰減，且P_r(R)與激光脈沖到達高度(距離)R的平方成反比。因此，近處的回波信號(強)與遠處的回波信號(弱)之間的幅度差別會很大，甚至可能相差5-6個數(shù)量級，如圖2所示。如果是同軸收發(fā)激光雷達系統(tǒng)，一般的光電探測器很難在這樣寬的動態(tài)范圍下還能保持良好的線性輸出特性(電壓與接收光功率成正比)，所以需要采取一些其它措施來保證輸出。

針對旁軸收發(fā)激光雷達系統(tǒng)，引入“幾何重疊因子O(R)”，表示距離為R處后向散射光進入探測器的比例，如圖1。則雷達方程可改寫為：

$P_r\left(R\right)=KO\left(R\right)\mathrm{\β}\left(R\right)ex\[p-2{\∫}_0^R\mathrm{\α}\left(r\right)dr\]/R^2---\left(2\right)$

其中0.0≤O(R)≤1.0。為了獲得探測器的良好輸出，需要信號的動態(tài)范圍不能過大，通常的做法是將發(fā)射光軸與接收光軸拉開適當?shù)木嚯x。由于激光的發(fā)散角與望遠鏡的視場角都比較小，這就使得最近場的強散射信號不會進入接收視場(幾何重疊因子等于零，稱之為盲區(qū))；隨著距離的增加，兩個視場逐漸開始相交，稍近場強信號部分進入接收視場(幾何重疊因子介于0～1.0，并逐漸增大)；到特定高度之后，發(fā)射視場完全進入接收視場(幾何重疊因子等于1.0)，則此高度之后的回波會被望遠鏡完全接收。這樣壓縮了回波信號的動態(tài)范圍，使得最強信號與最弱信號的比值不至于太大，能夠獲得良好的輸出，如圖3。

這種做法通過增加近場盲區(qū)、減小近場接收視場和發(fā)射視場的重疊因子來達到衰減近場信號強度、實現(xiàn)壓縮信號強度的動態(tài)范圍。它有明顯的缺點:盲區(qū)的存在犧牲了近場信號，失去了近距離(近地面)信息，比如大氣邊界層以下水汽、氣溶膠等重要信息。因此，如何彌補這一缺點，正是本發(fā)明所要解決的核心問題。

技術實現(xiàn)要素：

本專利旨在提出一種提高回波動態(tài)范圍的新型雙通道激光雷達接收系統(tǒng)，這樣做的目的在于提高激光雷達回波的動態(tài)范圍又不失精度，提升探測能力以及減小測量盲區(qū)。

所述激光雷達接收系統(tǒng)包括同軸接收單元和旁軸接收單元。在繼承經(jīng)典旁軸激光雷達收發(fā)結(jié)構(gòu)的同時，增加復用擴束器的同軸收發(fā)通道，把用作擴束器的小口徑發(fā)射鏡筒變成雙重身份的光學器件，一方面繼續(xù)擔當擴束器，將發(fā)射 激光的發(fā)散角變小，另一方面用作小口徑望遠鏡，接收近場距離的大氣散射回波信號，由于該鏡筒口徑較小，根據(jù)公式2可以得知通過其獲得的大氣散射回波信號也會較小，便于探測；大口徑鏡筒采用旁軸工作方式，只作為望遠鏡，接收遠場距離的大氣散射回波，它的光軸與發(fā)射光軸平行并且分開一定的距離，在近處有一段盲區(qū)，不會接收到近場過強的回波信號。

所述激光雷達接收系統(tǒng)的同軸接收單元由擴束器，四分之一波片，偏振分束片，濾光片組，同軸會聚透鏡，近場探測器構(gòu)成。線偏振激光經(jīng)過偏振分束片反射，透過四分之一波片后變成圓偏振激光射入大氣，與待測物質(zhì)作用后的回波信號會變?yōu)樾D(zhuǎn)方向相反的圓偏振光并沿著發(fā)射光路返回，被擴束器收集，經(jīng)過四分之一波片變?yōu)榕c激光器出射激光偏振方向垂直的線偏振光，可以透過偏振分束片，經(jīng)過濾光片組后會聚在近場探測器的探測面上。由于復用了擴束器，與激光發(fā)射光路完全同軸，為了防止發(fā)射脈沖激光竄入接收通道而使得近場探測器發(fā)生飽和、甚至燒壞，要對偏振分束片合理鍍膜，同時對探測器的工作電壓設置延時門控。由激光器調(diào)Q信號觸發(fā)探測器門控電路產(chǎn)生一個延時脈沖，將激光發(fā)射脈沖的時間置于這個延時脈沖時間內(nèi)，在此期間，探測器的工作電壓置零或置負值，高壓工作電源(雪崩二極管300-400V電壓源或光電倍增管9000-14000V電壓源)只有在延時脈沖結(jié)束之后才加到探測器上。

