光散射接收元件及其在激光雷达系统中的应用

1.本技术涉及激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种光散射接收元件及其在激光雷达系统中的应用。


背景技术：

2.大气气溶胶是悬浮于大气中的液态和固态颗粒物总称，主要通过直接效应和间接效应影响全球气候和局地空气质量。气溶胶作为描述大气状况的主要参数，其影响短期空气质量、局地气象差异以及长期气候变化，因此对气溶胶分布的实时测量就显得尤为重要，气溶胶的主要来源是人类活动的扬尘和燃烧排放等，绝大部分含量集中于边界层内。
3.相关技术中，对于大气气溶胶的测量是通过激光雷达实现的，具体是以激光器为发射源，其中，激光雷达信号光束垂直向上发射，经气溶胶散射后被接收器接收，利用激光雷达信号光束与大气中存在的空气分子和气溶胶粒子间的互相作用来实现对大气光学与物理特性的测量，以及大气气象的主动遥感探测(除了激光雷达的遥感测量以外，主要是光学粒子计数器，纳米粒径谱仪等，其缺点是必需局地采样进行检测)，以及包括有飞行等军事和民用活动的测量应用场景。
4.然而气溶胶测量中的一个主要影响是它们受到大的时间和空间波动，这使得预测不可能并且点测量不充分。因此，在其影响可能至关重要的应用中，通常需要在感兴趣的完整空间域上连续监测气溶胶，例如，由于高度发生的重要变化，尽可能在一个激光发射的周期被测量更多高度范围的气溶胶光学散射特性。
5.激光雷达长期以来被提出用于远程测量大气参数，因为其光学结构的制约，激光雷达技术在气溶胶的测量性上本身具有一定的局限性，不能兼顾远、近距离的测量需要，尤其是不能满足从极短距离开始、全空域覆盖探测的需要。
6.现有的激光雷达气溶胶测量包括了多种测量方案，例如，专利申请号为201410253958.1的专利文献全光纤激光雷达气溶胶探测装置，公开了一种全光纤激光雷达气溶胶探测装置，其包括有信号发射通道，用于发出激光信号，信号接收通道，用于接收发出的激光信号以及接收激光信号出射到大气中所产生回波信号，信号处理通道，用于将回波信号转化为电信号并进行分析处理，信号发射通道、信号接收通道和信号处理通道为全光纤结构，采用全光纤结构，能够实现高达20khz，皮瓦量级的信号探测，提高时空分辨率。
7.专利申请号为202010828354.0的文献公开了一种基于ccd侧向探测的气溶胶激光雷达系统，采用多块以不同高度并排放置的柱面镜同时接收不同高度段的大气气溶胶信息，由多块柱面镜代替传统的单个镜头，ccd可探测到代表多个高度段的多条并排光束，从而实现在保证探测高度范围的前提下提高探测的空间分辨率，同时避免底层和高层由于鱼眼镜头畸变造成的精度降低。
8.专利申请号为202010553916.5的文献公开了一种用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光系统及分光方法，其通过光纤、光纤法兰传导激光雷达中望远镜接收到的大气回波信号，经准直器后以准直光射出，滤除950nm以下的光束，之后通过光栅、长焦距透镜和带孔
反射镜将光束中的信号分离，实现近红外1064nm波段气溶胶的独立精细探测。
9.专利号为us5239352的美国专利文献公开了提供一种改进的后向散射激光雷达，除了传统的激光雷达技术之外，还可以通过测量多次散射贡献来克服上述困难。然后可以使用该附加信息来解决先前描述的不确定性。在大于激光束发散的视场处的任何反向散射信号是由于多次散射造成的。因此，通过同时测量几个视场的反向散射而获得的附加信息可用于确定对接收信号的多个散射贡献。这通过使用多元件辐射检测器来实现，该多元件辐射检测器具有位于激光雷达的接收光学器件的焦平面的分离部分中的辐射接收元件(包括四个同心硅检测器(pin光电二极管))，以便在几个视场之间区分所接收的反向散射辐射。
10.然而，在上述的现有技术公开的方案中，仍然存在没有解决的问题：第一、采用ccd的成像方式来解决高度上的多量程测量，存在气溶胶的不同散射角度在ccd上的像素成像，本身就存在对气溶胶的反演的不确定性，需要复杂的计算和多次测量来解决问题；第二、多个光电源器件在空间上的分布安装也具有一定的空间约束性，并且主要是用来解决多次散射的反向散射信号的计算。(米氏散射的散射截面大小，是随散射角度变化的，沙氏雷达最大的缺陷是对于低空回波做了假设：
