[发明专利]一种双偏振接收的气体探测激光雷达及气体探测方法

权利要求书

1.一种双偏振接收的气体探测激光雷达，其特征在于，包括：

激光脉冲产生单元、收发望远镜单元、偏振分束单元、探测单元、数据采集单元和数据处理单元；

所述激光脉冲产生单元，用于产生探测脉冲光信号和参考脉冲光信号；

所述收发望远镜单元，用于将所述探测脉冲光信号和参考脉冲光信号扩束后指向探测大气，并接收回波信号；

所述偏振分束单元，用于将回波信号分束成垂直态和平行态的两束光；

所述探测单元，用于探测获得垂直态和平行态的回波信号，并完成相干探测；

所述数据采集单元，用于采集所述探测单元获取的垂直态和平行态的回波信号，并转发数据处理单元；

所述数据处理单元，用于将所获得垂直态和平行态的回波信号进行叠加得到包含两个偏振态的大气气溶胶信号，根据大气气溶胶信号计算得到差分光学深度；对差分光学深度反演，得到待测气体浓度。

2.根据权利要求1所述的一种双偏振接收的气体探测激光雷达，其特征在于，所述数据处理单元将所获得垂直态和平行态的回波信号进行叠加得到包含两个偏振态的大气气溶胶信号，根据大气气溶胶信号计算得到差分光学深度，具体采用以下公式：

其中DOD表示叠加得到包含偏振态的大气气溶胶信号计算得到的差分光学深度，表示探测脉冲光信号的回波信号，表示探测脉冲光信号平行态的回波信号，表示探测脉冲光信号垂直态的回波信号，表示参考脉冲光信号的回波信号；表示参考脉冲光信号平行态的回波信号，表示参考脉冲光信号垂直态的回波信号。

3.根据权利要求1所述的一种双偏振接收的气体探测激光雷达，其特征在于，激光脉冲产生单元包括两台激光发射器、光开关、电光调制器、预放大模块、滤波器和再放大模块，

两台激光发射器与光开关连接，光开关、电光调制器、预放大模块、滤波器和再放大模块顺序连接，一台激光发射器用于产生探测脉冲光信号来探测待测气体，另一台激光发射器用于发射参考脉冲光信号进行差分；

所述光开关，用于对探测脉冲光信号和参考脉冲光信号进行逻辑操作，使得二者交替被选通；

所述电光调制器，用于将探测脉冲光信号和参考脉冲光信号斩波获得脉冲序列；

所述预放大模块，用于对脉冲序列进行预放大；

所述滤波器，用于去除预放大后的信号中自激放大噪声；

所述再放大模块，用于对滤波后的信号进行再放大达到出射功率。

4.根据权利要求3所述的一种双偏振接收的气体探测激光雷达，其特征在于，所述气体探测激光雷达还包括分束器，所述光开关还连接分束器，所述分束器用于分别将探测脉冲光信号和参考脉冲光信号分束为设定比例的出射光和本振光；

所述探测单元包括两个耦合器和两个平衡探测器，所述两个耦合器分别用于将偏振分束单元分束出的垂直态和平行态的两束光分别与从分束器分束出的本振光进行拍频，得到频率为本振光频率减去回波信号频率的合成光；

两个平衡探测器，用于分别接收垂直态拍频后和平行态拍频后的回波信号。

5.根据权利要求3所述的一种双偏振接收的气体探测激光雷达，其特征在于，所述探测单元包括第一红外单光子探测器和第二红外单光子探测器，其中，第一红外单光子探测器用于接收偏振分束器分束出的平行态的光；第二红外单光子探测器接收偏振分束器分束出的垂直态的光。

6.一种双偏振接收的气体探测方法，其特征在于，包括：

产生探测脉冲光信号和参考脉冲光信号；

将所述探测脉冲光信号和参考脉冲光信号扩束后指向探测大气，并接收回波信号；

将回波信号分束成垂直态和平行态的两束光；

探测并采集获得垂直态和平行态的回波信号；

将所获得垂直态和平行态的回波信号进行叠加得到包含两个偏振态的大气气溶胶信号，根据大气气溶胶信号计算得到差分光学深度；对差分光学深度反演，得到待测气体浓度。

7.根据权利要求6所述的一种双偏振接收的气体探测方法，其特征在于，将所获得垂直态和平行态的回波信号进行叠加得到包含两个偏振态的大气气溶胶信号，根据大气气溶胶信号计算得到差分光学深度，具体采用以下公式：

其中DOD表示叠加得到包含两个偏振态的大气气溶胶信号计算得到的差分光学深度，表示探测脉冲光信号的回波信号，表示探测脉冲光信号平行态的回波信号，表示探测脉冲光信号垂直态的回波信号，表示参考脉冲光信号的回波信号，表示参考脉冲光信号平行态的回波信号，表示参考脉冲光信号垂直态的回波信号。