一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统

1.本发明涉及光电技术领域，更具体地说，涉及一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统。


背景技术：

2.自偏振激光雷达被研制以来，在大气探测等方面表现出优越的性能，偏振激光雷达可以有效观测大气中非球形粒子的时空分布和光学特性，并推演大气环境如风场、沙尘等。
3.由于偏振激光雷达具有强大的探测性能，其发展迅速、成果丰硕。例如我国子午工程部署的双波长三通道激光雷达，可获得近地面至110km的大气后向散射回波信号，进而反演中高层大气的密度、温度、钠层密度等参数。欧洲earlinet计划建造的激光雷达网络，用于监测和研究欧洲大范围内大气气溶胶的输送特征和对气候的影响，目前已具备比较完备的偏振-米散射激光雷达部署。偏振激光雷达技术可以与多种先进探测手段相辅相成，不断提升探测能力。中国科学技术大学团队将超导技术与偏振激光雷达结合，有效利用超导探测器高灵敏度、低噪声、高速度等优势，实现连续城市大气气溶胶和退偏比的高时空分辨率探测。北京大学团队提出使用偏振探测获取更清晰的目标本质差异信息，从而结合偏振遥感与激光雷达技术，不仅能进一步提高地物识别的精度和定量化水平，还能解决对地遥感观测的诸多瓶颈问题。
4.此外，随着大气探测、海洋探测、航空航天等技术的发展，以及雷达各部件小型化技术的成熟，偏振激光雷达拓展应用到越来越多的领域：美国aol系统的355-532nm双波长荧光-拉曼-弹性散射激光雷达用于探测海水光学参数，意大利的flidar-p系统集成了探测海水弹性散射、拉曼散射和荧光特性等功能，丰富了海洋激光雷达的探测模式。星载偏振激光雷达具有极大的探测潜力，美国和法国联合规划的云-气溶胶激光雷达和红外卫星探测计划(calipso)，将双波长正交偏振云-气溶胶激光雷达装载于卫星上，实现偏振激光雷达星载探测云和气溶胶，获得了诸多优良的观测结果。
5.传统的偏振激光雷达采用收发分置望远镜，需要包括两套望远镜，发射望远镜和接收望远镜。在接收信号光束时，由于偏振分束器只允许反射和透射特定偏振方向的光，接收信号光束中需要使用两个探测器分别探测两个偏振态的信号，使得偏振激光雷达成本和稳定性受到极大限制。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统，技术方案如下：
7.一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统，所述收发同置偏振激光雷达系统包括：
8.脉冲激光器、偏振分束器、旋光器、望远镜以及信号探测和数据处理系统，所述偏
振分束器能够透射平行偏振态的信号光，反射垂直偏振态的信号光；
9.所述脉冲激光器用于产生所述平行偏振态的出射信号光，所述出射信号光依次通过所述偏振分束器和所述旋光器，从所述望远镜出射；
10.基于所述出射信号光获得的回波信号光包括所述平行偏振态的信号光与所述垂直偏振态的信号光；
11.在所述回波信号光的接收过程中，在第一时间段内，所述旋光器处于不工作状态，所述垂直偏振态的信号光通过所述望远镜和所述旋光器到达所述偏振分束器，所述偏振分束器将所述垂直偏振态的信号光反射至所述信号探测和数据处理系统；在第二时间段内，所述旋光器处于工作状态，所述平行偏振态的信号光通过所述望远镜到达所述旋光器，所述旋光器用于调整所述平行偏振态的信号光的偏振面，使所述平行偏振态的信号光的偏振态从所述平行偏振态变为所述垂直偏振态，所述偏振分束器将所述垂直偏振态的信号光反射至所述信号探测和数据处理系统。
12.可选的，在上述收发同置偏振激光雷达系统中，所述出射信号光为线偏振光。
13.可选的，在上述收发同置偏振激光雷达系统中，所述望远镜为收发同置望远镜。
14.可选的，在上述收发同置偏振激光雷达系统中，所述回波信号光为椭圆偏振光。
15.可选的，在上述收发同置偏振激光雷达系统中，所述旋光器为法拉第旋光器。
16.可选的，在上述收发同置偏振激光雷达系统中，所述收发同置偏振激光雷达系统还包括：
17.放大器，所述放大器用于放大所述出射信号光的信号功率。
18.可选的，在上述收发同置偏振激光雷达系统中，所述放大器为掺铒光纤放大器。
19.相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
