[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

说明书

本发明公开了一种双偏振接收的气体探测激光雷达及气体探测方法，包括产生探测脉冲光信号和参考脉冲光信号；将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；接收回波信号时，将其用偏振分束器分为平行态和垂直态，再进行叠加获得两种偏振态的On‑line与Off‑line大气气溶胶信号，通过对差分光学深度反演出待测气体浓度。本发明提供的方法可以得到更高信噪比的On‑line与Off‑line信号，同时更高信噪比的On‑line和Off‑line信号所反演得到的浓度更加精确。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种双偏振接收的气体探测激光雷达及气体探测方法。

背景技术

大气探测激光雷达以其方向性好、时间分辨率高、空间分辨率高、精度高、非接触(遥感)探测等优点，已广泛应用于测速、成像、污染物监测、测风、测温、密度探测等领域。大气探测激光雷达通过发射激光脉冲至大气中，通过探测大气回波信号，从而反演大气的能见度、大气成分、密度、风速和温度等信息。

长寿命的温室气体(GHGs)吸收来自地表的长波辐射，影响地球的辐射平衡。从工业时代开始，由于人类活动使长寿命的温室气体增加。二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)是仅次于水汽的最有力的温室气体，这些气体和一氧化二氮(N₂O)和臭氧(O₃)相关的微量气体一起在大气中积累，从而使全球气候变暖，引发极端事件，冰川融化和海平面上升，这在预测和确定这些气体在大气中的源和汇很重要。

当前气体探测激光雷达的种类繁多，如光学相关激光雷达（OCS-Lidar）、拉曼激光雷达（Raman Lidar）、差分吸收激光雷达（DIAL）、路径积分差分吸收激光雷达（IPDA）和多频率激光雷达DIAL/IPDA。其中，DIAL由于其相对灵活的优势，是目前用于大气气体遥感的最成熟的激光雷达技术。DIAL 具有两路波长信号的比值的特性，相对来说它不需要像拉曼激光雷达那样精确的校准，也不需要拉曼激光雷达所需要的高脉冲能量，在同等条件下能获得更高的探测距离和精度。在过去50 多年间发展了很多DIAL 系统来探测大气。2017年，Shibata 等将OPA/OPG 技术应用于CO₂探测的DIAL 系统中，并通过高低两种模式出射不同能量的激光。其中高模式的脉冲能量为20mJ，重频为250Hz，实现了6.3km 高度上距离分辨率为500m的CO₂探测，低模式下的脉冲能量为2mJ，实现了3.8km 高度上距离分辨率为100m的探测，测量精度1.0%。2017 年，法国航空航天研究院(ONREA)的Cadiou等人研制了2.05μm直接探测CO₂差分吸收激光雷达。该系统采用了光学参量振荡器(OPO)作为激光源，这种较大的光谱覆盖范围可以满足多种气体探测的需要。输出的脉冲能量为5~10mJ，重复频率为30Hz，脉冲宽度10ns。探测器类型为InGaAs PIN。CO₂的探测距离为1km，距离分辨率为150m，测量精度为10%。

激光雷达探测大气，大气中气溶胶的后向散射信号为圆偏振光，可分为与出射线偏振光平行和垂直的两个正交态。通常，大气的退偏比（垂直与平行的比）范围在0.2-0.3之间，沙尘气溶胶（建筑扬尘）或者人为排放气溶胶（工厂排放）的退偏比偏高。传统气体探测激光雷达中，由于探测器的偏振敏感性或者相干探测的原理，只收集了平行态，忽略了垂直态。

以上所测得的大气气溶胶信号也都是由于探测器的偏振敏感性或者相干探测的原理，丢失了另外一个偏振态的信息，这就导致大气中有退偏比大的不规则粒子时，所测量得到的结果就会不准确，回波信号弱，进而导致反演的浓度也不准确。

发明内容