偏振激光雷达系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种偏振激光雷达系统。

背景技术

偏振激光雷达系统通过激光器发射偏振度极高的线偏振光与大气中的粒子相互作用，利用望远镜进行回波光信号的接收，通过一定的方式方法采集回波信号中平行于原偏振的分量(称为P分量)和垂直于原偏振分量(称为S分量)，从而实现偏振探测。通常用于探测大气颗粒物状态，识别大气中粒子形态，分析大气的微观物理性质，实现气溶胶的高精度探测。

目前，对接收信号的两个分量的分离方法一般是在接收端引入一个偏振分光棱镜，将两个互相垂直的量分离后由两个PMT（photomultiplier tube，光电倍增管）光电探测器分别采集，每个PMT后端也需要接入采集卡的两个不同通道，最后由终端计算退偏信息。然而，不同的PMT对同一个光信号的响应以及采集卡的不同通道对同一个电信号的响应都无法做到完全一致。因此，需要通过细致的标定保证信号采集接收系统对P、S两个偏振分量的响应一致，并在后续测量中保证整个光学系统的稳定性，否则需要对整个接收系统进行重新定标，整个过程复杂繁琐，也一定会引入误差。举例来说，一种偏振定标方法是在激光发射端加入半波片并进行旋转，接收端要对接收的信号进行拟合，采用双PMT探测器进行采集且计算量大。另一种偏振定标方法是直接对调PMT探测器，采用双PMT探测器，无法实时标定且调换探测器方法实时性不好，步骤复杂。再一种方法是在偏振棱镜前加入半波片通过旋转半波片的方式获得不同的光强，利用公式计算增益标定系数，同样存在多探测器问题，且无法实时标定。换言之，相关技术的偏振激光雷达系统采用分光棱镜和双探测器系统，需要对系统进行严格的增益比标定，容易引入系统误差，且无法随时标较，整个测量系统的系统繁杂且系统鲁棒性差。

鉴于此，简单、高效且精准地实现偏振信息的测量，是所属领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种偏振激光雷达系统，可以简单、高效且精准地实现偏振信息的测量。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例提供了一种偏振激光雷达系统，包括激光器、回波信号接收模块及回波信号采集处理模块；

所述回波信号采集处理模块包括电控检偏器、一个光电探测器、一个单通道的数据采集卡和处理器；

所述电控检偏器，用于在所述处理器的控制下进行旋转，将所述回波信号接收模块出射的回波信号依次分离为P分量和S分量进行出射；

所述光电探测器，用于采集所述P分量和所述S分量，并将采集数据传输至所述数据采集卡。

可选的，所述电控检偏器包括驱动电机、镜架和检偏器；

所述检偏器安装在所述镜架上，所述驱动电机分别与所述镜架和所述处理器相连；

所述处理器用于向所述驱动电机发送驱动信号，所述镜架在所述驱动电机的控制下进行旋转。

可选的，所述检偏器采用波段为400-700 nm，消光比大于1000：1的线偏振片。

可选的，所述激光器采用脉冲能量为300 uJ，重复频率为5 KHz的半导体激光器。

可选的，所述回波信号接收模块包括反射镜和望远镜；

所述反射镜，用于将所述激光器出射的线偏振脉冲激光信号反射进入大气；

所述望远镜，用于接收所述线偏振脉冲激光信号与大气粒子作用后产生的后向散射回波信号。

可选的，所述望远镜的焦距为1000 mm，接收口径为100 mm。

可选的，所述回波信号接收模块还包括光信号处理子模块；所述光信号处理子模块包括孔径光阑、准直镜和滤波片；

所述孔径光阑，用于抑制所述望远镜输出的回波信号的背景噪声；

所述准直镜，用于对穿过所述孔径光阑的回波信号进行准直；

所述滤波片，用于对经过所述准直镜准直后的回波信号进行降噪处理。

可选的，所述滤波片采用中心波长为532 nm，带宽为1 nm的窄带滤波片。

可选的，所述处理器还用于调用存储器存储的标校程序执行下述步骤：

向所述电控检偏器发送连续旋转模式指令，以使所述电控检偏器在连续旋转模式下连续旋转至少360°；

获取所述光电探测器在所述电控检偏器连续旋转过程中于每个旋转角度时的光能量，并生成光能量随旋转角度变化的能量-角度分布曲线；

在所述能量-角度分布曲线中选择相邻的目标最大能量值和目标最小能量值，并确定所述目标最大能量值对应的第一旋转角度，所述目标最小能量值对应的第二旋转角度；

向所述电控检偏器发送旋转指令，以使所述电控检偏器旋转至所述第一旋转角度处，并标定为旋转零点；

向所述电控检偏器发送步进旋转模式指令，以使所述电控检偏器按照目标步进步长进行旋转，所述光电探测器按照采集时间依次区分所测得的P分量和S分量；所述目标步进步长为所述第一旋转角度和所述第二旋转角度的差值。

