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    买重庆时时彩官网: 一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201310244160.6

    申请日:

    2013.06.18

    公开号:

    CN103344964A

    公开日:

    2013.10.09

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||著录事项变更IPC(主分类):G01S17/95变更事项:发明人变更前:刘东 杨甬英 成中涛变更后:刘东 杨甬英 成中涛 李璐|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 17/95申请日:20130618|||公开
    IPC分类号: G01S17/95 主分类号: G01S17/95
    申请人: 浙江大学
    发明人: 刘东; 杨甬英; 成中涛
    地址: 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号
    优先权:
    专利代理机构: 杭州求是专利事务所有限公司 33200 代理人: 杜军
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201310244160.6

    授权公告号:

    CN103344964B|||||||||

    法律状态公告日:

    2015.04.15|||2015.04.08|||2013.11.06|||2013.10.09

    法律状态类型:

    授权|||著录事项变更|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置。本发明包括两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统和一个灰霾类别识别系统。两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统分别为工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统和工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统。偏振高光谱分辨率激光雷达系统包括发射系统、接收系统、锁频系统、数据采集及处理系统?;姻怖啾鹗侗鹣低嘲ɑ姻惭究饽??、判别函数计算??楹突姻渤煞质涑瞿??。本发明配合基于模式识别的灰霾组分识别方法,无需将装置置于灰霾之中即可对灰霾的类别进行高精度遥感。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,其特征在于包括两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统和一个灰霾类别识别系统;两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统分别为工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统和工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统;
    工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统包括发射系统a、接收系统a、锁频系统a、数据采集及处理系统a;发射系统a包括532nm单频偏振脉冲激光器、532nm/1064nm二相色分光镜a、扩束器、反射镜b和反射镜b;接收系统a包括望远镜、光学滤波器、532nm/1064nm二相色分光镜b、分光镜a、光电探测器a、偏振分光棱镜a、光电探测器b、高光谱分辨率滤光器a、光电探测器c;锁频系统a将高光谱分辨率滤光器a锁频至532nm单频偏振脉冲激光器后,532nm单频偏振脉冲激光器发射的光束透过532nm/1064nm二相色分光镜a后并被扩束镜扩束后,经过反射镜a 和反射镜b 发射到被探测大气中;受到大气分子和气溶胶粒子的散射,产生激光雷达回波信号;激光雷达回波信号由望远镜收集后,通过光学滤波器滤除天空背景辐射,再透过532nm/1064nm二相色分光镜后,经分光镜a分光,一路信号被反射进入光电探测器a,另一路信号透射到偏振分光棱镜a后分为两路,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态垂直的偏振信号被反射进入光电探测器b,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态相同的偏振信号透射到高光谱分辨率滤光器a,并经过高光谱分辨率滤光器a后被光电探测器c接收;光电探测器a、光电探测器b和光电探测器c完成三个通道信号的光电转换,将转换后的电信号输入数据采集及处理系统a,数据采集及处理系统a将电信号数字化,并对数字化后的电信号进行大气参数的反演运算,从而得到被探测大气在532nm波段的参数,数据采集及处理系统a将反演得到的参数传输给灰霾类别识别系统;
    工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统包括发射系统b、接收系统b、锁频系统b、数据采集及处理系统b;发射系统b包括1064nm单频偏振脉冲激光器、反射镜a、532nm/1064nm二相色分光镜a、扩束器、反射镜b6 和反射镜c;接收系统b包括望远镜、光学滤波器、532nm/1064nm二相色分光镜b、反射镜d、分光镜b、光电探测器d、偏振分光棱镜b、光电探测器e、高光谱分辨率滤光器b、光电探测器f;锁频系统b将高光谱分辨率滤光器b锁频至1064nm单频偏振脉冲激光器后,1064nm单频偏振脉冲激光器发射的光束经反射镜a反射后,又被532nm/1064nm二相色分光镜a反射并被扩束镜扩束后,经过反射镜b6 和反射镜c 发射到被探测大气中;受到大气分子和气溶胶粒子的散射,产生激光雷达回波信号,激光雷达回波信号由望远镜收集后,通过光学滤波器滤除天空背景辐射,再被532nm/1064nm二相色分光镜b和反射镜d先后反射,并经分光镜b分光,一路信号被反射进入光电探测器d,另一路信号透射到偏振分光棱镜b后分为两路,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态垂直的偏振信号被反射进入光电探测器e,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态相同的偏振信号透射到高光谱分辨率滤光器b,并经过高光谱分辨率滤光器b后被光电探测器f接收;光电探测器d、光电探测器e和光电探测器f完成三个通道信号的光电转换,将转换后的电信号输入数据采集及处理系统b,数据采集及处理系统b将电信号数字化,并对数字化后的电信号进行大气参数的反演运算,从而得到被探测大气在1064nm波段的参数,数据采集及处理系统b将反演得到的参数传输给灰霾类别识别系统。

    2.  如权利要求1所示的一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,其特征在于所述的532nm/1064nm二相色分光镜a、扩束器、反射镜b 、反射镜c、望远镜、光学滤波器、532nm/1064nm二相色分光镜b由工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统和工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统共用;所述的532nm单频偏振脉冲激光器和1064nm单频偏振脉冲激光器能够是同一个激光器;当为同一个激光器时,该激光器或同时具有两个分别发射532nm单频偏振脉冲激光和1064nm单频偏振脉冲激光的激光头,或具有一个同时能够发射532nm单频偏振脉冲激光和1064nm单频偏振脉冲激光的激光头;当所述的532nm单频偏振脉冲激光器和1064nm单频偏振脉冲激光器属于同一个激光器并且从同一个激光头发射激光时,系统将省略反射镜a和532nm/1064nm二相色分光镜a。

