技术领域
[0001] 本实用新型涉及激光雷达技术领域，尤其涉及用于精准测量大气
气溶胶、
云退偏比及后向散射系数等参数的一种偏振拉曼激光雷达发射接收系统。
背景技术
[0002] 偏振拉曼激光雷达属于大气遥感领域。偏振激光雷达发射一束线偏光，同时接收回波
信号中垂直和平行于发射激光偏振方向的分量，不仅能对气溶胶及云在大气中的含量进行探测，还能通过对回波信号的偏振态的测量来获取气溶胶及云粒子的形状信息，以用于判断气溶胶和云的类型，被广泛应用于大气遥感探测。偏振拉曼激光雷达在此
基础上加入氮气拉曼信号，可以获得更好的气溶胶消光及后向散射结果。偏振拉曼激光雷达结构简单，适合机载或者其它移动式观测，被大量用于组建激光雷达观测网。
[0003] 在发射系统方面保证发射激光的线偏振纯度和控制激光的偏振方向；在接收系统确保平行通道和垂直通道偏振光的纯度对精准测量大气气溶胶及云的退偏比有着重要意义。
[0004] 另外传统的利用Fernald方法反演气溶胶后向散射系数需要对气溶胶的消光和后向散射系数之间的关系进行假设，这种假设带来的数据不确定性较大。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于提出一种偏振拉曼激光雷达发射接收系统，用于激光工作波段为532nm的激光雷达发射及接收光学系统，够提高偏振拉曼激光雷达在探测大气气溶胶及云时的数据
精度，克服
现有技术存在的不足。
[0006] 一种偏振拉曼激光雷达发射接收系统，包括：发射单元和接收单元；
[0007] 所述发射单元，从出光端到发射端依次包括：用于发射激光的
激光器，用于提高激光器发射激光的线偏振纯度的起偏器，用于反射532nm
波长的光、透射1064nm波长的光且同时作为反射镜调节光路的第一分色镜，用于调节激光器发射线偏振激光的偏振方向的1/2波片，用于反射532nm波长的光、透射1064nm波长的光且同时作为反射镜调节光路的第二分色镜，用于减少激光的发散
角以提高激光雷达探测效率的扩束镜，用于反射532nm波长的光、透射1064nm波长的光的第一反射镜及用于将第一反射镜反射的激光透射出去的窗口；
[0008] 所述接收单元，从接收端到处理端依次包括：用于接收回波信号的望远镜，用于调整回波信号视场的光阑，用于反射回波信号的第二反射镜，用于将回波信号
准直为平行光的
准直透镜，用于分离回波信号中的弹性散射信号和
拉曼散射信号的第三分色镜，用于去除反射的拉曼散射信号中的杂散光的窄带滤光片，用于汇聚拉曼散射信号的第一凸透镜，用于接收拉曼散射信号并转换为
电信号的第一
光电倍增管，用于将弹性散射信号分为平行偏振光和垂直偏振光的偏振分光晶体组，用于去除平行偏振的弹性散射信号中的杂散光的第一窄带滤光片组，用于汇聚平行偏振的弹性散射信号的第二凸透镜，用于接收平行偏振的弹性散射信号并转换为电信号的第二光电倍增管，用于去除垂直偏振的弹性散射信号中的杂散光的第二窄带滤光片组，用于汇聚垂直偏振的弹性散射信号的第三凸透镜，用于接收垂直偏振的弹性散射信号并转换为电信号的第三光电倍增管。
[0009] 其中，在所述发射单元中，所述激光器的出光孔与所述起偏器、第一分色镜、1/2波片、第二分色镜、扩束镜及第一反射镜的
光心高度保持一致，所述窗口放置在第一反射镜的正上方；
[0010] 在所述接收单元中，所述光阑、第二反射镜、准直透镜、第三分色镜、窄带滤光片、第一凸透镜、偏振分光晶体组、第一窄带滤光片组、第二凸透镜、第二窄带滤光片组及第三凸透镜封装在一个封装体内。
[0011] 其中，所述偏振分光晶体组包括第一偏振分光晶体、第二偏振分光晶体、及第三偏振分光晶体，所述第一偏振分光晶体和第二偏振分光晶体将弹性散射信号分为平行偏振光，所述第一偏振分光晶体和第三偏振分光晶体将弹性散射信号分为垂直偏振光。
[0012] 其中，所述激光器为混合输出1064nm基频光和532nm倍频光的Nd:YAG激光器；
[0013] 所述激光器输出激光入射起偏器的入射角度为45°；
[0014] 所述第一分色镜和第二分色镜均反射532nm波长的光、透射1064nm波长的光；
[0015] 所述扩束镜为5倍扩束镜；
