一种立体环境监测偏振激光雷达系统

技术领域

本发明涉及大气环境遥感监测技术领域，具体涉及一种立体环境监测偏振激光雷达系统。

背景技术

如图2所示，目前大气颗粒物的分布探测，普遍采用激光主动探测米散射原理，向大气中发射一束激光，激光会与空气中的气溶胶分子发生散射，在后向散射位置上采用望远镜接收被散射的回波信号。不同距离、不同气溶胶消光系数，后向散射的回波信号强度会有所区别。米散射激光雷达能分析出不同高度处的气溶胶消光廓线，但不能判别污染物的种类。如图3所示，现有技术中也会采用具备偏振探测的激光雷达，出射的激光为线偏振光，已知出射激光的偏振比，通过PBS将返回光的垂直与平行通道分开，通过光电倍增管PMT分别探测两方向的光强度，即可以计算出退偏比。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种立体环境监测偏振激光雷达系统，无需多个探测器，即可同时通过遥感方式实现气溶胶消光廓线、横向偏振廓线、纵向偏振廓线的测量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种立体环境监测偏振激光雷达系统，包括：

激光发射系统，用于向空气中发出激光；

旋转偏振器件，能够绕光轴旋转；

镜头，位于旋转偏振器件的后侧，并将空气中气溶胶散射且经过旋转偏振器件的激光汇聚至分光镜处；

分光镜，将激光按比例分至CCD以及探测器处；

CCD，当旋转偏振器件旋转工作时，CCD用于探测横向偏振廓线分布；

探测器，当旋转偏振器件旋转工作时，探测器用于探测纵向偏振廓线分布；当旋转偏振器件不旋转工作，且旋转偏振器件与激光发射系统所发射激光的偏振方向一致时，探测器用于探测消光廓线。

进一步地，所述旋转偏振器件为线偏振器件。

进一步地，所述分光镜按照50:50的比例将激光分至CCD以及探测器处。

进一步地，所述激光发射系统包括激光器、第一反射镜、第二反射镜，第一反射镜将激光器所发射激光的光斑调整到第二反射镜的中间位置，通过调节第二反射镜的角度，使出射激光的方向与旋转偏振器件的光轴方向平行。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明的偏振器件是可以旋转的，且放置在接收系统的最前端，为垂直入射，通过旋转偏振器件运行在旋转状态和非旋转状态，即可实现消光廓线、横向偏振廓线、纵向偏振廓线的测量，无需多个探测器，节省了通道数和成本。

附图说明

图1为本发明雷达系统的结构示意图；

图2为现有技术中大气环境监测设备的示意图；

图3为现有技术中大气环境监测设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

本发明中的偏振激光雷达系统，除了遥感探测空气中气溶胶的分布外，还能判别污染物的种类信息，分别从纵向及横向判别污染物的分布类别。

纵向判断类别即不同高度廓线处的粒子退偏程度，试验观测发现，粒子不同的椭圆度，其退偏效果不同。球形粒子基本不改变激光的偏振特性，非球形粒子后向散射的退偏特性效应非常明显。球形粒子一般为VOC等气态污染物经过氧化、吸附、凝结形成的二次颗粒物(局部污染)；非球形粒子大多为沙尘，为外部输送。纵向判断能分析出垂直高度处的颗粒物污染物类别。

横向判断类别即根据光学成像特性及偏振光检偏原理实现，通过镜头2将物面成像在CCD3表面，CCD3记录光强度信息，同时旋转偏振器件1，记录不同角度处的偏振特性，根据斯托克斯方程即可以求解出物面不同位置的偏振信息，从而判断横向的偏振分布特性，从而判断物质类别。

如图1所示，本发明中的立体环境监测偏振激光雷达系统，包括激光器、第一反射镜8、第二反射镜9、旋转偏振器件1、镜头2、分光镜10、CCD3、小孔光阑4、准直镜5、滤光片6、探测器7、模数转换模块、主控、上位机。镜头位于旋转偏振器件的后侧。

其中激光器、第一反射镜8、第二反射镜9组成激光发射系统；旋转偏振器件1、镜头2、分光镜10、CCD3、小孔光阑4、准直镜5、滤光片6、探测器7组成接收系统。所述探测器7为光电倍增管(PMT)。

激光器出射的光经过两个反射镜反射后出射，第一反射镜8将激光光斑调整到第二反射镜9的中间位置，通过调节第二反射镜9的角度，实现出射激光束与接收系统同轴。发射到空气中的激光经过与气溶胶作用，散射后首先进入旋转偏振器件1，旋转偏振器件1为线偏振器件，可绕着光轴旋转，经过旋转偏振器的偏振光经过镜头2接收汇聚，通过分光镜50:50分光，一部分进入到CCD3成像，当旋转偏振器件1旋转工作时，CCD3能够探测横向偏振廓线分布；另一部分通过分光镜10、小孔光阑4、准直镜5、滤光片6后，达到探测器7表面，当旋转偏振器件1旋转工作时，此部分探测纵向的偏振廓线分布；当旋转偏振器件1不旋转工作，且旋转偏振器件1与出射激光的偏振方向一致时，探测器7用于探测消光廓线。具体工作流程如下。

偏振探测流程：

(1)激光器开启，激光进入大气中并被散射；

(2)旋转偏振器件1旋转工作，散射回来的光进入接收系统，并发生强弱变化；

(3)光电倍增管、CCD3采集光信号，并进行光电转化，通过数模转换模块采集进入到上位机中运算；

(4)输出纵向偏振廓线分布及横向偏振廓线分布。

消光探测流程：

(1)旋转偏振器件1旋转到与出射激光相同的偏振方向；

(2)激光器开启，激光进入大气中并被散射；

(3)散射回来的光进入接收系统，并发生强弱变化；

(4)光电倍增管采集光信号，并进行光电转化，通过数模转换模块采集进入到上位机运算；

(5)输出消光廓线。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。