    3.  如权利要求1所述的一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,其特征在于
    所述的灰霾类别识别系统包括灰霾样本库???、判别函数计算??楹突姻渤煞质涑瞿??;灰霾样本库??楹胁煌啾鸹姻财芙旱墓庋粜匝炯?,其中灰霾气溶胶的特征向量为                                                ,且为532nm波段灰霾气溶胶的退偏比,即垂直(S)偏振的后向散射系数和水平(P)偏振的后向散射系数之比;为532nm波段灰霾气溶胶的雷达比,即灰霾气溶胶消光系数和后向散射系数之比;表示灰霾气溶胶的散射颜色比,即灰霾气溶胶在532nm波段的后向散射系数与在1064nm波段的后向散射系数之比;表示灰霾气溶胶的谱退偏比,即灰霾气溶胶在1064nm 波长上退偏比和532nm波长上退偏比的比值。

    4.  如权利要求3所述的一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,其特征在于所述的判别函数计算??橛糜诮导势芙旱奶卣飨蛄坑牖姻惭究饽?橹械幕姻财芙旱奶卣飨蛄拷斜冉吓斜?;所述的比较判别采用最大似然参数估计方式中的贝叶斯判别方法估计出样本统计规律的相关参数;假定样本分为n个类别,则特征向量属于类的概率如下:
    ,           (1)
    其中,为特征向量属于类的后验概率,为类在样本库中的权重;因此,在所有取值中,特征向量归于取值最大的类别;
    灰霾成分输出??楦菖斜鸷扑隳?榈谋冉辖峁?,对被分析灰霾进行分类输出。

    5.  如权利要求1所述的一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,其特征在于所述的532nm单频偏振脉冲激光器和1064nm单频偏振脉冲激光器发出的激光频谱宽度不大于150MHz。

    6.  如权利要求1所述的一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,其特征在于所述的高光谱分辨率滤光器a是碘分子吸收滤光器或具有高光谱分辨率的干涉仪;所述的高光谱分辨率滤光器b是具有高光谱分辨率的干涉仪。

    7.  如权利要求1所述的一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,其特征在于所述的高光谱分辨率滤光器a和高光谱分辨率滤光器b结构相同,包括分光棱镜c、混合臂玻璃、混合臂空气隙、混合臂反射镜、玻璃臂玻璃和玻璃臂反射膜;混合臂反射镜与混合臂玻璃之间设置有混合臂空气隙,混合臂玻璃和玻璃臂玻璃设置在分光棱镜c的分光面两边且相邻的直角边上,玻璃臂玻璃远离分光棱镜c的一端镀有玻璃臂反射膜;分光棱镜c将经偏振分光棱镜b后的偏振信号分成两路,一路信号通过由玻璃臂玻璃和玻璃臂反射膜组成的干涉臂a,并由干涉臂a远离分光棱镜端的玻璃臂反射膜反射后,重新被分光棱镜c分光并反射至出射端;另一路信号依次通过由混合臂玻璃、混合臂空气隙和混合臂反射镜组成的干涉臂b,并由干涉臂b远离分光棱镜端的混合臂反射镜反射,且反射后的该路信号原路返回,重新被分光棱镜c分光并透射至出射端;经干涉臂a和干涉臂b返回的两路信号在出射端产生干涉后由光电探测器f接收。