‘
散射截面随角度的变化可以忽略’。而对于成分复杂的气溶胶而言，这个假设并不合理)。


技术实现要素：

11.现有技术中的测量方法虽然能够实现对大气气溶胶的测量，但是由于气溶胶在不同大气高度均有分布，因此经散射返回的激光雷达信号聚焦位置不同，无法同时被接收器完全接收，往往需要调节接收器的位置以通过多次测量来接收不同高度处散射的激光雷达信号光束。
12.本技术提出一种光散射接收元件，其用于测量大气气溶胶的激光雷达系统，所述光散射接收元件设置在所述激光雷达系统的望远镜接收端，所述光散射接收元件为光波导阵列，所述光波导阵列在光接收方向上具有多个收光面不同的光波导，所述收光面具有对应不同高度气溶胶散射光的成像接收焦平面和视场。
13.进一步地，所述光波导阵列在对应同一高度气溶胶散射光的方向阵列上，还具有多个对应不同激光波长收光面的光波导。
14.进一步地，所述光波导阵列为适应所述望远镜接收端形状的模块化封装。
15.进一步地，所述光波导阵列设置对应单波长激光。
16.进一步地，所述光波导阵列接收的光通过光纤组件传输。
17.本技术还公开了一种测量大气气溶胶的激光雷达系统，所述激光雷达系统包括激光发射组件、接收组件和主控件；
18.所述激光发射组件包括激光器和反射镜，所述反射镜与所述激光器相对布置，以将所述激光器发射的激光雷达信号光束反射至大气中；
19.所述接收组件包括望远镜、光纤固定件、多根光纤和分光器，所述望远镜用于接收经大气散射后的所述激光雷达信号光束，且所述望远镜的输出端用于将接收的所述激光雷达信号光束入射至插装在所述光纤固定件上的多根所述光纤中，所述光纤固定件的顶端端面倾斜，多根所述光纤均匀间隔插装在所述光纤固定件中，各所述光纤均贯穿所述光纤固
定件，且多根所述光纤的顶端端部在竖直方向上呈梯形布置，以使得多根所述光纤的顶端端部依次位于不同高度距离对应的所述望远镜的焦平面处，各所述光纤的底端均与所述分光器连接；
20.所述主控件与所述分光器电连接，以对所述激光雷达信号光束进行数据分析和处理。
21.进一步地，所述光纤固定件的顶端端面为多个在竖直方向上高度依次递减的台阶，多根所述光纤和多个所述台阶一一对应，各所述光纤插装在相对应的所述台阶中。
22.进一步地，所述台阶的数量不小于2个。
23.进一步地，各所述阶梯面中所述光纤集束的数量及光纤集束的截面面积在竖直方向上由高至低依次增加。
24.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
25.(1)本技术提供的激光雷达系统在测量大气气溶胶时，即使由于不同距离和非共轴的原因使得不同距离散射返回的激光雷达信号光束聚焦在接收望远镜出射端不同的焦平面和位置，仍旧能够被有效接收，从而得到从低空到高空不同高度的、完整的大气廓线测量数据；
26.(2)本技术提供的激光雷达系统不仅可以适用于单波长激光发射，也适用于多波长的激光雷达系统的应用和测量；
27.(3)本技术提供的激光雷达系统不仅可以适用于弹性散射(米散射、瑞利散射)，也适用于拉曼散射、高光谱分辨激光雷达系统的应用和测量；
28.(4)按照本技术所提供的光散射接收元件优选为光纤组件的生产工艺相对简单，并且与现有的激光雷达系统的光学系统具备较好的兼容性。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
30.图1是本发明实施例提供的一种测量大气气溶胶的激光雷达系统的结构示意图；
31.图2是本发明实施例提供的一种光纤集束固定件的结构示意图；
32.图3是本发明实施例提供的一种光纤集束固定件的俯视图。
33.图中各符号表示含义如下：
34.1、激光发射组件；11、激光器；12、反射镜；2、接收组件；21、望远镜；211、小孔；22、光纤集束固定件；222、阶梯面；23、光纤集束；24、分光器；3、主控件。
具体实施方式
35.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
36.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变
