基于琼斯矩阵的偏振激光雷达标定方法及偏振激光雷达技术

本发明专利技术公开了一种基于琼斯矩阵的偏振激光雷达标定方法及偏振激光雷达。该方法用于修正偏振激光雷达的退偏比；本发明专利技术标定方法利用半波片改变发射激光的偏振方向，通过对半波片的角度改变，获得随半波片角度变化的退偏比值及退偏比变化率值，建立比较退偏比函数与退偏比变化率函数的Diff函数，运用最小二乘法对Diff函数进行拟合，获得该系统的琼斯矩阵恒量，根据琼斯矩阵恒量获得对应的半波片优化旋转角度；偏振激光雷达进行远距离探测时，保持半波片优化旋转角度不变，采用琼斯矩阵恒量并利用接收光路中的琼斯矩阵，对退偏比进行修正。本发明专利技术通过琼斯矩阵恒量和半波片角度双向确定，定标精度高、相对误差小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种偏振激光雷达的标定方法及采用该方法的偏振激光雷达系统，具体涉及一种基于琼斯矩阵的偏振激光雷达标定方法。
技术介绍
琼斯矩阵是用来描述偏振器件对偏振光的变换作用，可认为任意偏振光可以由它的光矢量的两个分量构成一个列矩阵来表示，获知偏振光的叠加与合成及出射光的偏振态。偏振激光雷达是一种研究沙尘气溶胶和卷云的有效工具，在大气观测中至关重要。偏振激光雷达中，平行回波信号反映了米散射激光雷达的探测信息，垂直回波信号与平行回波信号之比即为退退偏比，是非球形粒子后向散射光的退偏比，偏振激光雷达的退偏比可以认为是非球形粒子的指示器，可反映散射粒子的形状及物相，可用于区分大气组分液态、混合状态、冰云及气溶胶类型，可见，偏振激光雷达的所有信息都依赖于退偏比的准确探测，而退偏比的准确探测依赖于系统参数标定。现有的偏振激光雷达标定方法如McGill法，将半波片嵌入接收系统光路，旋转45度以使偏振面输出信号与接收器偏振轴向相匹配。该方法消除了对基准退偏比的需要，但需要半波片旋转的准确角度。除此之外，使用非偏振光在多通道产生相同信号来标定偏振激光雷达系统参数也是常用的方法，但该方法局限于理想的非偏振光是不易获得的。就算获得非偏振光，需要考虑非偏振光的光子计数强度，且只能使用到单一的探测技术，试验过程中也需要转换光学路径测量两偏振通道连续激光脉冲，同时还需要直观地获取偏振光束分光器的光学反射率和转换参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够有效确定半波片准确角度，定标精度高、相对误差小的标定方法。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于琼斯矩阵的偏振激光雷达标定方法，该方法用于修正偏振激光雷达的退偏比；本专利技术标定方法利用半波片改变发射激光的偏振方向，通过对半波片的角度改变，获得随半波片角度变化的退偏比值及退偏比变化率值，建立比较退偏比函数与退偏比变化率函数的Diff函数，运用最小二乘法对Diff函数进行拟合，获得该系统的琼斯矩阵恒量，根据琼斯矩阵恒量获得对应的半波片优化旋转角度；偏振激光雷达进行远距离探测时，保持半波片优化旋转角度不变，采用琼斯矩阵恒量并利用接收光路中的琼斯矩阵，对退偏比进行修正。其中，Diff函数为：Diff＝[Dep’(θ)-Dep(θ)]2；其中Dep’(θ)为退偏比变化率函数，Dep(θ)为退偏比函数。具体步骤如下：(1)偏振激光雷达的激光器发射激光，依次经扩束镜、线性偏振片、半波片和反射镜后，垂直进入大气，后向散射信号被望远镜接收，接收的信号经反射镜、准直镜、滤光片后进入分束镜分解成正交的两个方向的光，分别进入水平通道和垂直通道，两个通道接收的回波信号通过光电探测系统进行数据采集；(2)对半波片旋转一个小角度，进行半波片固定，多次变换半波片旋转角度进行测量，根据光电探测系统采集的数据获得随半波片角度变化的退偏比函数，根据退偏比函数获得退偏比变化率函数，生成退偏比函数图像，根据图像确定对所述Diff函数进行最小二乘法拟合，获得琼斯矩阵恒量εi，计算得到对应的半波片优化的旋转角度；采用偏振激光雷达进行远距离探测时，半波片保持该优化的旋转角度不变，使用接收系统中的琼斯矩阵修正来自两个通道的回波信号，从而修正退偏比。本专利技术还提供了一种采用上述标定方法的偏振激光雷达，包括：发射系统，用于发射偏振激光信号，包括激光器、扩束镜、线性偏振片、半波片、旋转角度控制装置和反射镜；激光器发射激光，依次经扩束镜、线性偏振片、半波片和反射镜后，垂直进入大气；所述旋转角度控制装置与所述半波片相连；接收系统，用于接收大气后向散射信号形成正交的两个方向的回波信号，包括望远镜、反射镜、准直镜、滤光片和分束镜；激光进入大气的后向散射信号被望远镜接收，接收的信号依次经反射镜、准直镜、滤光片后进入分束镜分解成正交的两个方向的回波信号，分别进入水平通道和垂直通道；光电探测系统，用于将接收系统形成的回波信号转化成电信号并进行数据处理，包括光电倍增管、光子计数器和计算机；所述光电倍增管为两个，分别用于接收所述接收系统的水平通道和垂直通道的回波信号；所述计算机通过光子计数器分别与两个光电倍增管相连。其中，旋转角度控制装置包括步进电机和机械转盘；机械转盘的转轴与步进电机的输出轴传动相连；半波片与机械转盘相连。旋转角度控制装置还包括主动齿轮和从动齿轮；步进电机的输出轴连接主动齿轮，机械转盘外周设有从动齿轮；主动齿轮和从动齿轮相啮合；机械转盘的中心处设有凹槽，半波片设于凹槽内。