    说明书

    说明书一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置
    技术领域
    本发明属于激光雷达技术领域,特别是涉及一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置。
    背景技术
    雾属于气溶胶系统,是悬浮在贴近地面大气中大量微细水滴(或冰晶)的可见集合体,主要是空气中水汽达到或者接近饱和后在凝结核上凝结而成的。而霾,又称灰霾,也属于气溶胶系统,是悬浮在大气中大量微小尘粒,烟?;蜓瘟5募咸?,组成霾的粒子极小,不能用肉眼分辨。气象学上认为,相对湿度大于90%,水平能见度小于1km而引起的能见度下降为雾;当相对湿度小于80%,水平能见度小于10km时认为是霾;相对湿度在80%~90%之间时大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是雾和霾混合物共同造成,但认为其主要成分是霾。
    由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快,当今的灰霾已经不是一种完全的自然现象。人为排放的大量气溶胶已使得空气质量严重恶化,大气污染日益严峻?;姻捕匀嗣堑纳硖褰】?、心理健康,以及交通安全和区域气候等方面都有着非常重要的影响。在我国灰霾己经成为大气污染的重要形式,成为我国许多城市面临的主要问题。根据对我国某大城市50余年来气溶胶光学消光系数与肺癌死亡率关系的研究,发现“肺癌死亡率在灰霾天气增加后的7~8年时明显增加”的规律。同时,灰霾会降低能见度,影响城市景观和正常的交通秩序,并且还会吸收太阳能,影响地面辐射的收支平衡,进而影响到全球气候。
    目前常用的测量灰霾的方法是用采样器或薄膜将颗粒物收集后进行分析测试。然而这些离线分析手段虽然可以对样品进行全面、准确地分析,但费时费力且化学成分易受破坏而无法真正反应原始气溶胶的特征。实时在线测量技术可以连续地分析大气气溶胶成分和粒子的粒径组成,较为完整地得到粒子化学成分和粒子的粒径组成,如单颗粒气溶胶质谱技术等。此外,吸湿串级差分淌度分析仪(HTDMA)、光腔衰荡光谱仪(CRDS)以及浊度计(Nephelometer)等原位检测分析仪器也被用于气溶胶化学类别、吸湿性和光学性质等的检测。但是,以上这些检测方法或仪器仅能在有限区域进行单点采样,必须将仪器置于被测气溶胶环境中,这样便大大限制了其应用。若想对于大范围内的灰霾状况进行检测,则激光雷达遥感技术是个不错选择。但目前已有的激光雷达系统并不是专门为检测灰霾而研制的,只是把灰霾作为普通气溶胶看待,简单地探测一些气溶胶的普通的光学参数而已。
    并且,目前已发表的对灰霾进行探测的激光雷达系统采用的均是普通后向散射激光雷达。由于在大气探测中,激光雷达接收到的大气后向散射光包含了大气分子的瑞利散射信号和气溶胶粒子的米散射信号。普通后向散射激光雷达在进行数据重构时无法对瑞利散射信号和气米散射信号进行区分,需要人为假设被探测大气气溶胶的激光雷达比,理论上来说就不能达到高精度。而高光谱分辨率激光雷达利用具有高光谱分辨率的滤光器,从大气散射中分离米散射和瑞利散射光谱,进而反演出大气参数。由于无需假设激光雷达比,高光谱分辨率激光雷达可以得到比普通后向散射激光雷达更高精度。
    另外,这些已发表的利用激光雷达对灰霾进行探测的报道,仅是探测了灰霾作为气溶胶的基本光学参数,如消光系统和退偏比等,而无法灰霾的类别进行自动判别。同时,几乎所有的报道基本都是利用工作在一个波长的激光雷达进行探测的。而灰霾作为气溶胶,其在不同波长上的光学特性是不同的,利用多波长上的特性对其进行判别,可以得到更高的精度。
    建立一种基于高光谱分辨率激光雷达的灰霾遥感系统及灰霾类别遥感方法,可以无需身处灰霾之中即可对灰霾类别进行高精度探测,对于人们的生活、社会生产、地球环境等都具有非常重要的意义。
    发明内容
    本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足,提出了一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,本发明基于高光谱分辨率激光雷达,结合灰霾分析判别方法,可对灰霾类别进行高精度探测。
    本发明包括两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统和一个灰霾类别识别系统。两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统分别为工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统和工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统。
    工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统包括发射系统a、接收系统a、锁频系统a、数据采集及处理系统a。发射系统a包括532nm单频偏振脉冲激光器、532nm/1064nm二相色分光镜a、扩束器、反射镜b和反射镜b;接收系统a包括望远镜、光学滤波器、532nm/1064nm二相色分光镜b、分光镜a、光电探测器a、偏振分光棱镜a、光电探测器b、高光谱分辨率滤光器a、光电探测器c。锁频系统a将高光谱分辨率滤光器a锁频至532nm单频偏振脉冲激光器后,532nm单频偏振脉冲激光器发射的光束透过532nm/1064nm二相色分光镜a后并被扩束镜扩束后,经过反射镜a和反射镜b发射到被探测大气中;受到大气分子和气溶胶粒子的散射,产生激光雷达回波信号;该激光雷达回波信号除了频谱有一定展宽外,其偏振态也发生部分改变。激光雷达回波信号由望远镜收集后,通过光学滤波器滤除天空背景辐射,再透过532nm/1064nm二相色分光镜后,经分光镜a分光,一路信号被反射进入光电探测器a,另一路信号透射到偏振分光棱镜a后分为两路,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态垂直的偏振信号被反射进入光电探测器b,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态相同的偏振信号透射到高光谱分辨率滤光器a,并经过高光谱分辨率滤光器a后被光电探测器c接收。光电探测器a、光电探测器b和光电探测器c完成三个通道信号的光电转换,将转换后的电信号输入数据采集及处理系统a,数据采集及处理系统a将电信号数字化,并对数字化后的电信号进行大气参数的反演运算,从而得到被探测大气在532nm波段的参数,数据采集及处理系统a将反演得到的参数传输给灰霾类别识别系统。