可选的，所述处理器部署在工控机上。

本申请提供的技术方案的优点在于，利用线偏振光以不同角度入射检偏器的光学物理特性，通过处理器驱动电机实时控制检偏器的旋转，不仅可以实现对回波信号的P分量与S分量的分离，还可以实现通过远程手段对系统进行实时控制和标校，标校方式简单且高效。仅采用单个光电探测器和单一通道的数据采集卡便可完成偏振信息的探测，无需进行增益比的标定，不仅可以有效减小系统误差的引入，有利于实现简单、高效且精准地测量偏振信息，还可减少系统的制造成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的偏振激光雷达系统的一种具体实施方式结构图；

图2为本发明实施例提供的一个示例性应用场景的能量-角度分布曲线示意图；

图3为本发明实施例提供的偏振激光雷达系统的一种具体实施方式结构图；

图4为本发明实施例提供的偏振激光雷达系统的标校流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及二者的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图1，图1为本发明实施例提供的一种偏振激光雷达系统在一种可选的实施方式下的结构框架示意图，本发明实施例可包括以下内容：

偏振信息的测量能够反映大气中的粒子形态，对研究大气颗粒的垂直分布，分析大气气溶胶的组成成分和状态对研究云的粒子形态、沙尘分布有重要意义，同时对后向散射光的偏振信号能量的探测能够完全反映大气中气溶胶的浓度分布，实现气溶胶的定量。因此，高效且精准的偏振信息的测量是很有必要的，本申请利用偏振激光雷达系统可高效且精准地测量偏振信息，有利于得到精准的退偏信息，所谓退偏信息是反映接收光垂直于原偏振态方向的垂直分量能量与原偏振态能量的比值的信息。

本申请的偏振激光雷达系统可包括激光器1、回波信号接收模块20及回波信号采集处理模块30。

其中，激光器1用于出射线偏振脉冲激光信号，可选的，激光器1可采用脉冲能量为300 uJ，重复频率为5 KHz的半导体激光器。回波信号接收模块20用于将线偏振脉冲激光信号入射至大气，并将获取的线偏振脉冲激光信号与大气中的粒子相互作用后产生的回波信号发送至回波信号采集处理模块30。作为一种可选的实施方式，回波信号接收模块20可包括反射镜和望远镜；其中，反射镜可用于将激光器1出射的线偏振脉冲激光信号反射进入大气；望远镜可用于接收线偏振脉冲激光信号与大气粒子作用后产生的后向散射回波信号。为了提高回波信号的接收精度，望远镜的焦距例如可为1000 mm，接收口径例如可为100mm。回波信号采集处理模块30用于对入射的回波信号进行采集和处理，回波信号的采集为采集回波信号并将采集的回波信号转换为相应的电信号，回波信号的处理包括但并不限制为存储回波信号，以及根据转换后的电信号进行相关参数如偏振信息、退偏比的计算。