[0016] 所述窗口与出射光的垂直方向呈倾斜5°设置。
[0017] 其中，所述望远镜为Meade公司的卡塞格林望远镜，其直径为203mm，F/10，视场角为2.5mrad；
[0018] 所述准直透镜焦距为150mm；
[0019] 所述第三分色镜为高反@607nm、高透@532nm的分色镜；
[0020] 所述第一光电倍增管、第二光电倍增管及第三光电倍增管均为日本滨松公司H10721系列光电倍增管；
[0021] 所述偏振分光晶体组中所包含的偏振分光晶体均为25.4mm*25.4mm*25.4mm的立方体；所述偏振分光晶体的参数为Tp：Ts>500:1,Rs:Rp>20:1。
[0022] 其中，所述光阑与望远镜出光口的垂直距离为107mm。
[0023] 其中，所述光阑的孔径大小为4mm。
[0024] 其中，所述望远镜与发射单元中的第一反射镜的中心距离为230mm。
[0025] 有益效果：
[0026] 本实用新型所述的一种偏振拉曼激光雷达发射接收系统，用于激光工作波段为532nm的激光雷达发射及接收光学系统，该系统在发射单元引入起偏器及零级1/2波片提高发射激光线偏振纯度，在接收单元加入532nm窄带滤光片和偏振分光晶体组提高通道接收信号的纯度和减少通道之间的串扰。本方案结构简单易于实现，并且有效的接收到大气中氮分子的拉曼散射信号（607nm），从而提高了反演大气气溶胶及云的退偏比的精度和反演大气气溶胶及云的后向散射系数的精度。
附图说明
[0027] 附图1为本实用新型具体
实施例提供的发射单元的光路示意图。
[0028] 附图2为本实用新型具体实施例提供的接收单元的光路示意图。
[0029] 附图3为本实用新型具体实施例提供的偏振分光晶体组的摆放
位置关系图。
[0030] 附图4为本实用新型具体实施例提供的发射单元光路的机械结构图。
[0031] 附图5为本实用新型具体实施例提供的接收单元光路的机械结构图。
[0032] 附图6 为采用本实用新型具体实施方式提供的一种偏振拉曼激光雷达发射接收系统在青岛实验所测得信号单剖面示意图。
[0033] 附图7为附图6的反演所得退偏比示意图。
[0034] 附图8为本实用新型具体实施例提供的激光器的参数表。
[0035] 图中：
[0036] 1：激光器；2：起偏器；3：1/2波片；4-1：第一分色镜；4-2：第二分色镜；5：扩束镜；6：第一反射镜；7：窗口；
[0037] 8：望远镜；9：光阑；10：第二反射镜；11：准直透镜；12：第三分色镜；13:窄带滤光片；14-1：第一凸透镜；14-2：第二凸透镜；14-3：第三凸透镜；15-1：第一光电倍增管；15-2：第二光电倍增管；15-3：第三光电倍增管；16：偏振分光晶体组；16-1：第一偏振分光晶体；16-2：第二偏振分光晶体；16-3：第三偏振分光晶体；17-1:第一窄带滤光片组；
17-2：第二窄带滤光片组。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图对具体实施方式进行说明。
[0039] 附图1为本实用新型具体实施例提供的发射单元的光路示意图。附图2为本实用新型具体实施例提供的接收单元的光路示意图。如图1、图2所示，本实用新型所述的一种偏振拉曼激光雷达发射接收系统，包括：发射单元和接收单元；
[0040] 所述发射单元，从出光端到发射端依次包括：用于发射激光的激光器1，用于提高激光器1发射激光的线偏振纯度的起偏器2，用于反射532nm波长的光、透射1064nm波长的光且同时作为反射镜调节光路的第一分色镜4-1，用于调节激光器1发射线偏振激光的偏振方向的1/2波片3，用于反射532nm波长的光、透射1064nm波长的光且同时作为反射镜调节光路的第二分色镜4-2，用于减少激光的发散角以提高激光雷达探测效率的扩束镜5，用于反射532nm波长的光、透射1064nm波长的光的第一反射镜6及用于将第一反射镜6反射的激光透射出去的窗口7；