    工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统包括发射系统b、接收系统b、锁频系统b、数据采集及处理系统b。发射系统b包括1064nm单频偏振脉冲激光器、反射镜a、532nm/1064nm二相色分光镜a、扩束器、反射镜b6 和反射镜c;接收系统b包括望远镜、光学滤波器、532nm/1064nm二相色分光镜b、反射镜d、分光镜b、光电探测器d、偏振分光棱镜b、光电探测器e、高光谱分辨率滤光器b、光电探测器f。锁频系统b将高光谱分辨率滤光器b锁频至1064nm单频偏振脉冲激光器后,1064nm单频偏振脉冲激光器发射的光束经反射镜a反射后,又被532nm/1064nm二相色分光镜a反射并被扩束镜扩束后,经过反射镜b 和反射镜c 发射到被探测大气中;受到大气分子和气溶胶粒子的散射,产生激光雷达回波信号;该激光雷达回波信号除了频谱有一定展宽外,其偏振态也发生部分改变。激光雷达回波信号由望远镜收集后,通过光学滤波器滤除天空背景辐射,再被532nm/1064nm二相色分光镜b和反射镜d先后反射,并经分光镜b分光,一路信号被反射进入光电探测器d,另一路信号透射到偏振分光棱镜b后分为两路,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态垂直的偏振信号被反射进入光电探测器e,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态相同的偏振信号透射到高光谱分辨率滤光器b,并经过高光谱分辨率滤光器b后被光电探测器f接收。光电探测器d、光电探测器e和光电探测器f完成三个通道信号的光电转换,将转换后的电信号输入数据采集及处理系统b,数据采集及处理系统b将电信号数字化,并对数字化后的电信号进行大气参数的反演运算,从而得到被探测大气在1064nm波段的参数,数据采集及处理系统b将反演得到的参数传输给灰霾类别识别系统。
    所述的532nm/1064nm二相色分光镜a、扩束器、反射镜b6 、反射镜c、望远镜、光学滤波器、532nm/1064nm二相色分光镜b由工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统和工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统共用;所述的532nm单频偏振脉冲激光器和1064nm单频偏振脉冲激光器能够是同一个激光器;当为同一个激光器时,该激光器或同时具有两个分别发射532nm单频偏振脉冲激光和1064nm单频偏振脉冲激光的激光头,或具有一个同时能够发射532nm单频偏振脉冲激光和1064nm单频偏振脉冲激光的激光头;当所述的532nm单频偏振脉冲激光器和1064nm单频偏振脉冲激光器属于同一个激光器并且从同一个激光头发射激光时,系统将没有反射镜a和532nm/1064nm二相色分光镜a。
    所述的分光镜a和b18的分光比不是50%:50%,而是透射率远大于反射率的分光镜,如98%:2%。
    所述的532nm单频偏振脉冲激光器和1064nm单频偏振脉冲激光器发出的激光频谱宽度不大于150MHz。
    所述的高光谱分辨率滤光器a是碘分子吸收滤光器或具有高光谱分辨率的干涉仪,如Fabry-Paret干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪;所述的高光谱分辨率滤光器b是具有高光谱分辨率的干涉仪,如Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪。
    灰霾类别识别系统包括灰霾样本库???、判别函数计算??楹突姻渤煞质涑瞿???;姻惭究饽?楹胁煌啾鸹姻财芙旱墓庋粜匝炯?,其中灰霾气溶胶的特征向量为                                               ,且为532nm波段灰霾气溶胶的退偏比,即垂直(S)偏振的后向散射系数和水平(P)偏振的后向散射系数之比;为532nm波段灰霾气溶胶的雷达比,即灰霾气溶胶消光系数和后向散射系数之比;表示灰霾气溶胶的散射颜色比,即灰霾气溶胶在532nm波段的后向散射系数与在1064nm波段的后向散射系数之比;表示灰霾气溶胶的谱退偏比,即灰霾气溶胶在1064nm 波长上退偏比和532nm波长上退偏比的比值。
    判别函数计算??橛糜诮导势芙旱奶卣飨蛄坑牖姻惭究饽?橹械幕姻财芙旱奶卣飨蛄拷斜冉吓斜?。所述的比较判别采用最大似然参数估计方式中的贝叶斯判别方法估计出样本统计规律的相关参数。假设样本可以分为n个类别,则特征向量属于类的概率如下:
    ,                    (1)
    其中,为特征向量属于类的后验概率,为类在样本库中的权重;因此,在所有取值中,特征向量归于取值最大的类别。
    灰霾成分输出??楦菖斜鸷扑隳?榈谋冉辖峁?,对被分析灰霾进行分类输出。
    所述的灰霾类别识别系统灰霾样本库??橹械幕姻惭究馐抢帽痉⒚魉炯す饫状锵低扯砸阎姻步惺导什饬亢蟮玫降?,或是对现有发表的文献中的数据整理后得到的。
    本发明有益效果如下:
    本发明采用分别工作在532nm波段和1064nm波段的两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统,配合基于模式识别的灰霾类别识别方法,无需在灰霾之中即可对灰霾的种类进行高精度遥感。
    附图说明
    图1为本发明结构示意图;
    图2为本发明灰霾类别识别系统示意图;
    图3为本发明实施例中高光谱分辨率滤光器b22采用视场展宽Michelson干涉仪滤光器时的视场展宽Michelson干涉仪滤光器结构示意图;
    图4(a)为本发明实施例中灰霾样本数据库部分数据图形表示图;
    图4(b)为本发明实施例中灰霾样本数据库部分数据图形表示图;
    图中,532nm单频偏振脉冲激光器1、1064nm单频偏振脉冲激光器2、532nm/1064nm二相色分光镜a3、反射镜a4、扩束器5、反射镜b 6、反射镜c7、望远镜8、光学滤波器9、532nm/1064nm二相色分光镜b10、分光镜a11、光电探测器a12、偏振分光棱镜a13、光电探测器b14、高光谱分辨率滤光器a15、光电探测器c16、反射镜d17、分光镜b18、光电探测器d19、偏振分光棱镜b20、光电探测器e21、高光谱分辨率滤光器b22、光电探测器f23、数据采集及处理系统a24、数据采集及处理系统b25、灰霾类别识别系统26、锁频系统a27、锁频系统b28、灰霾样本库???9、判别函数计算???0、灰霾成分输出???1、分光棱镜c32、混合臂玻璃33、混合臂空气隙34、混合臂反射镜35、玻璃臂玻璃36和玻璃臂反射膜37。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明作进一步说明。
    如图1所示,一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,包括两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统和一个灰霾类别识别系统。两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统分别为工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统和工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统。