在本实施例中，回波信号采集处理模块30可包括电控检偏器、一个光电探测器、一个单通道的数据采集卡和处理器。电控检偏器用于在处理器的控制下进行旋转，将回波信号接收模块出射的回波信号依次分离为P分量（也即回波信号中平行于原偏振的分量）和S分量（也即回波信号中垂直于原偏振的分量）进行出射，换言之，电控检偏器可实现对回波信号的P分量和S分量的分离。所谓的电控检偏器是指受电机控制旋转的检偏器，可选的，电控检偏器可包括驱动电机、镜架和检偏器；检偏器安装在镜架上，该镜架为电控旋转镜架。驱动电机分别与镜架和处理器相连；处理器用于向驱动电机发送驱动信号，驱动电机接收到驱动信号之后，开启运转进而带动镜架进行旋转，也即镜架在驱动电机的控制下进行旋转，安装在镜架上的检偏器便在镜架的旋转带动下进行相应的旋转。检偏器的本质为线偏振片，因为位置放置于光电探测器前端可检测光的偏振状态所以称为检偏器，其工作原理为，当线偏振光平行于检偏器主光轴入射时，光强为100%；垂直于主光轴入射时，光强为0；其他角度入射时，光强按规律呈现一定的分布。作为一种可选的实施方式，检偏器可采用波段为400-700 nm，消光比大于1000：1的线偏振片。光电探测器用于采集电控检偏器分离的P分量和S分量，并将采集数据传输至数据采集卡。光电探测器例如可为PMT探测器，可以实现对微弱光信号的探测，提升回波信号的采集精准度。数据采集卡对光电探测器输出的电信号进行自动采集并送到处理器中进行分析、处理。数据采集卡为实现数据采集功能的计算机扩展卡，可以通过USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）、PXI（PCI （PeripheralComponent Interconnection，外围组件互连）extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)、PCI、PCI Express（peripheral component interconnect express，高速串行计算机扩展总线标准）、火线（1394）、PCMCIA（Personal Computer Memory CardInternational Association，PC机内存卡国际联合会的缩写）、ISA（Industry StandardArchitecture，工业标准体系结构）、Compact Flash（CF卡）、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入计算机。处理器可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器，处理器还可为控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片等。处理器可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(Central Processing Unit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器可以集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。为了降低成本，本实施例的处理器还可以部署在工控机上，当然，所属领域技术人员也可根据实际应用场景将处理器部署在任意一种硬件设备上，如服务器、个人PC。本申请可以采用任何一种与处理器以及光电探测器适配的数据采集卡。本实施例的回波信号采集处理模块30采用电控检偏器和单一光电探测器组合的方式，通过一定的方式控制检偏器的旋转实现偏振信号和退偏信号的实时标定与探测，相比相关技术中的偏振激光雷达使用偏振分光棱镜将信号光中两个互相垂直的偏振分量(P分量和S分量)分离后，由两个探测器分别完成两路信号的采集，通过一个电控检偏器便可完成回波信号分量的区分与采集，最终也仅需要一个探测器即可实现偏振探测，另外结合采用单一光电探测器和单通道采集卡采集的方式，有效减少了系统中由于多探测器和多通道采集卡探测性能不同而引入的误差，一定程度上也降低了系统成本。

在本发明实施例提供的技术方案中，利用线偏振光以不同角度入射检偏器的光学物理特性，通过处理器驱动电机实时控制检偏器的旋转，不仅可以实现对回波信号的P分量与S分量的分离，还可以实现通过远程手段对系统进行实时控制和标校，标校方式简单且高效。仅采用单个光电探测器和单一通道的数据采集卡便可完成偏振探测，无需进行增益比的标定，有效减小系统误差的引入，还减少了系统成本，可以实现低成本、简单、高效且精准地测量偏振信息。

基于上述实施例，为了进一步提高后续处理回波信号的精准度，得到更加精准的偏振信息以及退偏信号，回波信号接收模块20还可包括光信号处理子模块；光信号处理子模块用于去除接收到的回波信号中的噪声信号，其可包括孔径光阑、准直镜和滤波片；孔径光阑，用于抑制望远镜输出的回波信号的背景噪声；准直镜，用于对穿过孔径光阑的回波信号进行准直；滤波片，用于对经过准直镜准直后的回波信号进行降噪处理。为了取得更好的降噪效果，滤波片可采用中心波长为532 nm，带宽为1 nm的窄带滤波片。

可以理解的是，偏振雷达系统作为偏振信息的测量系统，需要在对回波信号的分量进行探测之前进行标校，本实施例还给出一种标校的实现方式，可包括下述内容：

处理器还用于调用存储器存储的标校程序执行下述步骤：

向电控检偏器发送连续旋转模式指令，以使电控检偏器在连续旋转模式下连续旋转至少360°；

获取光电探测器在电控检偏器连续旋转过程中于每个旋转角度时的光能量，并生成光能量随旋转角度变化的能量-角度分布曲线；

在能量-角度分布曲线中选择相邻的目标最大能量值和目标最小能量值，并确定目标最大能量值对应的第一旋转角度，目标最小能量值对应的第二旋转角度；

向电控检偏器发送旋转指令，以使电控检偏器旋转至第一旋转角度处，并标定为旋转零点；

向电控检偏器发送步进旋转模式指令，以使电控检偏器按照目标步进步长进行旋转，光电探测器按照采集时间依次区分所测得的P分量和S分量。

在本实施例中，目标最大能量值和目标最小能量值是指从中选择的相邻的一个最大值和一个最小值，目标步进步长为第一旋转角度和第二旋转角度的差值。电控检偏器包括两种工作模式，分别是连续旋转模式和步进旋转模式。连续旋转模式为检偏器由电机控制按照一定的角速度进行连续旋转；步进旋转模式为检偏器由电机控制按照设定的固定的角度步进进行旋转，光电探测器是在电控检偏器工作在步进旋转模式下探测偏振信息的。系统要实现偏振探测，首先控制检偏器处于连续旋转工作模式下，以起始状态为零点位置、例如可按1°/s的旋转速度进行旋转，通过光电探测器采集后可以得到信号光能量随旋转角度变化的曲线，也即能量-角度分布曲线为横坐标为旋转角度，纵坐标为光电探测器探测的相对应的光能量值所绘制的曲线。为了所属领域技术人员便于理解本实施例所提供的技术方案，本实施例以一个示意性的例子描述原理：回波信号中P分量强度为I