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，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
37.本技术首先提出了一种光散射接收元件，其用于测量大气气溶胶的激光雷达系统，光散射接收元件设置在激光雷达系统的望远镜接收端，光散射接收元件为光波导阵列，光波导阵列在光接收方向上具有多个收光面不同的光波导，收光面具有对应不同高度气溶胶散射光的成像接收焦平面和视场。
38.按照前述地说明，不同高度的气溶胶散射光成像所对应的焦平面的位置不同，以及成像的大小也不同，使得采用单一的接收装置并不能有效接收并处理分析对应的成像信息。
39.示例性地，光波导阵列为适应望远镜21接收端形状的模块化封装。
40.进一步地，光波导优选为光纤。
41.光波导阵列在对应同一高度气溶胶散射光的方向上，还具有对应不同激光波长收光面的光波导。
42.考虑到在多波长状态下使用的本装置，对多波长有更好的适应性，在多波长应用时，对波长的散射影响，在相同高度的情况下的方位上，同时也设置多个光波导阵列来接收更多信息。
43.按照本技术的构思，只要是能够以一定视场接收范围对包含不同空间高度气溶胶的反射信息的光波导设计，都可以实现散射成像光的收集，下述实施方式中以光纤优选实施例为说明，
44.图1是本发明实施例提供的一种测量大气气溶胶的激光雷达系统的结构示意图，如图1所示，激光雷达系统包括激光发射组件1、接收组件2和主控件3。
45.激光发射组件1包括激光器11和反射镜12，反射镜12与激光器11相对布置，以将激光器11发射的激光雷达信号光束反射至大气中。
46.接收组件2包括望远镜21、光纤集束固定件22、多根光纤集束23和分光器24，望远镜21用于接收经大气散射后的激光雷达信号光束，且望远镜21的输出端用于将接收的激光雷达信号光束入射至插装在光纤集束固定件22上的多根光纤集束23中，多根光纤集束23均匀间隔插装在光纤集束固定件22中，各光纤集束23均贯穿光纤集束固定件22，且多根光纤集束23的顶端端部在竖直方向上呈梯形布置，以使得多根光纤集束23的顶端端部依次位于不同高度距离对应的望远镜21的焦平面处，各光纤集束23的底端均与分光器24连接。
47.主控件3与分光器24电连接，以对激光雷达信号光束进行数据分析和处理。
48.也就是说，本发明提供的激光雷达系统在测量气溶胶时，能使得不同高度散射返回的激光雷达信号光束均能在经过光纤集束固定件22时被不同高度的光纤集束23所接收，并一起传递至分光器24中，最后经主控件3对分光器24接收到的散射信号进行数据分析和处理，从而得到不同高度的气溶胶的测量数据。
49.需要说明的是，光纤集束固定件22顶端端面可以为平面或倾斜面等不同形式，本文以阶梯状平面端面为例。
50.容易理解的是，由于大气中不同高度的气溶胶对应的散射光所呈实像的位置不同，从而被不同高度处的光纤集束23所接收。
51.需要说明的是，激光雷达信号光束的发射与接收采用非共轴布局，即激光雷达信号光束的发射光轴与望远镜21的光轴为相隔一段距离的两条平行线。
52.在本实施例中，主控件3包括信号采集模块和计算机，信号采集模块用于采集分光器24接收到的信号数据，并将信号数据传递至计算机上进行数据分析。其中，信号采集模块可以为光电探测器。
53.图2是本发明实施例提供的一种光纤集束固定件的结构示意图，如图2所示，在本发明的另一种方式中，光纤集束固定件22的顶端端面为多个在竖直方向上高度依次递减的阶梯面222，多根光纤集束23和多个阶梯面222一一对应，各光纤集束23插装在相对应的阶梯面222中。
54.示例性地，光纤集束固定件22的顶面通过多个阶梯面222以形成梯形状，且各阶梯面222从左至右的方向高度依次递减，各光纤集束23间隔插装在光纤集束固定件22的各阶梯面222中，且每个阶梯面222对应一根光纤集束23，各光纤集束23的顶端贯穿各阶梯面222，以接收来自不同高度的气溶胶散射后的激光雷达信号光束。各光纤集束23的底端与分光器24电连接，从而对散射返回的不同波长的激光雷达信号光束进行分光处理。
55.在本实施例中，阶梯面222的数量不小于2个。
56.在本公开的其它实施例中，阶梯面222的数量还可以是3个或者4个，本发明对此不作限制。