本专利技术相比现有技术具有以下优点：通过对琼斯矩阵进行变换求解对偏振激光雷达琼斯矩阵恒量进行标定，同时确定半波片优化的旋转角度；同时利用步进电机控制机械转盘转动，带动半波片进行固定角度转动，保证了操作的精密性，避免了手动调节所带来的误差，解决了已有标定方法中无法找到半波片准确角度的困难；通过琼斯矩阵恒量和半波片角度双向确定，定标精度高、相对误差小。附图说明图1为本专利技术偏振激光雷达的结构示意图；图2为图1中旋转角度控制装置的结构示意图。图中，1-激光器，2-扩束镜，3-线性偏振片，4-半波片，5-旋转角度控制装置，51-步进电机，52-机械转盘，53-主动齿轮，54-从动齿轮，6-反射镜，7-大气，8-望远镜，9-反射镜，10-准直镜，11-滤光片，12-分束镜，13-光电倍增管，14-光子计数器，15-计算机。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细说明。如图1所示，本专利技术偏振激光雷达包括发射系统、接收系统和光电探测系统。发射系统包括激光器1、扩束镜2、线性偏振片3、半波片4、旋转角度控制装置5和反射镜6。接收系统包括望远镜8、反射镜9、准直镜10、滤光片11和分束镜12。光电探测系统包括光电倍增管13、光子计数器14和计算机15。激光器1利用一个半导体泵浦的、窄线宽、连续的种子激光器激光注入到高能脉冲激光振荡器中获得高功率、窄线宽、532nm输出的激光，脉冲能量为10mJ，单脉冲重复频率为11Hz。发出的532nm的激光经扩束镜2扩束，调节扩束境2，使激光的发散角一定要小于系统的视场角，以保证激光能量的充分应用。扩束后的激光经线性偏振片3，激光变为线偏振光，此时，激光沿同一方向偏振。光路经过半波片4，通过旋转角度控制装置5带动半波片4旋转固定小角度，调节激光偏振态能够与偏振分束镜(PBS)12匹配。激光经45度反射镜6，将水平传输的激光垂直进入大气7。激光进入大气7后产生不同方向的散射，其中后向散射信号被望远镜8(其中望远镜8的焦平面上焦点附近放置有孔径光阑，以压缩接收系统的视场角限制望远镜的视场角接收)，45度反射镜9将接收到的垂直的光变成水平的光信号，该反射镜9可用于调节激光中心轴向。反射镜9反射的信号光经过准直镜10准直为平行光，然后利用中心波长为532nm、带宽为0.35nm的窄带滤光片11压缩背景光。经过滤波、准直后的光经偏振分束镜12，分解成正交的两个方向的光，分别进入水平通道和垂直通道；将接收到的两个通道的回波信号通过光电探测系统中的光电倍增管13将光信号转化为电信号，利用光子计数器14采集光电倍增信号，输入计算机15中，进行数据处理。其中，望远镜8采用直径为200mm的凯赛格林(Casse grain)望远镜。准本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于琼斯矩阵的偏振激光雷达标定方法，该方法用于修正偏振激光雷达的退偏比；其特征在于，该方法利用半波片改变发射激光的偏振方向，通过对半波片的角度改变，获得随半波片角度变化的退偏比值及退偏比变化率值，建立比较退偏比函数与退偏比变化率函数的Diff函数，运用最小二乘法对Diff函数进行拟合，获得该系统的琼斯矩阵恒量，根据琼斯矩阵恒量获得对应的半波片优化旋转角度；偏振激光雷达进行远距离探测时，保持半波片优化旋转角度不变，采用所述琼斯矩阵恒量并利用接收光路中的琼斯矩阵，对退偏比进行修正。

【技术特征摘要】
1.基于琼斯矩阵的偏振激光雷达标定方法，该方法用于修正偏振激光雷达的退偏比；其特征在于，该方法利用半波片改变发射激光的偏振方向，通过对半波片的角度改变，获得随半波片角度变化的退偏比值及退偏比变化率值，建立比较退偏比函数与退偏比变化率函数的Diff函数，运用最小二乘法对Diff函数进行拟合，获得该系统的琼斯矩阵恒量，根据琼斯矩阵恒量获得对应的半波片优化旋转角度；偏振激光雷达进行远距离探测时，保持半波片优化旋转角度不变，采用所述琼斯矩阵恒量并利用接收光路中的琼斯矩阵，对退偏比进行修正。2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述Diff函数为：Diff =[Dep’()-Dep()]2；其中Dep’()为退偏比变化率函数，Dep( )为退偏比函数。3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）偏振激光雷达的激光器发射激光，依次经扩束镜、线性偏振片、半波片和反射镜后，垂直进入大气，后向散射信号被望远镜接收，接收的信号经反射镜、准直镜、滤光片后进入分束镜分解成正交的两个方向的光，分别进入水平通道和垂直通道，两个通道接收的回波信号通过光电探测系统进行数据采集；（2）对半波片旋转一个小角度，进行半波片固定，半波片每转动一个角度根据光电探测系统采集的数据得到对应的退偏比值，多次变换半波片旋转角度进行测量，获得随半波片角度变化的退偏比函数，根据退偏比函数获得退偏比变化率函数，生成退偏比函数图像，根据图像确定对所述Diff函数进行最小二乘法拟合，获得琼斯矩阵恒量εi，计算得到对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜令兵，徐玲，郜海洋，黄晶，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32