20.本发明提供的一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统，包括脉冲激光器、偏振分束器、旋光器、望远镜以及信号探测和数据处理系统，偏振分束器能够透射平行偏振态的信号光，反射垂直偏振态的信号光；脉冲激光器用于产生平行偏振态的出射信号光，出射信号光依次通过偏振分束器和旋光器，从望远镜出射；基于出射信号光获得的回波信号光包括平行偏振态的信号光与垂直偏振态的信号光；在回波信号光的接收过程中，在第一时间段内，旋光器处于不工作状态，垂直偏振态的信号光通过望远镜和旋光器到达偏振分束器，偏振分束器将垂直偏振态的信号光反射至信号探测和数据处理系统；在第二时间段内，旋光器处于工作状态，平行偏振态的信号光通过望远镜到达旋光器，旋光器用于调整平行偏振态的信号光的偏振面，使平行偏振态的信号光的偏振态从平行偏振态变为垂直偏振态，偏振分束器将垂直偏振态的信号光反射至信号探测和数据处理系统。在该收发同置偏振激光雷达系统中，基于脉冲激光器产生的出射信号光获得的回波信号光包括了平行偏振态的信号光与垂直偏振态的信号光，由于偏振分束器无法反射平行偏振态的信号光，所以采用旋光器旋转回波信号光的偏振面来调整回波信号光的偏振态，分别使旋光器处于工作与不工作状态，可以使回波信号光中的所有偏振态被偏振分束器反射到信号探测和数据处理系统中，弥补了偏振分束器只能反射一个偏振方向的信号光的缺陷，使得该收发同置偏振激光雷达系统可以分析回波信号光中不同方向的偏振光的所有偏振信息，极大的拓展了该偏振激光雷达的探测性能和应用范围。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
22.图1为现有技术中收发分置偏振激光雷达系统的结构示意图；
23.图2为现有技术中收发同置偏振激光雷达系统的结构示意图；
24.图3为本发明实施例提供的一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统的结构示意图；
25.图4为本发明实施例提供的一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统的偏振分束器的光路示意图；
26.图5为本发明实施例提供的另一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统的偏振分束器的光路示意图；
27.图6为本发明实施例提供的又一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统的偏振分束器的光路示意图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.基于背景技术中记载的内容而言，偏振激光雷达的收发系统结构可以分为收发分置和收发同置。
30.对于传统收发分置偏振激光雷达，其发射望远镜和接收望远镜的位置和角度必须经过精密调整才能实现较好的性能，且其收发系统成本高，发射系统和接收系统各有一套独立的光路，两个系统的设备费用和维护费用远高于单望远镜的系统。参考图1，图1为现有技术中收发分置偏振激光雷达系统的结构示意图。收发分置偏振激光雷达的发射和接收望远镜分立，通过合理设定和测量两者的几何重叠因子，可以从接收信号中提取回波的不同偏振方向的偏振强度。在传统的收发分置偏振激光雷达系统中连续激光器产生偏振光，由放大器进行功率放大，经过隔离器后由望远镜出射。信号激光遇到目标并散射回波，接收望远镜收纳回波信号，信号光经过偏振分束器(polarization beam spliter，pbs)时垂直偏振态和平行偏振态被分开进入两路光纤，两路偏振光分别被探测器采集形成两路电信号，进入信号采集和数据处理系统。由于调节发射和接收望远镜光轴同轴和调节两者视场对目标有足够的重叠面积时，调节过程比较复杂，且此平衡状态不稳定，易受望远镜所处环境影响。
31.对于传统收发同置偏振激光雷达，参考图2，图2为现有技术中收发同置偏振激光雷达系统的结构示意图。传统的收发同置偏振激光雷达信号的发射和接收使用同一望远镜镜筒，通过时分复用的方式将接收和发射光路分离。传统的收发同置偏振激光雷达系统在一个脉冲周期内分时发射信号或接收信号。在信号发射时间内，脉冲激光器发射偏振脉冲
激光，记其偏振态为p，该p偏振光经过放大器形成信号光，设置偏振分束器的形态使p偏振光可以透过，经过1/4波片后变成圆偏振信号光，并由望远镜发射。散射后的信号光由望远镜收集，经1/4波片可得s偏振光，该s偏振光经偏振分束器反射进入探测器和信号探测和数据处理系统。在接收信号光时，由于偏振分束器只允许反射和透射特定偏振方向的光，接收信号光束中只有一个偏振方向的分量能够被探测。
32.目前已有日本学者使用两片偏振分束器pbs和法拉第旋光器实现了激光雷达回波信号不同方向偏振光的分离，并在空间光路中验证其功能性。但是这套系统光路比较复杂，因而没有被广泛使用，也没有比较相似的全光纤系统实现。
