高精度偏振激光雷达关键技术及系统研究

发布时间：2020-10-10 06:23

　　激光雷达是探测大气科学数据的重要手段。偏振激光雷达因能获取关键的大气偏振信息从而成为激光雷达中不可或缺的重要成员。借鉴偏振微波雷达的思想,世界上第一台偏振激光雷达于1971年诞生。经过40余年的不断发展,偏振激光雷达理论已日趋成熟。然而与其他偏振测量系统类似,受系统误差的影响,偏振激光雷达获得高精度的大气偏振信息依然存在很多困难。本文致力于构建高精度偏振激光雷达系统。基于斯托克斯矢量-米勒矩阵理论,建立了偏振激光雷达数学模型。在此基础上,对偏振激光雷达的系统误差进行详细分析,研究系统中关键光学元件的偏振性质,着力解决影响偏振激光雷达探测精度的主要障碍。本文提出了一系列提高偏振激光雷达探测精度的关键技术,并研发了一套高精度偏振激光雷达实验系统,主要内容如下:建立了偏振激光雷达数学模型。基于斯托克斯矢量-米勒矩阵理论,按照功能将偏振激光雷达系统分为激光器、发射模块、大气、接收模块、定标模块、偏振分析模块以及探测器模块等7个组成部分。每个部分的偏振性质用一个斯托克斯矢量或者米勒矩阵表征,从而建立起系统参数与偏振激光雷达探测结果之间的数学关系。在该数学模型的基础上,对偏振激光雷达的系统误差进行了定量分析。计算了各个系统参数对偏振激光雷达探测精度的影响,明确了包括增益比等在内的7个关键系统参数,为构建高精度偏振激光雷达系统指明方向。提出了一种新的增益比定标方法。增益比作为偏振激光雷达中最重要的系统参数之一,其定标结果直接影响偏振激光雷达的探测精度。针对已有定标方法存在关键假设的缺点,本文提出△45°定标方法。通过理论分析和实验测量证明该方法的正确性和可行性。将提出的△45°定标方法与已有的±45°定标方法进行详细比较,验证了 △45°定标法具有信噪比高、不受大气状况、PBS偏振串扰及其他统参数的影响等优点。首次研究了半波片的偏振性质对增益比定标的影响,完善了偏振激光雷达系统误差模型。建立了判断半波片偏振性质的量化标准,为选择符合系统探测精度要求的半波片提供重要参考。着重研究了半波片处于各种非理想使用状态下对增益比定标的影响,明确了真零级半波片对于提高偏振激光雷达探测精度的重要意义。深入研究了偏振激光雷达系统中关键光学元件的偏振性质。首次通过基于空间矢量的光线追迹算法,得到牛顿式望远镜和卡塞格林式望远镜的米勒矩阵,进而定量分析其对偏振激光雷达的影响。研究发现卡塞格林式望远镜比牛顿式望远镜具有明显优势,并分析了光波波长、镀膜材料、望远镜朝向及F数等对望远镜偏振性质的影响。创造性地提出了激光雷达回波信号的角分布模型,计算了望远镜处于不同视场角时的偏振性质。鉴于Nd:YAG激光器在激光雷达中被广泛使用,为不同发射激光波长、不同偏振态的偏振激光雷达选择了最优的望远镜类型和镀膜材料。针对商用偏振分光棱镜消光比低的缺点,提出一种高精度偏振分光模块,它能够将反射通道和透射通道的消光比均提高到10000以上。通过理论仿真和实验测量验证了该偏振分光模块的正确性和可行性。研制了一套无人值守、可三维扫描的高精度偏振激光雷达系统。该系统严格按照前面章节的研究成果进行设计,最大程度地减少了系统误差对偏振激光雷达探测结果的影响。经过长时候蹲点测量,在一个连续降雪后的夜晚,成功探测得到退偏比为0.0088的稳定大气回波信号,突破退偏比0.01的限制。该实验结果非常接近干净大气退偏比的理论值,充分证明所研制系统能够实现高精度的大气偏振遥感。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN958.98
【部分图文】：

