本專利涉及激光雷達(dá)測量領(lǐng)域，尤其是一種同時采用同軸和旁軸兩種方式的全波形激光雷達(dá)接收系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束來探測目標(biāo)特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，目前已成為探測大氣成分及其垂直分布的最有效的手段之一。發(fā)射機發(fā)出超短激光脈沖(5-200ns)，進(jìn)入大氣后在行進(jìn)的過程中不斷與大氣中的待測物質(zhì)(分子或微小顆粒)發(fā)生相互作用，其后向Raman散射，后向Mie散射，后向Rayleigh散射，可作為回波信號被望遠(yuǎn)鏡接收，由光電探測器檢測變成光電流，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電壓信號，送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器件(ADC)以便于后續(xù)的信號處理與反演工作。

下式公式1為一般激光雷達(dá)方程:

$P_r\left(R\right)=K\mathrm{\β}\left(R\right)ex\[p-2{\∫}_0^R\mathrm{\α}\left(r\right)dr\]/R^2---\left(1\right)$

P_r(R)是回波信號功率，K是激光系統(tǒng)的常數(shù)，決定于發(fā)射能量，望遠(yuǎn)鏡有效面積，光學(xué)系統(tǒng)透過率，β(R)后向散射系數(shù)，α(r)消光系數(shù)(衰減系數(shù))。從公式中可以看出，隨著激光脈沖行進(jìn)高度增加(距離遞增)，信號隨之衰減，且P_r(R)與激光脈沖到達(dá)高度(距離)R的平方成反比。因此，近處的回波信號(強)與遠(yuǎn)處的回波信號(弱)之間的幅度差別會很大，甚至可能相差5-6個數(shù)量級，如圖2所示。如果是同軸收發(fā)激光雷達(dá)系統(tǒng)，一般的光電探測器很難在這樣寬的動態(tài)范圍下還能保持良好的線性輸出特性(電壓與接收光功率成正比)，所以需要采取一些其它措施來保證輸出。

針對旁軸收發(fā)激光雷達(dá)系統(tǒng)，引入“幾何重疊因子O(R)”，表示距離為R處后向散射光進(jìn)入探測器的比例，如圖1。則雷達(dá)方程可改寫為：

$P_r\left(R\right)=KO\left(R\right)\mathrm{\β}\left(R\right)ex\[p-2{\∫}_0^R\mathrm{\α}\left(r\right)dr\]/R^2---\left(2\right)$

其中0.0≤O(R)≤1.0。為了獲得探測器的良好輸出，需要信號的動態(tài)范圍不能過大，通常的做法是將發(fā)射光軸與接收光軸拉開適當(dāng)?shù)木嚯x。由于激光的發(fā)散角與望遠(yuǎn)鏡的視場角都比較小，這就使得最近場的強散射信號不會進(jìn)入接收視場(幾何重疊因子等于零，稱之為盲區(qū))；隨著距離的增加，兩個視場逐漸開始相交，稍近場強信號部分進(jìn)入接收視場(幾何重疊因子介于0～1.0，并逐漸增大)；到特定高度之后，發(fā)射視場完全進(jìn)入接收視場(幾何重疊因子等于1.0)，則此高度之后的回波會被望遠(yuǎn)鏡完全接收。這樣壓縮了回波信號的動態(tài)范圍，使得最強信號與最弱信號的比值不至于太大，能夠獲得良好的輸出，如圖3。

這種做法通過增加近場盲區(qū)、減小近場接收視場和發(fā)射視場的重疊因子來達(dá)到衰減近場信號強度、實現(xiàn)壓縮信號強度的動態(tài)范圍。它有明顯的缺點:盲區(qū)的存在犧牲了近場信號，失去了近距離(近地面)信息，比如大氣邊界層以下水汽、氣溶膠等重要信息。因此，如何彌補這一缺點，正是本發(fā)明所要解決的核心問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本專利旨在提出一種提高回波動態(tài)范圍的新型雙通道激光雷達(dá)接收系統(tǒng)，這樣做的目的在于提高激光雷達(dá)回波的動態(tài)范圍又不失精度，提升探測能力以及減小測量盲區(qū)。

所述激光雷達(dá)接收系統(tǒng)包括同軸接收單元和旁軸接收單元。在繼承經(jīng)典旁軸激光雷達(dá)收發(fā)結(jié)構(gòu)的同時，增加復(fù)用擴束器的同軸收發(fā)通道，把用作擴束器的小口徑發(fā)射鏡筒變成雙重身份的光學(xué)器件，一方面繼續(xù)擔(dān)當(dāng)擴束器，將發(fā)射 激光的發(fā)散角變小，另一方面用作小口徑望遠(yuǎn)鏡，接收近場距離的大氣散射回波信號，由于該鏡筒口徑較小，根據(jù)公式2可以得知通過其獲得的大氣散射回波信號也會較小，便于探測；大口徑鏡筒采用旁軸工作方式，只作為望遠(yuǎn)鏡，接收遠(yuǎn)場距離的大氣散射回波，它的光軸與發(fā)射光軸平行并且分開一定的距離，在近處有一段盲區(qū)，不會接收到近場過強的回波信號。

