本實(shí)用新型涉及一種偏振激光雷達(dá)，具體涉及一種基于瓊斯矩陣進(jìn)行標(biāo)定的偏振激光雷達(dá)。
背景技術(shù)：
：瓊斯矩陣是用來描述偏振器件對(duì)偏振光的變換作用，可認(rèn)為任意偏振光可以由它的光矢量的兩個(gè)分量構(gòu)成一個(gè)列矩陣來表示，獲知偏振光的疊加與合成及出射光的偏振態(tài)。偏振激光雷達(dá)是一種研究沙塵氣溶膠和卷云的有效工具，在大氣觀測中至關(guān)重要。偏振激光雷達(dá)中，平行回波信號(hào)反映了米散射激光雷達(dá)的探測信息，垂直回波信號(hào)與平行回波信號(hào)之比即為退退偏比，是非球形粒子后向散射光的退偏比，偏振激光雷達(dá)的退偏比可以認(rèn)為是非球形粒子的指示器，可反映散射粒子的形狀及物相，可用于區(qū)分大氣組分液態(tài)、混合狀態(tài)、冰云及氣溶膠類型，可見，偏振激光雷達(dá)的所有信息都依賴于退偏比的準(zhǔn)確探測，而退偏比的準(zhǔn)確探測依賴于系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定?，F(xiàn)有的偏振激光雷達(dá)標(biāo)定方法如McGill法，將半波片嵌入接收系統(tǒng)光路，旋轉(zhuǎn)45度以使偏振面輸出信號(hào)與接收器偏振軸向相匹配。該方法消除了對(duì)基準(zhǔn)退偏比的需要，但需要半波片旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確角度。除此之外，使用非偏振光在多通道產(chǎn)生相同信號(hào)來標(biāo)定偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)也是常用的方法，但該方法局限于理想的非偏振光是不易獲得的。就算獲得非偏振光，需要考慮非偏振光的光子計(jì)數(shù)強(qiáng)度，且只能使用到單一的探測技術(shù)，試驗(yàn)過程中也需要轉(zhuǎn)換光學(xué)路徑測量兩偏振通道連續(xù)激光脈沖，同時(shí)還需要直觀地獲取偏振光束分光器的光學(xué)反射率和轉(zhuǎn)換參數(shù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種能夠有效確定半波片準(zhǔn)確角度，定標(biāo)精度高、相對(duì)誤差小的偏振激光雷達(dá)。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種偏振激光雷達(dá)，包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和光電探測系統(tǒng)；發(fā)射系統(tǒng)包括激光器、擴(kuò)束鏡、線性偏振片、半波片、旋轉(zhuǎn)角度控制裝置和反射鏡；激光器發(fā)射激光，依次經(jīng)擴(kuò)束鏡、線性偏振片、半波片和反射鏡后，垂直進(jìn)入大氣；旋轉(zhuǎn)角度控制裝置與半波片相連；接收系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡、反射鏡、準(zhǔn)直鏡、濾光片和分束鏡；激光進(jìn)入大氣的后向散射信號(hào)被望遠(yuǎn)鏡接收，接收的信號(hào)依次經(jīng)反射鏡、準(zhǔn)直鏡、濾光片后進(jìn)入分束鏡分解成正交的兩個(gè)方向的回波信號(hào)，分別進(jìn)入水平通道和垂直通道；光電探測系統(tǒng)，包括光電倍增管、光子計(jì)數(shù)器和計(jì)算機(jī)；光電倍增管為兩個(gè)，分別用于接收接收系統(tǒng)的水平通道和垂直通道的回波信號(hào)；計(jì)算機(jī)通過光子計(jì)數(shù)器分別與兩個(gè)光電倍增管相連。旋轉(zhuǎn)角度控制裝置包括步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械轉(zhuǎn)盤；機(jī)械轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)軸與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸傳動(dòng)相連；半波片與機(jī)械轉(zhuǎn)盤相連。旋轉(zhuǎn)角度控制裝置還包括主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪；步進(jìn)電機(jī)的輸出軸連接主動(dòng)齒輪，機(jī)械轉(zhuǎn)盤外周設(shè)有從動(dòng)齒輪；主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪相嚙合；機(jī)械轉(zhuǎn)盤的中心處設(shè)有凹槽，半波片設(shè)于凹槽內(nèi)。