[0041] 所述接收单元，从接收端到处理端依次包括：用于接收回波信号的望远镜8，用于调整回波信号视场的光阑9，用于反射回波信号的第二反射镜10，用于将回波信号准直为平行光的准直透镜11，用于分离回波信号中的弹性散射信号和拉曼散射信号的第三分色镜12，用于去除反射的拉曼散射信号中的杂散光的窄带滤光片13，用于汇聚拉曼散射信号的第一凸透镜14-1，用于接收拉曼散射信号并转换为电信号的第一光电倍增管15-1，用于将弹性散射信号分为平行偏振光和垂直偏振光的偏振分光晶体组16，用于去除平行偏振的弹性散射信号中的杂散光的第一窄带滤光片组17-1，用于汇聚平行偏振的弹性散射信号的第二凸透镜14-2，用于接收平行偏振的弹性散射信号并转换为电信号的第二光电倍增管15-2，用于去除垂直偏振的弹性散射信号中的杂散光的第二窄带滤光片组17-2，用于汇聚垂直偏振的弹性散射信号的第三凸透镜14-3，用于接收垂直偏振的弹性散射信号并转换为电信号的第三光电倍增管15-3。
[0042] 本实用新型所述的一种偏振拉曼激光雷达发射接收系统，用于激光工作波段为532nm的激光雷达发射及接收光学系统，该系统在发射单元引入起偏器2及零级1/2波片3提高发射激光线偏振纯度，在接收单元加入532nm窄带滤光片13和偏振分光晶体组16提高通道接收信号的纯度和减少通道之间的串扰。本方案结构简单易于实现，够提高偏振拉曼激光雷达在探测大气气溶胶及云时的数据精度，克服现有技术存在的不足。
[0043] 如图4所示，在所述发射单元中，所述激光器1的出光孔与所述起偏器2、第一分色镜4-1、1/2波片3、第二分色镜4-2、扩束镜5及第一反射镜6的光心高度保持一致，所述窗口7放置在第一反射镜6的正上方。
[0044] 在发射单元中，附图8为本实用新型具体实施例提供的激光器1的参数表。如图8所示，所述激光器1所述激光器1为混合输出1064nm基频光和532nm倍频光的Nd:YAG激光器1。由于该激光器1体积较小且性能稳定，可以有效地节省空间，便于激光雷达的移动化和小型化设计。
[0045] 如图1、图4所示，所述第一分色镜4-1和第二分色镜4-2均反射532nm波长的光、透射1064nm波长的光。由于该激光器1是Nd:YAG激光器1，其1064nm基频光和532nm倍频光是混合在一起输出的，故需要用到附图1中第一分色镜4-1和第二分色镜4-2将1064nm波长的光滤掉。所述第一分色镜4-1和第二分色镜4-2为两片1寸的分色镜，亦作为反射镜使用，且其表面
镀膜，使之反射532nm波长的光，透射1064nm波长的光。这两片分色镜同时作为反射镜调节光路，使光能过垂直入射到附图1中扩束镜5中。
[0046] 如图1、图4所示，所述扩束镜5为5倍扩束镜5。光经扩束镜5是为了减少激光的发散角从而提高激光雷达探测的效率。经过扩束的发射激光经由附图1中第一反射镜6指向天顶。附图1中所述第一反射镜6为3寸反射镜，同样反射532nm波长的光，透射1064nm波长的光。最终激光经由附图1中窗口7发射出去，需要说明的是，所述窗口7与出射光的垂直方向呈倾斜5°设置，且为K9冕玻璃材质制作而成的窗口7。
[0047] 发射单元中，如图1、图4所示，所述激光器1输出激光入射起偏器2的入射角度为45 。所述起偏器2可以进一步提高激光器1发射激光的线偏振纯度。激光器1发射的激光平行分量与垂直分量的比大约为100:1，系统中所用的起偏器2为CVI公司的XEP-532.0-25.0M，平行分量和垂直分量的透过率比为10000:1，这可以极大的提高激光的线偏振纯度。起偏器2采用镀膜方式实现起偏器2的功能，入射角度为45°，相对于布儒斯特角56°，45°角更加易于光路的调节和光学器件的放置，这种起偏器2的光学利用面积更大，采用这种起偏器2不会将激光返回到激光器1中，该种起偏器2的基底材料为N-BK7，具有较高的脉冲激光损伤
阈值（ ）。
[0048] 如图1、图4所示，1/2波片3用来调节发射线偏振激光的偏振方向，以使其与接收光路的检偏方向方向一致。发射的
激光束与大气气溶胶及云相互作用的后向散射信号由
说明书附图2中所描述的接收单元接收。
[0049] 如图5所示，在所述接收单元中，所述光阑9、第二反射镜10、准直透镜11、第三分色镜12、窄带滤光片13、第一凸透镜14-1、偏振分光晶体组16、第一窄带滤光片组17-1、第二凸透镜14-2、第二窄带滤光片组17-2及第三凸透镜14-3封装在一个封装体内。