    工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统包括发射系统a、接收系统a、锁频系统a27、数据采集及处理系统a24。发射系统a包括532nm单频偏振脉冲激光器1、532nm/1064nm二相色分光镜a3、扩束器5、反射镜b6 和反射镜b7;接收系统a包括望远镜8、光学滤波器9、532nm/1064nm二相色分光镜b10、分光镜a11、光电探测器a12、偏振分光棱镜a13、光电探测器b14、高光谱分辨率滤光器a15、光电探测器c16。锁频系统a27将高光谱分辨率滤光器a15锁频至532nm单频偏振脉冲激光器1后,532nm单频偏振脉冲激光器1发射的光束透过532nm/1064nm二相色分光镜a3后并被扩束镜5扩束后,经过反射镜a 6和反射镜b 7发射到被探测大气中;受到大气分子和气溶胶粒子的散射,产生激光雷达回波信号;该激光雷达回波信号除了频谱有一定展宽外,其偏振态也发生部分改变。激光雷达回波信号由望远镜8收集后,通过光学滤波器9滤除天空背景辐射,再透过532nm/1064nm二相色分光镜10后,经分光镜a11分光,一路信号被反射进入光电探测器a12,另一路信号透射到偏振分光棱镜a13后分为两路,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态垂直的偏振信号被反射进入光电探测器b14,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态相同的偏振信号透射到高光谱分辨率滤光器a15,并经过高光谱分辨率滤光器a15后被光电探测器c16接收。光电探测器a12、光电探测器b14和光电探测器c16完成三个通道信号的光电转换,将转换后的电信号输入数据采集及处理系统a24,数据采集及处理系统a24将电信号数字化,并对数字化后的电信号进行大气参数的反演运算,从而得到被探测大气在532nm波段的参数,数据采集及处理系统a24将反演得到的参数传输给灰霾类别识别系统26。
    工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统包括发射系统b、接收系统b、锁频系统b28、数据采集及处理系统b25。发射系统b包括1064nm单频偏振脉冲激光器2、反射镜a4、532nm/1064nm二相色分光镜a3、扩束器5、反射镜b6 和反射镜c7;接收系统b包括望远镜8、光学滤波器9、532nm/1064nm二相色分光镜b10、反射镜d17、分光镜b18、光电探测器d19、偏振分光棱镜b20、光电探测器e21、高光谱分辨率滤光器b22、光电探测器f23。锁频系统b28将高光谱分辨率滤光器b22锁频至1064nm单频偏振脉冲激光器2后,1064nm单频偏振脉冲激光器2发射的光束经反射镜a4反射后,又被532nm/1064nm二相色分光镜a3反射并被扩束镜5扩束后,经过反射镜b6 和反射镜c7 发射到被探测大气中;受到大气分子和气溶胶粒子的散射,产生激光雷达回波信号;该激光雷达回波信号除了频谱有一定展宽外,其偏振态也发生部分改变。激光雷达回波信号由望远镜8收集后,通过光学滤波器9滤除天空背景辐射,再被532nm/1064nm二相色分光镜b10和反射镜d17先后反射,并经分光镜b18分光,一路信号被反射进入光电探测器d19,另一路信号透射到偏振分光棱镜b20后分为两路,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态垂直的偏振信号被反射进入光电探测器e21,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态相同的偏振信号透射到高光谱分辨率滤光器b22,并经过高光谱分辨率滤光器b22后被光电探测器f23接收。光电探测器d19、光电探测器e21和光电探测器f23完成三个通道信号的光电转换,将转换后的电信号输入数据采集及处理系统b25,数据采集及处理系统b25将电信号数字化,并对数字化后的电信号进行大气参数的反演运算,从而得到被探测大气在1064nm波段的参数,数据采集及处理系统b25将反演得到的参数传输给灰霾类别识别系统26。
    所述的532nm/1064nm二相色分光镜a3、扩束器5、反射镜b6 、反射镜c7、望远镜8、光学滤波器9、532nm/1064nm二相色分光镜b10由工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统和工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统共用;所述的532nm单频偏振脉冲激光器1和1064nm单频偏振脉冲激光器2能够是同一个激光器;当为同一个激光器时,该激光器或同时具有两个分别发射532nm单频偏振脉冲激光和1064nm单频偏振脉冲激光的激光头,或具有一个同时能够发射532nm单频偏振脉冲激光和1064nm单频偏振脉冲激光的激光头;当所述的532nm单频偏振脉冲激光器1和1064nm单频偏振脉冲激光器2属于同一个激光器并且从同一个激光头发射激光时,系统将没有反射镜a4和532nm/1064nm二相色分光镜a3。
    所述的分光镜a11和b18的分光比不是50%:50%,而是透射率远大于反射率的分光镜,如98%:2%。
    所述的532nm单频偏振脉冲激光器1和1064nm单频偏振脉冲激光器2发出的激光频谱宽度不大于150MHz。
    所述的高光谱分辨率滤光器a是碘分子吸收滤光器或具有高光谱分辨率的干涉仪,如Fabry-Paret干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪;所述的高光谱分辨率滤光器b是具有高光谱分辨率的干涉仪,如Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪。
    如图2所示,灰霾类别识别系统包括灰霾样本库???9、判别函数计算???0和灰霾成分输出???1?;姻惭究饽?楹胁煌啾鸹姻财芙旱墓庋粜匝炯?,其中灰霾气溶胶的特征向量为,且为532nm波段灰霾气溶胶的退偏比,即垂直(S)偏振的后向散射系数和水平(P)偏振的后向散射系数之比;为532nm波段灰霾气溶胶的雷达比,即灰霾气溶胶消光系数和后向散射系数之比;表示灰霾气溶胶的散射颜色比,即灰霾气溶胶在532nm波段的后向散射系数与在1064nm波段的后向散射系数之比;表示灰霾气溶胶的谱退偏比,即灰霾气溶胶在1064nm 波长上退偏比和532nm波长上退偏比的比值。
    判别函数计算??橛糜诮导势芙旱奶卣飨蛄坑牖姻惭究饽?橹械幕姻财芙旱奶卣飨蛄拷斜冉吓斜?。所述的比较判别采用最大似然参数估计方式中的贝叶斯判别方法估计出样本统计规律的相关参数。假设样本可以分为n个类别,则特征向量属于类的概率如下:
    ,                    (1)
    其中,为特征向量属于类的后验概率,为类在样本库中的权重;因此,在所有取值中,特征向量归于取值最大的类别。
    灰霾成分输出??楦菖斜鸷扑隳?榈谋冉辖峁?,对被分析灰霾进行分类输出。
    所述的灰霾类别识别系统灰霾样本库??橹械幕姻惭究馐抢帽痉⒚魉炯す饫状锵低扯砸阎姻步惺导什饬亢蟮玫降?,或是对现有发表的文献中的数据整理后得到的。
    实施例