本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)半波片進(jìn)行固定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了操作的精密性，避免了手動(dòng)調(diào)節(jié)所帶來的誤差，解決了已有標(biāo)定方法中無法找到半波片準(zhǔn)確角度的困難；同時(shí)通過對(duì)瓊斯矩陣進(jìn)行變換求解對(duì)偏振激光雷達(dá)瓊斯矩陣恒量進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)確定半波片優(yōu)化的旋轉(zhuǎn)角度；通過瓊斯矩陣恒量和半波片角度雙向確定，定標(biāo)精度高、相對(duì)誤差小。附圖說明圖1為本實(shí)用新型偏振激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中旋轉(zhuǎn)角度控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1-激光器，2-擴(kuò)束鏡，3-線性偏振片，4-半波片，5-旋轉(zhuǎn)角度控制裝置，51-步進(jìn)電機(jī)，52-機(jī)械轉(zhuǎn)盤，53-主動(dòng)齒輪，54-從動(dòng)齒輪，6-反射鏡，7-大氣，8-望遠(yuǎn)鏡，9-反射鏡，10-準(zhǔn)直鏡，11-濾光片，12-分束鏡，13-光電倍增管，14-光子計(jì)數(shù)器，15-計(jì)算機(jī)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)用新型偏振激光雷達(dá)包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和光電探測系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)包括激光器1、擴(kuò)束鏡2、線性偏振片3、半波片4、旋轉(zhuǎn)角度控制裝置5和反射鏡6。接收系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡8、反射鏡9、準(zhǔn)直鏡10、濾光片11和分束鏡12。光電探測系統(tǒng)包括光電倍增管13、光子計(jì)數(shù)器14和計(jì)算機(jī)15。激光器1利用一個(gè)半導(dǎo)體泵浦的、窄線寬、連續(xù)的種子激光器激光注入到高能脈沖激光振蕩器中獲得高功率、窄線寬、532nm輸出的激光，脈沖能量為10mJ，單脈沖重復(fù)頻率為11Hz。發(fā)出的532nm的激光經(jīng)擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束，調(diào)節(jié)擴(kuò)束境2，使激光的發(fā)散角一定要小于系統(tǒng)的視場角，以保證激光能量的充分應(yīng)用。擴(kuò)束后的激光經(jīng)線性偏振片3，激光變?yōu)榫€偏振光，此時(shí)，激光沿同一方向偏振。光路經(jīng)過半波片4，通過旋轉(zhuǎn)角度控制裝置5帶動(dòng)半波片4旋轉(zhuǎn)固定小角度，調(diào)節(jié)激光偏振態(tài)能夠與偏振分束鏡(PBS)12匹配。激光經(jīng)45度反射鏡6，將水平傳輸?shù)募す獯怪边M(jìn)入大氣7。激光進(jìn)入大氣7后產(chǎn)生不同方向的散射，其中后向散射信號(hào)被望遠(yuǎn)鏡8(其中望遠(yuǎn)鏡8的焦平面上焦點(diǎn)附近放置有孔徑光闌，以壓縮接收系統(tǒng)的視場角限制望遠(yuǎn)鏡的視場角接收)，45度反射鏡9將接收到的垂直的光變成水平的光信號(hào)，該反射鏡9可用于調(diào)節(jié)激光中心軸向。反射鏡9反射的信號(hào)光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡10準(zhǔn)直為平行光，然后利用中心波長為532nm、帶寬為0.35nm的窄帶濾光片11壓縮背景光。經(jīng)過濾波、準(zhǔn)直后的光經(jīng)偏振分束鏡12，分解成正交的兩個(gè)方向的光，分別進(jìn)入水平通道和垂直通道；將接收到的兩個(gè)通道的回波信號(hào)通過光電探測系統(tǒng)中的光電倍增管13將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，利用光子計(jì)數(shù)器14采集光電倍增信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)15中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中，望遠(yuǎn)鏡8采用直徑為200mm的凱賽格林(Cassegrain)望遠(yuǎn)鏡。準(zhǔn)直鏡10采用2f＝100mm的雙凸透鏡，其作用是將望遠(yuǎn)鏡8接收到的匯聚光變成平行光。