57.示例性地，a激光雷达信号光束是经过500m高空处的气溶胶散射返回的光信号，a激光雷达信号光束经望远镜21后被一阶梯面222中的光纤集束23接收。b激光雷达信号光束是经过200m高空处的气溶胶散射返回的光信号，b激光雷达信号光束经望远镜21后被另一阶梯面222中的光纤集束23接收。
58.也就是说，不同高度散射返回的激光雷达信号光束均能在经过光纤集束固定件22时被不同高度的光纤集束23所接收，并一起传递至分光器24中，最后经主控件3对分光器24接收到的散射信号进行数据分析和处理，从而通过单次测量得到不同高度的气溶胶的测量数据，进而也就可以避免多次测量的问题。
59.需要说明的是，本实施例中光纤集束固定件22的各阶梯面222在水平方向上宽度略大于光纤集束23的直径，避免散射的激光雷达信号光束被阶梯面222散射而无法被光纤集束23所接收。
60.需要说明的是，除了相对于高度方向上的接收成像焦面的光纤集束设置位置为阶梯状的，对不同高度的成像接收视场也有一定的设计，对应成像光斑较大的高度区域，所对应设计的视场范围要大。
61.需要说明的是，按照本技术设计的不同高度的接收光的波导阵列，其具体的阶梯面状的高度参数，或者是对应的视场大小范围，都可以通过望远镜的焦距、激光光束到望远镜光轴横向距离、激光发散角等参数通过几何光学的设计计算方法，从而获得关于高度、横向偏差、光纤集束视场大小的参数计算，在本技术构思的基础上，上述为能够获知的光学计算方法。
62.在本实施例中，激光器11发射的激光雷达信号光束为多波长激光雷达信号。
63.示例性地，激光雷达信号光束的波长可以为355mm、532mm或者1064mm，
64.图3是本发明实施例提供的一种光纤集束固定件的俯视图，如图3所示，在本实施
例中，各阶梯面222中光纤集束23的数量及光纤集束23的截面面积在竖直方向上由高至低依次增加(越低的阶梯面222中光纤集束23的数量越多，且光纤集束23的截面面积越大)，且左侧的阶梯面222中的光纤集束23始终为1个。
65.容易理解的是，不同波长的激光雷达信号光束相互平行(不共轴)发射，经过相同高度气溶胶散射返回并经望远镜21成像至光纤集束固定件22时存在一定的水平方向上的偏差，因此通过在同一阶梯面222面处设置多根光纤集束23能够接收不同波长的散射光束。也就是说，本发明提供的激光雷达系统不仅可以适用于单波长激光雷达，还能够适用于多波长的激光雷达。
66.示例性地，左侧的阶梯面222插装有1根光纤集束23，其对应单波长的激光雷达，光纤集束23的截面面积较小；而右侧的阶梯面222插装有3根光纤集束23，其对应三波长的激光雷达，光纤集束23的截面面积较大。本发明对此不作限制，在这些实施方式中，为适应不同高度的散射光成像的大小不同，三个阶梯面处的光纤集束视场设置依次从小到大，也即是图3中对应的光纤集束视场大小从左到右依次为小、中、大的方式，图3中同样大小并不完全指示视场设计大小相同。
67.需要说明的是，最左端的第一根光纤集束23在望远镜21的光轴上，其余光纤集束23均在望远镜21的光轴外，且分别对应从远到近不同距离所对应的实像位置。
68.示例性地，光纤集束固定件22与望远镜21的小孔211相对布置，光纤集束固定件22位于小孔211下方。
69.在本实施例中，分光器24包括凸透镜、滤光片和反射镜中的一种或多种。
70.示例性地，激光器11为nd：yag型激光器，从而可以实现多波长的发射。望远镜21为口径为400mm、焦距为2000mm型号的卡塞格林望远镜。
71.在本发明的其它实施例中，作为常用光纤集束23元器件的替换和改进，主要将光纤集束23改为阶梯面222型的光波导器件和集束式的阶梯面222型光电探测单元(实施方式的扩展为实现光接收的耦合传输，需要对光波导的设计进行进一步的改进，例如同光纤集束23材质波导而制作成的其他波导元件，甚至是直接采用光电探测单元)。
72.另外，在本实施例中，通过在接收端的光散射接收元件之前增加偏振分量过滤元器件，并且在光波导器件的设计上考虑选择偏振感应元器件，从而利用光学偏振的特性获得更多测量结果。
73.以下简要说明本激光雷达系统的工作原理：