33.基于此，在本发明实施例中提供了一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统，该收发同置偏振激光雷达系统包括脉冲激光器、偏振分束器、旋光器、望远镜以及信号探测和数据处理系统，偏振分束器能够透射平行偏振态的信号光，反射垂直偏振态的信号光；脉冲激光器用于产生平行偏振态的出射信号光，出射信号光依次通过偏振分束器和旋光器，从望远镜出射；基于出射信号光获得的回波信号光包括平行偏振态的信号光与垂直偏振态的信号光；在回波信号光的接收过程中，在第一时间段内，旋光器处于不工作状态，垂直偏振态的信号光通过望远镜和旋光器到达偏振分束器，偏振分束器将垂直偏振态的信号光反射至信号探测和数据处理系统；在第二时间段内，旋光器处于工作状态，平行偏振态的信号光通过望远镜到达旋光器，旋光器用于调整平行偏振态的信号光的偏振面，使平行偏振态的信号光的偏振态从平行偏振态变为垂直偏振态，偏振分束器将垂直偏振态的信号光反射至信号探测和数据处理系统。在该收发同置偏振激光雷达系统中，基于脉冲激光器产生的出射信号光获得的回波信号光包括了平行偏振态的信号光与垂直偏振态的信号光，由于偏振分束器无法反射平行偏振态的信号光，所以采用旋光器旋转回波信号光的偏振面来调整回波信号光的偏振态，分别使旋光器处于工作与不工作状态，可以使回波信号光中的所有偏振态被偏振分束器反射到信号探测和数据处理系统中，弥补了偏振分束器只能反射一个偏振方向的信号光的缺陷，使得该收发同置偏振激光雷达系统可以分析回波信号光中不同方向的偏振光的所有偏振信息，极大的拓展了该偏振激光雷达的探测性能和应用范围。
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
35.参考图3，图3为本发明实施例提供的一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统的结构示意图。
36.一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统，所述收发同置偏振激光雷达系统包括：
37.脉冲激光器11、偏振分束器13、旋光器14、望远镜15以及信号探测和数据处理系统16，所述偏振分束器13能够透射平行偏振态19的信号光，反射垂直偏振态20的信号光。
38.所述脉冲激光器11用于产生所述平行偏振态19的出射信号光17，所述出射信号光17依次通过所述偏振分束器13和所述旋光器14，从所述望远镜15出射。
39.基于所述出射信号光17获得的回波信号光18包括所述平行偏振态19的信号光与所述垂直偏振态20的信号光。
40.在所述回波信号光18的接收过程中，在第一时间段内，所述旋光器14处于不工作
状态，所述垂直偏振态20的信号光通过所述望远镜15和所述旋光器14到达所述偏振分束器13，所述偏振分束器13将所述垂直偏振态20的信号光反射至所述信号探测和数据处理系统16；在第二时间段内，所述旋光器14处于工作状态，所述平行偏振态19的信号光通过所述望远镜15到达所述旋光器14，所述旋光器14用于调整所述平行偏振态19的信号光的偏振面，使所述平行偏振态19的信号光的偏振态从所述平行偏振态19变为所述垂直偏振态20，所述偏振分束器13将所述垂直偏振态20的信号光反射至所述信号探测和数据处理系统16。
41.在本实施例中，在脉冲激光器11产生出射信号光17的方向上，依次设置有偏振分束器13、旋光器14以及望远镜15，在偏振分束器13反射信号光的方向上设置有信号探测和数据处理系统16。
42.进一步的，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统的偏振分束器的光路示意图。
43.脉冲激光器11产生的平行偏振态19的出射信号光17为脉冲激光，在出射信号光17进行出射时，由于偏振分束器13透射平行偏振态19的信号光，反射垂直偏振态20的信号光，所以该出射信号光17会透过偏振分束器13。
44.出射信号光17从偏振分束器13透射，经过旋光器14，再经由望远镜15出射后进入大气，在大气中的被探测物与出射信号光17相遇时，会对出射信号光17进行反射，形成回波信号光18。
45.由于出射信号光17反射时偏振态发生改变，使得回波信号光18包含了两种不同偏振态，即平行偏振态19的信号光和垂直偏振态20的信号光，回波信号光18经由望远镜15接收后，经过旋光器14到达偏振分束器13。
46.在回波信号光18的接收过程中，由于回波信号光18包括两种不同偏振态的信号光，所以采用旋光器14进行旋光来使所有的回波信号光18反射进入信号探测和数据处理系统16，此时，会包括两个不同的时间段。
47.参考图5，图5为本发明实施例提供的另一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统的偏振分束器的光路示意图。
48.参考图6，图6为本发明实施例提供的又一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统的偏振分束器的光路示意图。
49.在第一时间段内，旋光器14处于不工作状态，此时，平行偏振态19的出射信号光17由脉冲激光器11出射，经过如图4所示的偏振分束器13透射，再经过旋光器14和望远镜15进入大气，在通过探测物的反射后，回波信号光18进入望远镜15，此时旋光器14不工作，平行偏振态19的信号光与垂直偏振态20的信号光都通过了旋光器14到达了偏振分束器13，如图6所示，偏振分束器13将平行偏振态19的信号光透射，不进入信号探测和数据处理系统16。如图5所示，偏振分束器13将垂直偏振态20的信号光反射，进入信号探测和数据处理系统16，信号探测和数据处理系统16只对垂直偏振态20的信号光进行信号采集和数据处理。