所述激光雷達接收系統(tǒng)的旁軸接收單元由望遠鏡，光闌，場鏡，旁軸干涉濾光片，旁軸會聚透鏡，遠場探測器構(gòu)成，望遠鏡光軸與發(fā)射激光光軸采取旁軸放置的方式。由公式1可以看到，望遠鏡口徑與接收到的回波功率成正比，因此為了接收到遠場信號，此處選取大口徑望遠鏡。遠場回波經(jīng)望遠鏡接收后，由會聚光路會聚到遠場探測器探測面上。

在雙光軸、雙通道模式工作時，兩個通道的接收視場在一定高度范圍內(nèi)須 有重疊區(qū)域，以便于在信號預處理中將兩個通道的回波信號即回波垂直分布曲線按高度(距離)在重疊區(qū)域融合銜接在一起，構(gòu)成由遠及近的完整回波強度波形。

本專利增大了回波信號的動態(tài)范圍，能有效增強承載該接收系統(tǒng)的激光雷達系統(tǒng)的探測能力。

附圖說明

圖1發(fā)射光軸與接收光軸平行而分開收發(fā)視場的重疊情況示意圖(φ>θ，接收視場總是大于發(fā)射視場)。

圖2模擬的激光雷達回波功率隨散射體(激光路經(jīng)的某大氣體積單元)高度變化的曲線。

圖3回波相對強度P_r(R)的動態(tài)范圍被重疊因子O(R)壓縮而近地面區(qū)域存在盲區(qū)的示意圖。

圖4本專利的一個具體實施方式示意圖。圖中標號:1-脈沖激光器、2-望遠鏡、3-擴束器、4-四分之一波片、5-偏振分束片、6-中性密度濾光片、7-同軸干涉濾光片、8-同軸會聚透鏡、9-近場探測器、10-調(diào)Q觸發(fā)信號、11-高壓電源、12-門控延時、13-光闌、14-場鏡、15-旁軸干涉濾光片、16-旁軸會聚透鏡、17-遠場探測器、18-反射鏡組成。

具體實施方式

圖4所示為所述激光雷達接收系統(tǒng)用于激光雷達系統(tǒng)的實例。脈沖激光器1發(fā)射線偏振激光脈沖，脈沖寬度在1ns-200ns范圍，偏振分束片5與入射光軸成45°角安置，圍繞工作平面的法線旋轉(zhuǎn)偏振分束片，使其偏振方向與發(fā)射激光的偏振方向匹配，發(fā)射光束被偏振分束片5全反射，旋轉(zhuǎn)四分之一波片4，使波片晶體的光軸與入射光束的偏振方向成45°角，線偏振的發(fā)射光束穿過四 分之一波片4之后變成圓偏振光束，圓偏振光束通過擴束器3，發(fā)散角隨之減小，束徑增大，最終進入大氣的光束的發(fā)散角小于望遠鏡2的接收視場角(全角)。

在激光經(jīng)過的大氣路徑都有后向散射回波，并且回波是旋轉(zhuǎn)方向與入射大氣激光相反的圓偏振光。近場的散射回波返回擴束器3，再次穿過四分之一波片4時，被還原成線偏振態(tài)，且偏振方向與激光器1出射激光的偏振方向垂直，因此它不被偏振分束片5反射，而是透過偏振分束片5，再穿過由中性密度濾光片6和同軸干涉濾光片7組成的濾光片組，被同軸會聚透鏡8會聚到近場探測器9上。

遠場信號由大口徑望遠鏡2接收，經(jīng)過光闌13，場鏡14，反射鏡18，旁軸干涉濾光片15，由旁軸會聚透鏡16會聚到遠場探測器17上。

為同軸接收單元的探測電路設置門控延時12，延時時間略大于激光脈沖寬度，門控延時12由激光器的調(diào)Q觸發(fā)信號10觸發(fā)，在門控延時12的延時時間內(nèi)，近場探測器9的高壓電源11將與近場探測器9斷開，近場探測器9上的工作電壓被置為零或負值；當門控延時12結(jié)束后，電源高壓11恢復接入近場探測器9。

以上所述僅為本專利用于激光雷達系統(tǒng)的一種具體實施方案，但本專利的保護范圍并不局限于此，因此本專利的保護范圍應以權(quán)利要求的保護范圍為準。