本專利涉及一種激光雷達(dá)接收系統(tǒng)，具體涉及一種激光雷達(dá)多波長相近的波分復(fù)用探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)時間上先后發(fā)射相近波長的激光脈沖，因為在時間上是分開的，所以接收機(jī)可以共用濾波片和探測器，探測電路先后輸出信號即可。但是有時發(fā)射機(jī)會同時發(fā)射波長相近的激光脈沖(2個，3個，或4種波長)，接收機(jī)通過望遠(yuǎn)鏡把這些波長的激光回波都收集起來了，但是因為波長相距很近，甚至不能用常規(guī)的分色片或光柵將其有效地分開。比如Raman激光雷達(dá)探測大氣對流層溫度，用532nm激光激發(fā)的純轉(zhuǎn)動Raman散射回波，需要獲得其中高階531.14nm，低階528.76nm成分的強(qiáng)度，但它們波長相差只有2.38nm，而且是同時被激發(fā)的；再比如用354.7nm激光的激發(fā)純轉(zhuǎn)動Raman散射回波，需要獲得其中高階轉(zhuǎn)動Raman354.07nm，低階轉(zhuǎn)動353.25nm成分的強(qiáng)度，但它們波長相差不到1.0nm，而且是同時被激發(fā)的；差分吸收激光雷達(dá)的探測波長與參考波長往往相差也不到1.0nm，兩種光脈沖輪流發(fā)射沒有問題，但是如果同時發(fā)射，其回波的分離、探測就必須采取必要措施加以解決。所以本專利解決的正是這類問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本專利的目的是提供一種可以同時探測包含多個波長的激光雷達(dá)回波的波分復(fù)用單元技術(shù)，使得多波長激光脈沖不必由激光發(fā)射機(jī)先后順次輪流發(fā)射。

為達(dá)到上述目的，本專利由透鏡，偏振分束器-格蘭偏振棱鏡，五個四分之一波片，四個會聚透鏡，四個探測器，四個F-P標(biāo)準(zhǔn)具，反射鏡，四片環(huán)境光濾波片共同組成，將回波中的中心波長分別為λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的光組分分配給相應(yīng)的探測器分別檢測。

格蘭偏振棱鏡反射水平(平行于紙面，以下表述同此)偏振光，可透過垂直(垂直于紙面，以下表述同此)偏振光。

線偏振光以偏振方向與四分之一波片光軸成45°入射波片，透射光束變成圓偏振光，如果圓偏振光受到反射而再次從背面入射四分之一波片之后，又還原成線偏振光，但偏振方向與第一次入射時垂直。

當(dāng)平行光束入射F-P標(biāo)準(zhǔn)具，光束中與其中心波長相符的光組分透過F-P標(biāo)準(zhǔn)具，偏離中心波長的光組分會被F-P標(biāo)準(zhǔn)具反射出去。

一種激光雷達(dá)多波長相近的波分復(fù)用探測系統(tǒng)包括，透鏡1，第一偏振分束器-格蘭偏振棱鏡2和第二偏振分束器-格蘭偏振棱鏡3，第一四分之一波片6、第二四分之一波片7、第三四分之一波片8、第四四分之一波片9、第五四分之一波片4，第一會聚透鏡24、第二會聚透鏡25、第三會聚透鏡18、第四會聚透鏡19，第一探測器23、第二探測器22、第三探測器20、第四探測器21，第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12、第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13、第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10、第四F-P標(biāo)準(zhǔn)具11，反射鏡5，第一環(huán)境光濾波片15、第二環(huán)境光濾波片14、第三環(huán)境光濾波片17、第四環(huán)境光濾波片16，其中：