濾光片11將后向散射光準(zhǔn)直為平行光，利用中心波長為532nm、帶寬0.1nm的窄帶濾光片壓縮背景光，峰值通過率達(dá)到70％，濾除除發(fā)射激光以外其他頻段的光，以提高整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。偏振分束鏡12將接收到的不同偏振態(tài)激光分成正交的兩個(gè)方向的光以便光電倍增管采集。光電探測器采用光電倍增管13將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，為避免引入不必要的誤差，探測器采用同種型號(hào)的，在此系統(tǒng)中使用H10682這一型號(hào)探測器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，該探測器為光子計(jì)數(shù)型探測器，脈沖個(gè)數(shù)的多少代表光子的數(shù)目。光子計(jì)數(shù)器14采用型號(hào)為P7882的光子計(jì)數(shù)卡，該光子計(jì)數(shù)卡的采樣位數(shù)為12位，采樣速率為單通道200MHz。單通道信號(hào)的距離分辨率為15m，雙通道的距離分辨率為30m。由于偏振激光雷達(dá)為雙通道，因此距離分辨率設(shè)置為30m。如圖2所示，旋轉(zhuǎn)角度控制裝置5包括步進(jìn)電機(jī)51和機(jī)械轉(zhuǎn)盤52。步進(jìn)電機(jī)51的輸出軸連接主動(dòng)齒輪53，機(jī)械轉(zhuǎn)盤52外周設(shè)有從動(dòng)齒輪54。主動(dòng)齒輪53和從動(dòng)齒輪54相嚙合。機(jī)械轉(zhuǎn)盤52的中心處設(shè)有凹槽，半波片4設(shè)于凹槽內(nèi)。步進(jìn)電機(jī)51用于控制機(jī)械轉(zhuǎn)盤52轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、角度。在本系統(tǒng)中，為了得出退偏比值與半波片4轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系，半波片4轉(zhuǎn)動(dòng)到每一角度，得出對(duì)應(yīng)退偏比值。根據(jù)激光器1發(fā)射激光重復(fù)頻率為1000赫茲，采集60000個(gè)激光脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一次后停留1分鐘，加上執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)51轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間及對(duì)狀態(tài)判斷的時(shí)間，控制機(jī)械轉(zhuǎn)盤52轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為1/62赫茲，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為2度。對(duì)上述偏振激光雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定的目的是，通過偏振激光雷達(dá)瓊斯矩陣恒量、大氣分子退偏比的標(biāo)定，使得偏振激光雷達(dá)在后續(xù)遠(yuǎn)距離探測的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)偏振激光雷達(dá)瓊斯矩陣恒量的標(biāo)定要基于對(duì)該系統(tǒng)瓊斯矩陣進(jìn)行變換、求解。基于光學(xué)瓊斯矩陣，變換、求解過程如下：考慮到該偏振雷達(dá)激光發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，使用光電倍增管測得光學(xué)分量偏振態(tài)可用如下公式描述：E→R=MPMT·MPBS·MOpt·MRet·E→T---(1)]]>其中，MPMT、MPBS和MRet分別是光電倍增管13、分束鏡12及延時(shí)器(半波片4)光學(xué)瓊斯矩陣，MOpt為偏振激光雷達(dá)中望遠(yuǎn)鏡8、反射鏡9、擴(kuò)束鏡2及其他器件的光學(xué)瓊斯矩陣。和分別為接收光線和發(fā)射光線的偏振態(tài)。延遲器沿快軸增加相位θ/2，相應(yīng)的慢軸延遲θ/2相位。因此，瓊斯矩陣中φ為延遲器引起的相位延遲。若旋轉(zhuǎn)延遲器φ，可根據(jù)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度有根據(jù)地得到延遲器對(duì)應(yīng)的瓊斯矩陣，如下：MRet=cosθ-sinθsinθcosθ·100eiφ·cosθsinθ-sinθcosθ---(2)]]>其中，θ為延遲器快軸與分束鏡12軸向之間的角度。