    一种遥感区分灰霾类别的激光雷达装置,包括两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统和一个灰霾类别识别系统。两个偏振高光谱分辨率激光雷达系统分别为工作在532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统和工作在1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统。
    (a)  532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统:
    锁频系统a27将高光谱分辨率滤光器a15锁频至532nm单频偏振脉冲激光器1后,532nm单频偏振脉冲激光器1发射的光束透过532nm/1064nm二相色分光镜a3后并被扩束镜5扩束后,经过反射镜a 6和反射镜b 7发射到被探测大气中;受到大气分子和气溶胶粒子的散射,产生激光雷达回波信号;该激光雷达回波信号除了频谱有一定展宽外,其偏振态也发生部分改变。激光雷达回波信号由望远镜8收集后,通过光学滤波器9滤除天空背景辐射,再透过532nm/1064nm二相色分光镜10后,经分光镜a11分光,一路信号被反射进入光电探测器a12,另一路信号透射到偏振分光棱镜a13后分为两路,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态垂直的偏振信号被反射进入光电探测器b14,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态相同的偏振信号透射到高光谱分辨率滤光器a15,并经过高光谱分辨率滤光器a15后被光电探测器c16接收。光电探测器a12、光电探测器b14和光电探测器c16完成三个通道信号的光电转换,将转换后的电信号输入数据采集及处理系统a24,数据采集及处理系统a24将电信号数字化,并对数字化后的电信号进行大气参数的反演运算,从而得到被探测大气在532nm波段的参数,数据采集及处理系统a24将反演得到的参数传输给灰霾类别识别系统26。
    上述单频偏振脉冲激光器1采用频宽不大于150MHz的单纵模脉冲激光器,如种子注入式单纵模脉冲激光器、单纵模光纤激光器,单纵模脉冲激光器波长532.24nm,例如美国Continuum公司的Nd:YAG脉冲激光器,采用种子注入技术,单脉冲能量300mJ,重复频率10Hz,频宽150MHz,P偏振输出;
    上述532nm/1064nm二相色分光镜3采用一般的532nm/1064nm二相色分光镜即可,如NEWPORT公司的10QM20HB.12型号二相色分光镜。
    上述扩束镜5采用抗强激光扩束器,例如北京大恒公司的GCO-141602型号扩束镜,6倍扩束;
    上述反射镜b6和反射镜c7采用抗强激光反射镜,例如北京大恒公司的GCCH-101062,直径25mm;
    上述望远镜8可采用反射式、折反式等通用望远镜,例如日本Takahashi公司生产的250mm卡塞格林望远镜;
    由望远镜8接收到的激光雷达回波信号被扩束至20mm。
    上述光学滤波器9为带通光学滤波器,在532nm±3nm和1064nm±3nm波段透射,可选用干涉滤光片,找光学镀膜能力较强的公司,如北京大恒公司定制; 
    上述532nm/1064nm二相色分光镜10采用一般的532nm/1064nm二相色分光镜即可,如NEWPORT公司的10QM20HB.12型号二相色分光镜。
    上述分光镜a11为反射率低于透射率的分光镜,例如NEWPORT公司的UVBS13-2型号分光镜;
    上述偏振分光棱镜a13为普通偏振分光棱镜,例如NEWPORT公司的10BC16PC.3型号分光棱镜;
    上述高光谱分辨率滤光器a15可采用碘分子吸收滤光器或干涉型滤光器,如美国OPTHOS公司的碘分子吸收滤光器或Thorlabs公司的Fabry-parot干涉仪;
    上述光电探测器a 12、光电探测器b 14和光电探测器c 16为同一型号种类的光电探测器件,选用高速响应和高灵敏度的光电二极管、光电倍增管或者电荷耦合器件(CCD),例如日本滨松公司的R6358型号光电倍增管;
    上述的数据采集及处理系统a24,采用德国Licel公司的TR20-80数据采集系统并配普通个人电脑、台式机或笔记本电脑即可;
    上述的锁频系统a27,可以利用压电晶体微位移器、位相调制器及辅助电路即可。压电晶体可采用NEWPORT公司NPC3SG型号的压电晶体微位移器,可进行X、Y两方向的倾斜和轴向的平移;位相调制器可采用NEWPORT公司的4001型号位相调制器,最大频率偏置250MHz。
    (b) 1064nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统:
    锁频系统b28将高光谱分辨率滤光器b22锁频至1064nm单频偏振脉冲激光器2后,1064nm单频偏振脉冲激光器2发射的光束经反射镜a4反射后,又被532nm/1064nm二相色分光镜a3反射并被扩束镜5扩束后,经过反射镜b6 和反射镜c7 发射到被探测大气中;受到大气分子和气溶胶粒子的散射,产生激光雷达回波信号;该激光雷达回波信号除了频谱有一定展宽外,其偏振态也发生部分改变。激光雷达回波信号由望远镜8收集后,通过光学滤波器9滤除天空背景辐射,再被532nm/1064nm二相色分光镜b10和反射镜d17先后反射,并经分光镜b18分光,一路信号被反射进入光电探测器d19,另一路信号透射到偏振分光棱镜b20后分为两路,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态垂直的偏振信号被反射进入光电探测器e21,与单频偏振脉冲激光器发出的激光偏振态相同的偏振信号透射到高光谱分辨率滤光器b22,并经过高光谱分辨率滤光器b22后被光电探测器f23接收。光电探测器d19、光电探测器e21和光电探测器f23完成三个通道信号的光电转换,将转换后的电信号输入数据采集及处理系统b25,数据采集及处理系统b25将电信号数字化,并对数字化后的电信号进行大气参数的反演运算,从而得到被探测大气在1064nm波段的参数,数据采集及处理系统b25将反演得到的参数传输给灰霾类别识别系统26。
    上述单频偏振脉冲激光器2采用频宽不大于150MHz的单纵模脉冲激光器,如种子注入式单纵模脉冲激光器、单纵模光纤激光器,单纵模脉冲激光器波长1064.48nm,例如美国Continuum公司的Nd:YAG脉冲激光器,采用种子注入技术,单脉冲能量600mJ,重复频率10Hz,频宽150MHz,P偏振输出;
    上述反射镜a3采用1064nm抗强激光反射镜,例如NEWPORT公司的10QM20HM.10,直径25.4mm;
    上述532nm/1064nm二相色分光镜3、扩束镜5、反射镜b6、反射镜c7、望远镜8、光学滤波器9、532nm/1064nm二相色分光镜10与532nm波段的偏振高光谱分辨率激光雷达系统共用;
    由望远镜8接收到的激光雷达回波信号被扩束至20mm。
    上述反射镜d17采用1064nm普通反射镜即可,如北京大恒公司的GCC101062型号反射镜;
    上述分光镜b18为反射率低于透射率的分光镜,例如NEWPORT公司的UVBS13-4型号分光镜;