所述激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的同軸接收單元由擴束器，四分之一波片，偏振分束片，濾光片組，同軸會聚透鏡，近場探測器構(gòu)成。線偏振激光經(jīng)過偏振分束片反射，透過四分之一波片后變成圓偏振激光射入大氣，與待測物質(zhì)作用后的回波信號會變?yōu)樾D(zhuǎn)方向相反的圓偏振光并沿著發(fā)射光路返回，被擴束器收集，經(jīng)過四分之一波片變?yōu)榕c激光器出射激光偏振方向垂直的線偏振光，可以透過偏振分束片，經(jīng)過濾光片組后會聚在近場探測器的探測面上。由于復(fù)用了擴束器，與激光發(fā)射光路完全同軸，為了防止發(fā)射脈沖激光竄入接收通道而使得近場探測器發(fā)生飽和、甚至燒壞，要對偏振分束片合理鍍膜，同時對探測器的工作電壓設(shè)置延時門控。由激光器調(diào)Q信號觸發(fā)探測器門控電路產(chǎn)生一個延時脈沖，將激光發(fā)射脈沖的時間置于這個延時脈沖時間內(nèi)，在此期間，探測器的工作電壓置零或置負(fù)值，高壓工作電源(雪崩二極管300-400V電壓源或光電倍增管9000-14000V電壓源)只有在延時脈沖結(jié)束之后才加到探測器上。

所述激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的旁軸接收單元由望遠(yuǎn)鏡，光闌，場鏡，旁軸干涉濾光片，旁軸會聚透鏡，遠(yuǎn)場探測器構(gòu)成，望遠(yuǎn)鏡光軸與發(fā)射激光光軸采取旁軸放置的方式。由公式1可以看到，望遠(yuǎn)鏡口徑與接收到的回波功率成正比，因此為了接收到遠(yuǎn)場信號，此處選取大口徑望遠(yuǎn)鏡。遠(yuǎn)場回波經(jīng)望遠(yuǎn)鏡接收后，由會聚光路會聚到遠(yuǎn)場探測器探測面上。

在雙光軸、雙通道模式工作時，兩個通道的接收視場在一定高度范圍內(nèi)須 有重疊區(qū)域，以便于在信號預(yù)處理中將兩個通道的回波信號即回波垂直分布曲線按高度(距離)在重疊區(qū)域融合銜接在一起，構(gòu)成由遠(yuǎn)及近的完整回波強度波形。

本專利增大了回波信號的動態(tài)范圍，能有效增強承載該接收系統(tǒng)的激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測能力。

附圖說明

圖1發(fā)射光軸與接收光軸平行而分開收發(fā)視場的重疊情況示意圖(φ>θ，接收視場總是大于發(fā)射視場)。

圖2模擬的激光雷達(dá)回波功率隨散射體(激光路經(jīng)的某大氣體積單元)高度變化的曲線。

圖3回波相對強度P_r(R)的動態(tài)范圍被重疊因子O(R)壓縮而近地面區(qū)域存在盲區(qū)的示意圖。

圖4本專利的一個具體實施方式示意圖。圖中標(biāo)號:1-脈沖激光器、2-望遠(yuǎn)鏡、3-擴束器、4-四分之一波片、5-偏振分束片、6-中性密度濾光片、7-同軸干涉濾光片、8-同軸會聚透鏡、9-近場探測器、10-調(diào)Q觸發(fā)信號、11-高壓電源、12-門控延時、13-光闌、14-場鏡、15-旁軸干涉濾光片、16-旁軸會聚透鏡、17-遠(yuǎn)場探測器、18-反射鏡組成。

具體實施方式

圖4所示為所述激光雷達(dá)接收系統(tǒng)用于激光雷達(dá)系統(tǒng)的實例。脈沖激光器1發(fā)射線偏振激光脈沖，脈沖寬度在1ns-200ns范圍，偏振分束片5與入射光軸成45°角安置，圍繞工作平面的法線旋轉(zhuǎn)偏振分束片，使其偏振方向與發(fā)射激光的偏振方向匹配，發(fā)射光束被偏振分束片5全反射，旋轉(zhuǎn)四分之一波片4，使波片晶體的光軸與入射光束的偏振方向成45°角，線偏振的發(fā)射光束穿過四 分之一波片4之后變成圓偏振光束，圓偏振光束通過擴束器3，發(fā)散角隨之減小，束徑增大，最終進(jìn)入大氣的光束的發(fā)散角小于望遠(yuǎn)鏡2的接收視場角(全角)。

在激光經(jīng)過的大氣路徑都有后向散射回波，并且回波是旋轉(zhuǎn)方向與入射大氣激光相反的圓偏振光。近場的散射回波返回擴束器3，再次穿過四分之一波片4時，被還原成線偏振態(tài)，且偏振方向與激光器1出射激光的偏振方向垂直，因此它不被偏振分束片5反射，而是透過偏振分束片5，再穿過由中性密度濾光片6和同軸干涉濾光片7組成的濾光片組，被同軸會聚透鏡8會聚到近場探測器9上。

遠(yuǎn)場信號由大口徑望遠(yuǎn)鏡2接收，經(jīng)過光闌13，場鏡14，反射鏡18，旁軸干涉濾光片15，由旁軸會聚透鏡16會聚到遠(yuǎn)場探測器17上。

為同軸接收單元的探測電路設(shè)置門控延時12，延時時間略大于激光脈沖寬度，門控延時12由激光器的調(diào)Q觸發(fā)信號10觸發(fā)，在門控延時12的延時時間內(nèi)，近場探測器9的高壓電源11將與近場探測器9斷開，近場探測器9上的工作電壓被置為零或負(fù)值；當(dāng)門控延時12結(jié)束后，電源高壓11恢復(fù)接入近場探測器9。

以上所述僅為本專利用于激光雷達(dá)系統(tǒng)的一種具體實施方案，但本專利的保護(hù)范圍并不局限于此，因此本專利的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。