若該雷達(dá)系統(tǒng)中光學(xué)器件精密，足以忽略器件誤差，則公式(1)可寫為：E→||E→⊥R=1001PMT·1001PBS1001Opt·cosθ-sinθsinθcosθ·100eiφ·cosθsinθ-sinθcosθ·10---(3)]]>然而，對(duì)于實(shí)際的光學(xué)器件，需要考慮光電倍增管(PMT)增益、分束鏡(PBS)相位干擾、延時(shí)器相位誤差及發(fā)射激光偏振度帶來的影響，公式(3)可寫為如下：E→||E→⊥R=100GPMT·1P12P21P22PBS1O12O21O22Opt·cosθ-sinθsinθcosθ·100ei(π+ϵ6)·cosθsinθ-sinθcosθ·1x---(4)]]>其中，需要考慮半波片作為延遲器引起的相位延遲誤差，用于后向散射回波信號(hào)探測的兩光電倍增管間也存在由探測效果差異引起的變量G，對(duì)于實(shí)際使用的偏振光束分束鏡，相位干擾也是需要考慮的。因此，瓊斯矩陣中有以上三個(gè)未知量。其中，P12、P21、P22分別為分束鏡的瓊斯矩陣參數(shù)，ε6為半玻片相位延遲參數(shù)。在標(biāo)定、歸一化及未知量替代后，公式(4)可改寫為：E→||E→⊥R=1ϵ1ϵ2ϵ3·cosθ-sinθsinθcosθ·1ϵ4ϵ5ei(π+ϵ6)·cosθsinθ-sinθcosθ·1ϵ7---(5)]]>在公式(5)中，和分別為后向散射回波信號(hào)水平方向和垂直方向的偏振態(tài)?？紤]能量與幅度的關(guān)系，εi為瓊斯矩陣恒量(i＝1-6)，定義系統(tǒng)的退偏比函數(shù)為：其中，和分別為垂直通道和水平通道的能量幅度。從公式(6)可看出，退偏比是關(guān)于半波片旋轉(zhuǎn)角度θ的函數(shù)。通過旋轉(zhuǎn)半波片不同的角度，獲得退偏比函數(shù)一系列的值。若給出公式(5)中的未知量，將獲得隨θ變化的退偏比變化率函數(shù)。定義Diff函數(shù)比較Dep(θ)函數(shù)和Dep’(θ)函數(shù)，如下：Diff＝[Dep’(θ)-Dep(θ)]2運(yùn)用最小二乘法對(duì)上述公式進(jìn)行擬合，獲得瓊斯矩陣恒量εi，獲得該系統(tǒng)的瓊斯矩陣恒量。實(shí)際回波信號(hào)與探測信號(hào)的關(guān)系如下：E→||E→⊥D=1ϵ1ϵ2ϵ3·E→||E→⊥R---(7)]]>由此，探測信號(hào)是由該偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)測得，ε1-3由標(biāo)定得出，可根據(jù)公式7簡單地計(jì)算出，對(duì)于氣溶膠、云等其他目標(biāo)物的退偏比也是如此得出。在偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)中，為了獲得對(duì)后向散射信號(hào)退偏比的最優(yōu)觀測，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測之前，需要找到發(fā)散激光與偏振分束鏡12匹配最佳時(shí)，半波片旋轉(zhuǎn)的角度，以此對(duì)偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)準(zhǔn)確標(biāo)定。在標(biāo)定進(jìn)行前，準(zhǔn)直光路，檢查系統(tǒng)避光性情況及連線情況，保證器件放置妥當(dāng)。選擇晴朗、天空潔凈的夜晚，忽略大氣氣溶膠及大氣分子對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響，標(biāo)定過程中，通過步進(jìn)電機(jī)51控制機(jī)械轉(zhuǎn)盤52轉(zhuǎn)動(dòng)角度、頻率，帶動(dòng)半波片4旋轉(zhuǎn)固定小角度，改變后向回波信號(hào)。在每一旋轉(zhuǎn)角度，角度旋轉(zhuǎn)后，測量兩通道信號(hào)。兩通道光電倍增管13采集5000個(gè)激光脈沖信號(hào)，重復(fù)以上兩步，獲得多個(gè)角度上的信號(hào)。通過計(jì)算機(jī)15進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將5.625米到6千米作為標(biāo)定區(qū)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，得出隨半波片4旋轉(zhuǎn)角度變化的退偏比函數(shù)值及退偏比變化率函數(shù)值，對(duì)函數(shù)Diff函數(shù)進(jìn)行最小二乘法擬合，得出瓊斯矩陣恒量εi，根據(jù)公式(7)計(jì)算將帶入公式(5)中，計(jì)算出半波片4旋轉(zhuǎn)角度，固定該角度，進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測時(shí)，保持半波片旋轉(zhuǎn)角度不變，使用接收光路中的瓊斯矩陣修正來自偏振激光雷達(dá)兩通道光電倍增管的后向散射回波信號(hào)，從而修正退偏比。當(dāng)前第1頁1 2 3