I=I

在非极端天气条件下，I

其中，实现上述标校功能的程序可以包括或被分割成一个或多个程序模块，该一个或多个程序模块被存储在存储介质中，并由一个或多个处理器所执行，以完成实施例公开的偏振激光雷达系统的标校方法。程序模块是指能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段。

在一些实施例中，上述偏振激光雷达系统还可包括有显示屏、输入输出接口、通信接口或者称为网络接口、电源以及通信总线。其中，显示屏、输入输出接口比如键盘（Keyboard）属于用户接口，可选的用户接口还可以包括标准的有线接口、无线接口等。可选地，在一些实施例中，显示器可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。显示器也可以适当的称为显示屏或显示单元，用于显示在偏振激光雷达系统中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面。通信接口可选的可以包括有线接口和/或无线接口，如WI-FI接口、蓝牙接口等，通常用于在偏振激光雷达系统与其他电子设备之间建立通信连接。通信总线可以是外设部件互连标准总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称EISA)总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。

可以理解的是，如果上述实施例中的偏振激光雷达系统中实现标校的方法以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请关于标校的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存取存储器（RandomAccess Memory，RAM）、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如SD或DX存储器等）、磁性存储器、可移动磁盘、CD-ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

为了使所述领域技术人员更加清楚明白本申请的技术方案，本申请还结合图3提供了一个示意性的实施例，回波信号接收模块20包括反射镜2、望远镜3、孔径光阑4、准直镜5、窄带滤波片6，光电探测器采用PMT探测器，处理器部署在工控机上，可包括下述内容：

偏振激光雷达系统可包括激光器1、反射镜2、望远镜3、孔径光阑4、准直镜5、窄带滤波片6、电控检偏器7、PMT探测器8、数据采集卡9和工控机10。激光器1发射线偏振脉冲激光，由反射镜2反射进入大气与大气中的粒子相互作用产生的后向散射回波信号由望远镜3接收，随后经过孔径光阑4抑制背景噪声，由准直镜5准直后进入窄带滤波片6进一步降噪，回波信号的两个互相垂直的偏振分量将会通过工控机10控制电控检偏器7不断旋转进行区分，最后信号由PMT探测器8进行采集并最终进入采集卡9进行最后的数据处理，采集数据最后存储在10工控机中。其中，激光器1可以选用商用的半导体激光器，例如高功率脉冲半导体激光器，脉冲能量为300 uJ，重复频率为5KHz。望远镜3的焦距为1000mm，接收口径为100mm。探测器可以选择H10721-110型PMT探测器。检偏器选择波段在400-700nm，消光比大于1000：1的线偏振片搭载于电机控制的偏振旋转镜架上。滤波片采用中心波长532nm，带宽1nm的窄带滤波片。

请参阅图4，偏振激光雷达系统实现偏振测量需按以下步骤进行标校：

S1：工控机10通过驱动电控镜架的电机控制电控检偏器7以连续旋转工作模式，旋转360°；

S2：将PMT探测器8所测得能量按照旋转角度绘制能量-角度分布曲线；

S3：在能量-角度分布曲线中找到相邻两个最大最小值对应的角度θ

S4：旋转电控检偏器7至角度θ

S5：设定电控检偏器7工作模式为步进工作模式，步进步长为90°(π/2)；

S6：PMT探测器8按采集时间顺序采集回波信号，并依次区分所测得的P分量与S分量。

最终10工控机既可以驱动旋转电控检偏器7，又可以实时得到电控检偏器7反馈的镜片旋转状态，从而实现与偏振采集结果与镜片旋转状态的对应，实现探测目标的同时也可以监控系统的运行状态。

由上可知，本实施例采用工控机驱动电控镜架控制检偏器旋转的方式配合单个PMT光电探测器的方式，建立了一套简洁高效的偏振测量系统。利用线偏振光以不同角度入射检偏器的光学物理特性，通过电机控制检偏器的旋转，得到探测能量随旋转角度的变化曲线，从而标校检偏器的旋转零点、确定步进模式步进长度，完成回波信号P分量与S分量的分离与探测；电机实时控制检偏器旋转，可以实现通过远程手段对系统进行实时控制和标校，标校方式简单高效；当系统出现零点漂移时，通过电机控制检偏器的方式，可以实时进行控制重新标定系统零点，增强系统的鲁棒性；同时整个系统仅采用了一个PMT探测器和一个采集通道，与传统系统相比既减少了系统误差的引入又节省了成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上对本申请所提供的一种偏振激光雷达系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。