74.首先，通过激光器11发射激光雷达信号光束，激光雷达信号光束经过反射镜12全反射后进入大气中，并与大气中不同高度处的气溶胶相互作用后散射。然后，不同高度处散射后的激光雷达信号光束均被望远镜21接收，并将不同高度处散射后的激光雷达信号光束分别入射至相对应的光纤集束23中。最后，一起传递至分光器24中，从而对返回的不同波长的激光雷达信号光束进行分光处理，并经主控件3对分光器24接收到的散射信号进行数据分析和处理，从而得到不同高度的气溶胶的测量数据。
75.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光散射接收元件，其用于测量大气气溶胶的激光雷达系统，其特征在于，所述光散射接收元件设置在所述激光雷达系统的望远镜(21)接收端，所述光散射接收元件为光波导阵列，所述光波导阵列在光接收方向上具有多个收光面不同的光波导，所述收光面具有对应不同高度气溶胶散射光的成像接收焦平面和视场。2.如权利要求1中所述的光散射接收元件，其特征在于，所述光波导阵列在对应同一高度气溶胶散射光的方向阵列上，还具有多个对应不同激光波长收光面的光波导。3.如权利要求2中所述的光散射接收元件，其特征在于，所述光波导阵列为适应所述望远镜(21)接收端形状的模块化封装。4.如权利要求1中所述的光散射接收元件，其特征在于，所述光波导阵列设置对应单波长激光。5.如权利要求2-4中任意一项所述的光散射接收元件，其特征在于，所述光波导阵列接收的光通过光纤组件传输。6.一种测量大气气溶胶的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统包括激光发射组件(1)、接收组件(2)和主控件(3)；所述激光发射组件(1)包括激光器(11)和反射镜(12)，所述反射镜(12)与所述激光器(11)相对布置，以将所述激光器(11)发射的激光光束反射至大气中；所述接收组件(2)包括望远镜(21)、光纤集束固定件(22)、多根光纤集束(23)和分光器(24)，所述望远镜(21)用于接收经大气散射后的激光光束，且所述望远镜(21)的输出端用于将接收的所述激光雷达信号光束入射至插装在所述光纤集束固定件(22)上的多根所述光纤集束(23)中，多根所述光纤集束(23)均匀间隔插装在所述光纤集束固定件(22)中，各所述光纤集束(23)均贯穿所述光纤集束固定件(22)，且多根所述光纤集束(23)的顶端端部在竖直方向上呈梯形布置，以使得多根所述光纤集束(23)的顶端端部依次位于不同高度距离对应的所述望远镜(21)的焦平面处，各所述光纤集束(23)的底端均与所述分光器(24)连接；所述主控件(3)与所述分光器(24)电连接，以对所述激光雷达信号光束进行数据分析和处理。7.根据权利要求6所述的一种测量大气气溶胶的激光雷达系统，其特征在于，所述光纤集束固定件(22)的顶端端面为多个在竖直方向上高度依次递减的阶梯面(222)，多根所述光纤集束(23)和多个所述阶梯面(222)一一对应，各所述光纤集束(23)插装在相对应的所述阶梯面(222)中。8.根据权利要求7所述的一种测量大气气溶胶的激光雷达系统，其特征在于，所述阶梯面(222)的数量不小于2个。9.根据权利要求7所述的一种测量大气气溶胶的激光雷达系统，其特征在于，各所述阶梯面(222)中所述光纤集束(23)的数量及光纤集束(23)的截面面积在竖直方向上由高至低依次增加。

技术总结
本申请公开了一种光散射接收元件及其在激光雷达系统中的应用，其用于测量大气气溶胶的激光雷达系统，光散射接收元件设置在激光雷达系统的望远镜接收端，光散射接收元件为光波导阵列，光波导阵列在光接收方向上具有多个收光面不同的光波导，收光面具有对应不同高度气溶胶散射光的成像接收焦平面和视场。按照本申请实现的光散射接收元件，使用在激光雷达系统中，使得不同距离散射返回的激光雷达信号光束聚焦在接收望远镜出射端不同的焦平面和位置，仍旧能够被有效接收，从而得到从低空到高空不同高度的、完整的大气廓线测量数据。完整的大气廓线测量数据。完整的大气廓线测量数据。


技术研发人员：王宣 易洋 周一帆 王凯楠 赵晓娜 王龙龙 王安宙 毛松 赵兵 李想 陈潜源
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2021.11.11
技术公布日：2022/3/8