[0050] 在接收单元中，所述望远镜8为Meade公司的卡塞格林望远镜8，其直径为203mm，F/10，视场角为2.5mrad。如图2、图所示，回波信号首先经过望远镜8接收。所述望远镜8为Meade公司的卡塞格林望远镜8，直径为203mm，F/10，视场角为2.5mrad，视场较大，能够用来接收距望远镜80.3km以上的回波信号。
[0051] 如图2、图所示，回波信号经过附图2中光阑9调整接收回波信号的视场。附图2中光阑9为可调节的视场光阑9，放置在望远镜8的交点处。回波信号经过附图2中的第二反射镜10，45°反射折返90°后经过附图2中焦距为150mm的准直透镜11准直为平行光后经过附图2中第三分色镜12将回波信号中的弹性散射信号和拉曼散射信号分离。所述第三分色镜12为高反@607nm、高透@532nm的分色镜。
[0052] 反射的拉曼散射回波信号经过附图2中以607nm波长的光为中心、带宽为0.3nm的窄带滤光片13去除杂散光后由附图2中第一凸透镜14-1汇聚到附图2中的第一光电倍增管15-1上接收。另一路弹性散射信号经过附图2中三个偏振分光晶体组16成的偏振分光晶体组16后，分别进入附图2中以532nm波长光为中心的第一窄带滤光片组17-1、第二窄带滤光片组17-2去除杂散光后，然后分别由附图2中第二凸透镜14-2、第三凸透镜14-3汇聚到第二光电倍增管15-2、第三光电倍增管15-3上转换为电信号接收。
[0053] 所述第一光电倍增管15-1、第二光电倍增管15-2及第三光电倍增管15-3均为日本滨松公司H10721系列光电倍增管。
[0054] 所述偏振分光晶体组16具体摆放方式如附图3所示，所述偏振分光晶体组16包括第一偏振分光晶体16-1、第二偏振分光晶体16-2、及第三偏振分光晶体16-3，所述第一偏振分光晶体16-1和第二偏振分光晶体16-2将弹性散射信号分为平行偏振光，所述第一偏振分光晶体16-1和第三偏振分光晶体16-3将弹性散射信号分为垂直偏振光。所述偏振分光晶体组16中所包含的偏振分光晶体均为25.4mm*25.4mm*25.4mm的立方体；所述偏振分光晶体的参数为Tp：Ts>500:1,Rs:Rp>20:1。单个偏振分光晶体无法同时在反射和透射方向上具有较高的消光比，用三个偏振分光晶体可以使每个弹性通道的光经过一次透射一次反射，这样大大的提高了每路通道的消光比，从而提高激光雷达所测的退偏比的精度。如图4所示，在发射单元的光路中，所有光学元件依次摆放在光学平台上。光学平台上面有
螺纹孔，用螺丝将所有光学元件固定在光学平台上，每个
螺纹孔的孔距是25mm。起偏器2和分色镜第一分色镜4-1、及第二分色镜4-2全部放置在1寸镜架之上，通过镜架固定在光学平台上。当激光器1发射激光时，调节1/2波片3即可调节激光器1的线偏振方向使之与接收光路的光轴保持平行。按照图4所示摆放光学元件，即可获得一束线偏振纯度高且可调节线偏振方向的532nm波长的激光发射信号。
[0055] 如图5中，在所示接收单元光路中，所有光学元件依次摆放。如所述望远镜8放置在其后置光路的
接口之上。在接收单元中，所述后置光路即为除望远镜8之外的其他元器件组成的光路部分。所述望远镜8的出光口与光阑9之间的垂直距离是107mm。所述望远镜8与发射单元光路中第一反射镜6的中心距离为230mm。所述光阑9的孔径大小为4mm。此时所述望远镜8可完全接收到最低300m的回波信号。
[0056] 在装调的过程中，发射光路的所有元件的光心高度应当保持一致，而且安装环境要保持清洁，防止打伤镜片。接收光路的准直透镜11应安装到可调前后距离的镜架之上，便于对焦。分光部分的偏振分光晶体组16摆放如图3所示。
[0057] 以回波信号和反演所得退偏比作为指标来衡量仪器光路
质量的好坏。回波信号单剖面图如图6所示，退偏比如图7所示。
[0058] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的
修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附
权利要求书所定义的范围。