50.在第二时间段内，旋光器14处于工作状态，此时，通过探测物的反射，回波信号光18进入望远镜15，由于此时旋光器14处于工作状态，所以平行偏振态19的信号光的偏振态被旋光器14旋转改变，由平行偏振态19的信号光转变为垂直偏振态20的信号光，如图5所示，偏振分束器13反射垂直偏振态20的信号光进入信号探测和数据处理系统16，信号探测和数据处理系统16只对垂直偏振态20的信号光进行信号采集和数据处理。此时，由于垂直
偏振态20的信号光被旋光器14改变了偏振态，从而没有进入信号探测和数据处理系统16。
51.可选的，所述出射信号光17为线偏振光。
52.在该实施例中，在脉冲激光器11产生出射信号光17时，将出射信号光17设置为线偏振光，使得出射信号光17单一，且设备更简便。然后将该平行偏振态19的出射信号光17的偏振态设置为平行偏振态，由于偏振分束器13透射平行偏振态的光，出射信号光17可以在出射时直接通过偏振分束器13，整个出射系统也会变得相对简便。
53.可选的，所述望远镜15为收发同置望远镜。
54.在该实施例中，收发同置望远镜可以在同一个镜筒中分别发射和接收信号光。
55.可选的，所述回波信号光18为椭圆偏振光。
56.在该实施例中，需要说明的是，回波信号光18包括了平行偏振态19的信号光和垂直偏振态20的信号光，该平行偏振态19的信号光与垂直偏振态20的信号光结合成为椭圆偏振光。
57.可选的，所述旋光器14为法拉第旋光器。
58.在该实施例中，需要说明的是，旋光器14可以采用法拉第旋光器，也可以采用其他的旋光器14，或者也可以利用其他的旋光装置来对其进行旋光，在本实施例中仅仅以法拉第旋光器为例，并不做具体的限定。
59.在旋光器14进行旋光时，采用时分复用的技术，由于脉冲激光器11产生的出射信号光17为脉冲激光，所以该出射信号光17会有一定的间隔，旋光器14将平行偏振态19的信号光与垂直偏振态20的信号光在不同的时间段内进行信号采集，然后通过信号探测和数据处理系统16将不同时间采集到的平行偏振态19的信号光与垂直偏振态20的信号光进行数据处理，可以得到的平行偏振态20的信号光与垂直偏振态20的信号光的所有偏振信息，采集多组数据对比分析即可得到退偏比等参数，并计算反演得到大气参数。
60.根据上述所有实施例，在回波信号光18透过旋光器14时，由于偏振分束器13只能反射一个偏振方向的光，所以调整旋光器14是否处于工作状态，就可以调整平行偏振态19的信号光的偏振状态。例如，旋光器14的旋转角度为0度时，旋光器14处于不工作状态，回波信号光18都通过旋光器，偏振分束器13则只可以反射垂直偏振态20的信号光，平行偏振态19的信号光则被透射。旋光器14的旋转角度为90度时，旋光器14处于工作状态，回波信号光18中的平行偏振态19的信号光被旋光器旋转为垂直偏振态20的信号光，从而使平行偏振态19的信号光的偏振信息进入信号探测和数据处理系统16，而垂直偏振态20的信号光被旋光器旋转为其他偏振态的偏振光。
61.可选的，所述收发同置偏振激光雷达系统还包括：
62.放大器12，所述放大器12用于放大所述出射信号光17的信号功率。
63.在该实施例中，放大器12将该平行偏振态19的出射信号光放大为功率较大的信号光，使得被探测物反射后可以接收到足够大的信号。
64.可选的，所述放大器12为掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier，edfa)。
65.在该实施例中，采用掺铒光纤放大器edfa可以使光信号可以直接放大，突破了原有的光/电/光模式对光信号进行放大的限制，使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能。
66.需要说明的是，掺铒光纤放大器edfa对脉冲激光器11发出的信号光进行功率补偿。在本实施例中仅仅以掺铒光纤放大器edfa为例，也可以采用其他的放大器12，或者也可以利用其他的光信号放大装置来对光信号进行放大，并不做具体的限定。
67.以上对本发明所提供的一种基于旋光器的收发同置偏振激光雷达系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
68.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
69.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
70.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。