    上述偏振分光棱镜b20为普通偏振分光棱镜,例如NEWPORT公司的10BC16PC.9型号分光棱镜;
    上述高光谱分辨率滤光器b22可采用干涉型滤光器,如美国Thorlabs公司的Fabry-parot干涉仪或自行研制的视场展宽Michelson干涉仪滤光器。自行研制的视场展宽Michelson干涉仪滤光器结构示意图如图3所示,所述的自行研制的视场展宽Michelson干涉仪滤光器包括分光棱镜c32、混合臂玻璃33、混合臂空气隙34、混合臂反射镜35、玻璃臂玻璃36和玻璃臂反射膜37;混合臂反射镜35与混合臂玻璃33之间设置有混合臂空气隙34?;旌媳鄄A?2和玻璃臂玻璃36设置在分光棱镜c32的分光面两边且相邻的直角边上。玻璃臂玻璃36远离分光棱镜c32的一端镀有玻璃臂反射膜37。
    分光棱镜c32将经偏振分光棱镜b20后的偏振信号分成两路,一路信号通过由玻璃臂玻璃36和玻璃臂反射膜37组成的干涉臂a,并由干涉臂a远离分光棱镜端的玻璃臂反射膜37反射后,重新被分光棱镜c32分光并反射至出射端;另一路信号依次通过由混合臂玻璃33、混合臂空气隙34和混合臂反射镜35组成的干涉臂b,并由干涉臂b远离分光棱镜端的混合臂反射镜35反射,且反射后的该路信号原路返回,重新被分光棱镜c32分光并透射至出射端;经干涉臂a和干涉臂b返回的两路信号在出射端产生干涉后由光电探测器f23接收。
    上述的分光棱镜c32可采用普通分光棱镜,如NEWPORT公司10FC16PB.3型号分光棱镜,口径25.4mm;
    上述的混合臂反射镜35采用普通反射镜即可,例如北京大恒公司的GCC-101043,直径38.1mm;
    上述的混合臂玻璃33和玻璃臂玻璃36的材料及尺寸,以及混合臂空气隙34的尺寸,能通过以下步骤得到:
    1.设、、、分别为分光棱镜32、玻璃臂玻璃36、混合臂玻璃33及混合臂空气隙34的的折射率,为光线的倾斜角,、、、为在分光棱镜32、玻璃臂玻璃36、混合臂玻璃33及混合臂空气隙34中的折射角,、、、分别为分光棱镜32、玻璃臂玻璃36、混合臂玻璃33及混合臂空气隙34的厚度。则基于视场展宽迈克尔逊干涉仪滤光器22的光程差为
    。                         (2)
    将公式经snell公式变化后,可以得到光程差的表达式为
    。    (3)
    设,由于入射光中心的倾斜角很小,因此将上式对进行展开,可以得到
            (4)
    其中
            (5)
                          (6)
    2.为了使得光程差随入射角的变化较小,应使得式(4)中项的系数为0,即可得到视场补偿条件:
             (7)
    3.将式(4)的常数项对温度求导数并令该导数为零,即令式(4)中的对温度求导为0,可得
       。                                                        (8)
    4.联立方程(7)和(8),得到一个关于混合臂玻璃33和玻璃臂玻璃36的折射率、热膨胀系数、尺寸以及混合臂空气隙34的尺寸的方程组;
    5.根据所探测波长及工作温度下大气分子瑞利散射谱宽选择适当自由光谱范围,如1GHz;
    6.遍历玻璃样本库中各玻璃材料,并逐一进行试验,得到一系列基本满足方程组的组合;
    7.从中选取视场角在4度以上、温度变化在±1摄氏度以内时该滤光器两干涉臂的光程差变化量不超过1/10波长的组合即可。
    针对1064.48nm±3nm,理论工作温度为20度,滤光器倾斜1.5°的情况下,可以取数据为混合臂玻璃33材料为N-KF9,长度为87.787mm,宽和高都为25.4mm;混合臂空气隙34的长度为15.662mm;玻璃臂玻璃36的材料为N-SF66,长度为150.231mm,宽和高都为25.4mm。
    上述的玻璃臂反射膜37由玻璃臂玻璃36的加工商直接镀于玻璃臂玻璃36远离分光棱镜c32的一端;
    上述光电探测器d 19、光电探测器e 21和光电探测器f 23为同一型号种类的光电探测器件,选用高速响应和高灵敏度的光电二极管、光电倍增管或者电荷耦合器件(CCD),例如日本滨松公司的R5509-42型号光电倍增管;
    上述的数据采集及处理系统b25,可以采用德国Licel公司的TR20-80数据采集系统并配普通个人电脑、台式机或笔记本电脑即可;
    上述的锁频系统b28,可以利用压电晶体微位移器、位相调制器及辅助电路即可。压电晶体可采用NEWPORT公司NPC3SG型号的压电晶体微位移器,可进行X、Y两方向的倾斜和轴向的平移;位相调制器可采用NEWPORT公司的4003型号位相调制器,最大频率偏置250MHz。
    (c)  灰霾类别识别系统:
    灰霾类别识别系统26包括灰霾样本库???9、判别函数计算???0和灰霾成分输出???1。
    灰霾样本库??楹胁煌啾鸹姻财芙旱墓庋粜匝炯?,其中灰霾气溶胶的特征向量为,且为532nm波段灰霾气溶胶的退偏比,即垂直(S)偏振的后向散射系数和水平(P)偏振的后向散射系数之比;为532nm波段灰霾气溶胶的雷达比,即灰霾气溶胶消光系数和后向散射系数之比;表示灰霾气溶胶的散射颜色比,即灰霾气溶胶在532nm波段的后向散射系数与在1064nm波段的后向散射系数之比;表示灰霾气溶胶的谱退偏比,即灰霾气溶胶在1064nm 波长上退偏比和532nm波长上退偏比的比值。将气溶胶分为如下8类:冰晶粒子,纯灰尘,灰尘混合物,海洋气溶胶,海洋污染物,城市气溶胶,生物燃烧气溶胶,新鲜烟尘。通过对大量已知样本进行双波长HSRL的测试实验,得到上述特征量的统计分布,建立灰霾样本数据库。部分数据以图的形式表示如图4(a)和图4(b)所示。
    判别函数计算??橛糜诮导势芙旱奶卣飨蛄坑牖姻惭究饽?橹械幕姻财芙旱奶卣飨蛄拷斜冉吓斜?。根据样本库,采用最大似然参数估计的方式,估计出样本统计规律的相关参数。这里采用贝叶斯判别方法。由于已经假设样本可以分为8个类别,则特征向量属于类的概率为
                                            (9)
    所以,在所有可能的取值中,哪个类别的取值最大,则可以将该就归于哪一类。由于式(9)的分母在各个类别中都是相同的,所以最后的决策函数直接由分子决定,即
                                                                     (10)
    显然,决策规则为若,则。
    假设后验概率能够近似为正态分布,即
             ,         (11)
    其中, 为4维列向量,为第类的4维均值向量,是第 类的 维协方差矩阵, 是的逆矩阵,且定义为 。对于先验概率 的估计,只需要根据大量样本计算出各类样本在其中所占的比例即可,这里假设每类出现的概率都是相等的,即,这时的判决函数就可以直接简化成式(11)。而对于各类的后验概率,则可以根据概率论中参数估计(如最大似然估计)来确定。这些过程只要样本足够多,都是容易完成的。本例中根据图4所示的样本库计算出的部分参数分别为:
    冰晶粒子:
     