星载,实物,激光,系统结构

ｐｏｌ邋＋邋Ｊｕｎｐｏｌ逡逑大气散射矩阵式（１．９）中有且只有一个未知参数，即大气退偏参数ｄ，这是对大气粒子逡逑进行了诸如随机朝向、镜像对称等多重假设的结果［６】。只有在这个前提下，图１．１所示的逡逑双通道偏振激光雷徸才能够凭借两个通道的强度比（也就是式（１．３）定义的退偏比５），并由逡逑式（１．１２）反演得到大气遐偏参数４。因此，只要大气的散射矩阵满足式（１．９）的形式，那么由逡逑图１．１所示的偏振激光雷达系统也可以正确地得到大气偏振信息。幸运的是，大气中的粒逡逑子绝大多数可以用式（１．９）表征，这是目前遐偏比５依然被广泛应用的原因，尽管它的物理逡逑含义是不正确的。然而，大气中也存在非随机朝向的粒子，其米勒矩阵不再是只有一个变逡逑量ｄ，只通过遐偏比５就不能正确地得到大气偏振性质【２Ｑ］。显然，最理想的方式是将偏振逡逑激光雷达构建成米勒矩阵偏振计［３５］，得到大气散射矩阵全部的１６个元素。尽管已经有人进逡逑行过类似的尝试［３６】

偏振激光,光纤延时,雷达系统,单通道

２００７年，美国太平洋西北国家实验室的Ｆｌｙｎｎ等人［３３１提出了一种新的单通道偏振激光逡逑雷达系统，该系统是在原有的同轴收发微脉冲激光雷徶［４１］基础上改装得到的。系统结构如逡逑图１．４所示。激光由激光器出射，通过半波片对发射激光偏振方向进行调整，使得其能够逡逑最大效率地被后续光路的ＰＢＳ反射。ＰＢＳ后方放置一个液晶偏振相位片，其相位延迟量可逡逑控。在该系统中，其相位延迟量分别是０和四分之一波长，变化的频率等于发射激光的脉逡逑冲重复频率（２．５邋ｋＨｚ）。望远镜准直发射激光，并接收回波信号。当液晶偏振相位片的相逡逑位延迟量为０时，发射激光是垂直偏振光（相对于ＰＢＳ入射面），经过大气散射后，回波信逡逑号中的非退偏部分依然是垂直偏振光，经过ＰＢＳ时被反射；而回波信号中的退偏部分将有逡逑一半透射经过ＰＢＳ，最终被探测器接收。探测信号的斯托克斯矢量为逡逑Ｓ，＝［ｄｌ２邋ｄ／２逦０逦０］７，逦（１．１４）逡逑其中ｄ是大气的退偏参数。逡逑：逦＾邋Ｈ逦＾＾＾ｎｕｒｒｏｒ逡逑Ｌ．ｍＷ邋＇＾Ｓｌ＾ｖｅＷ＾逦ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ逡逑ｐｌａｔｅ逦、＿邋

偏振激光,雷达系统,单通道,发射激光

逡逑图１．３基于光纤延时的单通道偏振激光雷达系统结构示意图。逡逑２００７年，美国太平洋西北国家实验室的Ｆｌｙｎｎ等人［３３１提出了一种新的单通道偏振激光逡逑雷达系统，该系统是在原有的同轴收发微脉冲激光雷徶［４１］基础上改装得到的。系统结构如逡逑图１．４所示。激光由激光器出射，通过半波片对发射激光偏振方向进行调整，使得其能够逡逑最大效率地被后续光路的ＰＢＳ反射。ＰＢＳ后方放置一个液晶偏振相位片，其相位延迟量可逡逑控。在该系统中，其相位延迟量分别是０和四分之一波长，变化的频率等于发射激光的脉逡逑冲重复频率（２．５邋ｋＨｚ）。望远镜准直发射激光，并接收回波信号。当液晶偏振相位片的相逡逑位延迟量为０时，发射激光是垂直偏振光（相对于ＰＢＳ入射面），经过大气散射后，回波信逡逑号中的非退偏部分依然是垂直偏振光

【参考文献】