[发明专利]基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统及测量方法

说明书

本发明涉及一种基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统及测量方法，属于激光雷达技术领域。该系统包括：利用发射装置根据信号处理装置产生的时序信号周期性输出在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束，利用接收装置接收大气回波信号，利用光谱鉴频器吸收设定波长的信号，以及将透射光信号入射至成像装置产生曝光时钟信号并输出图像信号；而后与成像装置连接的信号处理装置根据曝光时钟信号产生时序信号，并且信号处理装置根据图像信号计算得到不同距离的大气回波信号；所述大气回波信号用于对求解气溶胶后向散射系数和测量大气中的气溶胶浓度。本发明能够降低成本以及降低接收通道数量，简化了系统结构。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统及测量方法。

背景技术

气溶胶是大气中液相或固相悬浮颗粒所组成的分散系统，极大影响着地球的大气环境，对人类健康、公共卫生以及环境气候具有重要的影响。因此，针对大气气溶胶微物理特性以及时空分布的探测与研究，对于区域及全球的环境和气候问题具有重要意义。作为一种主动式光学遥感技术，激光雷达采用激光器为辐射光源，因其对气溶胶探测具有高时空分辨能力和探测灵敏度的特点，成为大气气溶胶探测的一种重要的主动遥感技术。

传统的脉冲式米散射气溶胶激光雷达技术的研究目前较为成熟且应用最为广泛，但因其在反演气溶胶参数时需要根据实际预设激光雷达比，使得反演结果具有较高的不确定性，尤其是在气溶胶颗粒尺寸显著变化时。高光谱分辨率激光雷达相较传统米散射激光雷达，通过采用光谱鉴频器滤除气溶胶米散射信号从而引入单独大气分子瑞利散射信号的方式，使得气溶胶参数可以得到精确反演。

当前，高光谱分辨率激光雷达系统所需激光器需要较低的展宽和精确的波长输出，接收端需匹配高性能光电倍增管及光子计数设备，导致系统成本难以降低，缺乏抗干扰能力；实现信号分离所采用干涉式光谱鉴频设备对于接收光线的入射角度和工作温度具有较高要求，使得系统结构复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统及测量方法，以解决成本高，系统复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于成像原理的高光谱分辨率激光雷达系统，包括：发射装置、信号处理装置、接收装置、光谱鉴频器以及成像装置；

所述发射装置，与所述信号处理装置相连接，用于根据所述信号处理装置生成的时序信号周期性输出在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束；

所述信号处理装置，与所述成像装置相连接，用于根据所述成像装置产生的曝光时钟信号生成所述时序信号，以及根据所述成像装置输出的图像信号确定不同距离的大气回波信号；所述大气回波信号用于对大气中的气溶胶浓度进行反演测量；

所述接收装置用于接收大气回波信号；所述大气回波信号被所述接收装置接收后入射到所述光谱鉴频器，经所述光谱鉴频器吸收设定波长的信号后得到的透射光信号入射至所述成像装置；所述大气回波信号是根据所述发射装置周期性输出在线波长激光束、离线波长激光束以及停止输出激光束发射到大气中，经过大气气溶胶、气体分子吸收和散射之后得到的；所述透射光信号包括只包含大气分子瑞利散射信号的分子通道信号、包含大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号的混合通道信号以及背景信号；所述在线波长激光束对应的大气回波信号经过所述光谱鉴频器后得到所述分子通道信号；所述离线波长激光束对应的大气回波信号经过光谱鉴频器后得到所述混合通道信号；所述停止输出激光束产生对应的大气回波信号经过光谱鉴频器后得到为背景信号。

可选的，所述发射装置，具体包括：半导体激光器、半导体激光器驱动电路、光放大器、光放大器驱动电路以及准直透镜；

依次设置的所述半导体激光器、所述光放大器以及所述准直透镜在同一条光路上；所述半导体激光器发出的激光束通过所述光放大器进行放大；