     
    纯灰尘:
     

    灰尘混合物:
     

    海洋气溶胶:
     

    等等。由于数量较多,此处不一一列举。
    由上述得到的参数,代入式(11)就能得到具体的判别函数。然后将需要判别的特征向量输入每一类的判别函数,得到一个概率分布值。最后比较用哪一类的判别函数输出的概率值最大,则就将该待测气溶胶归到这一类中去。例如我们用如下几组特征向量测试的结果为:
    a)       特征向量X1= [0.6 25 1 0.5]T属于每一类的概率分别为:
    类型冰晶粒子纯灰尘灰尘混合物海洋气溶胶海洋污染物城市气溶胶生物燃烧气溶胶新鲜烟尘概率(*10-3)0.84040.00210.00000.00000.00000.00000.00000.0000
    b)      特征向量X2= [0.2 45 2.4 1] T属于每一类的概率分别为:
    类型冰晶粒子纯灰尘灰尘混合物海洋气溶胶海洋污染物城市气溶胶生物燃烧气溶胶新鲜烟尘概率(*10-3)0.00000.00370. 30470.00000.00000.00000.00000.0000
    c)       特征向量X3= [0.05 10 1.6 0.5] T属于每一类的概率分别为:
    类型冰晶粒子纯灰尘灰尘混合物海洋气溶胶海洋污染物城市气溶胶生物燃烧气溶胶新鲜烟尘概率(*10-3)0.00000.00000.00000.29100.00000.00000.00000.0000
    灰霾成分输出??楦菖斜鸷扑隳?榈谋冉辖峁?,对被分析灰霾进行分类输出:
    a)       特征向量X1= [0.6 25 1 0.5] T所属类别为:冰晶粒子
    b)      特征向量X2= [0.2 45 2.4 1] T所属类别为:灰尘混合物
    c)       特征向量X3= [0.05 10 1.6 0.5] T所属类别为:海洋气溶胶。

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