從望遠(yuǎn)鏡焦點處發(fā)出的激光雷達(dá)回波，經(jīng)過透鏡1折射后變成平行光束，它包含四個波長相近的組分，即中心波長分別為λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的組分，下面我們以λ_i,i＝1,2,3,4代表中心波長在λ_i處的光組分；平行光束第一次經(jīng)過第一格蘭偏振棱鏡2，其中的水平偏振光被第一格蘭偏振棱鏡2反射，進(jìn)入第一四分之一波片6并且變成圓偏振光，然后進(jìn)入第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12，圓偏振光中的λ₁成分穿透第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12，到達(dá)第一會聚透鏡24，最終被第一探測器23檢測到；而圓偏振光束中λ₂、λ₃、λ₄組分會被第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12反射，再次透過第一四分之一波片6，圓偏振光變?yōu)榫€偏振光，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°成為垂直偏振光，從而透過第一格蘭偏振棱鏡2，到達(dá)第三四分之一波片8，再變成圓偏振光，這里圓偏振光遭遇第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10，圓偏振光束中的λ₄光組分穿透第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10，從而經(jīng)過第三環(huán)境光濾波片17、第三會聚透鏡18后被第三探測器20所檢測；圓偏振光束中的λ₂、λ₃組分光則被第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10反射，再次透過第三四分之一波片8變成水平偏振光，被第一格蘭偏振棱鏡2反射，并射向第二格蘭偏振棱鏡3，再被第二格蘭偏振棱鏡3反射，穿過第二四分之一波片7后變成圓偏振光，這里的圓偏振光遭遇第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13，其中的λ₂組分光全部透過第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13，經(jīng)過第二環(huán)境光濾波片14和第二會聚透鏡25，最終被第二探測器22檢測到；而第二四分之一波片7后的圓偏振光中的λ₃組分光被第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13反射回來，再次經(jīng)過第二四分之一波片7，變成垂直偏振光，因而它變得可以穿過第二格蘭偏振棱鏡3，到達(dá)并又穿過第四四分之一波片9，變成圓偏振光，該圓偏振光中的λ₃組分光透過第四F-P標(biāo)準(zhǔn)具11，經(jīng)過第四環(huán)境光濾波片16和第四會聚透鏡19，而被第四探測器21檢測到；最初從透鏡1通過的平行光束中的垂直偏振方向光組分透過第一格蘭棱鏡2到達(dá)第二格蘭棱鏡3；它會透過第二格蘭偏振棱鏡3，到達(dá)第五四分之一波片4，穿過第五四分之一波片4之后變成圓偏振光，此圓偏振光被反射鏡5反射回來，再次穿過四分之一波片4，還原成線偏振光，但是偏振方向旋轉(zhuǎn)90°變成水平偏振態(tài)，此水平偏振光束被第二格蘭偏振棱鏡3反射，經(jīng)過第四四分之一波片9后變成圓偏振光，圓偏振光中的λ₃光組分第四透過F-P標(biāo)準(zhǔn)具11，經(jīng)過第四環(huán)境光濾波片16和第四會聚透鏡19，最終被第四探測器21檢測；圓偏振光中的剩余部分包含λ₁、λ₂、λ₄三種組分光，被第四F-P標(biāo)準(zhǔn)具11沿原路反射回來，再次從背面透過第四四分之一波片9，圓偏振光又還原成線偏振光，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°變成垂直偏振方向，垂直偏振光透過第二格蘭偏振棱鏡3，到達(dá)對面的第二四分之一波片7，變成圓偏振光，圓偏振光入射第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13，圓偏振光中λ₂組分光全部透過第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13，剩余部分圓偏振光包含λ₁、λ₄光組分，被第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13反射回來，再次從背面透過第二四分之一波片7變成線偏振光，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°變成水平偏振光，遭遇第二格蘭偏振棱鏡3之后，被第二格蘭偏振棱鏡3反射，向第一格蘭偏振棱鏡2方向行進(jìn)，遇到第一格蘭偏振棱鏡2后被它反射，然后穿過第三四分之一波片8，變成圓偏振光，入射到第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10，圓偏振光中λ₄光組分完全透過第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10，經(jīng)過第三環(huán)境光濾波片17和第三會聚透鏡18后，被第三探測器20檢測到。剩余部分是λ₁光組分的圓偏振光，被第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10反射回來，從背面在此穿過第三四分之一波片8，變成線偏振光，且偏振方向旋轉(zhuǎn)90°變成垂直偏振光，然后再次遭遇到第一格蘭偏振棱鏡2，透過第一格蘭偏振棱鏡2，然后穿過第一四分之一波片6，變成圓偏振光，此圓偏振光入射第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12，圓偏振光中的λ₁光組分透過第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12，再經(jīng)過第一環(huán)境光濾波片15和第一會聚透鏡24，最終被第一探測器23檢測到。

所述的四個F-P標(biāo)準(zhǔn)具10、11、12、13的F-P標(biāo)準(zhǔn)具反射譜的半高全寬FWHM大于被探測光波長的波長范圍且小于最小波長間隔Δλ_min＝|λ_i-λ_j|i,j＝1,2,3,4，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍FSR理論上最好大于最大波長間隔Δλ_max＝|λ_i-λ_j|i,j＝1,2,3,4，實際中只要能保證一個F-P標(biāo)準(zhǔn)具只透過一種光組分而反射其他光組分即可。

所述的第一四分之一波片6、第二四分之一波片7、第三四分之一波片8和第四四分之一波片9四個四分之一波片的快軸與它們各自入射線偏振光的偏振方向成45°角，四個四分之一波片匹配的波長分別為入射光中心波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄。

所述的發(fā)射鏡5可以用光柵來替代。

所述的波分復(fù)用探測系統(tǒng)當(dāng)不需要對λ₁、λ₂、λ₃、λ₄四個波長的一個或多個組分光進(jìn)行探測時，只需將系統(tǒng)中相應(yīng)波長的F-P標(biāo)準(zhǔn)具改為反射鏡片即可。

本專利的優(yōu)點在于：系統(tǒng)能夠區(qū)分激光雷達(dá)回波中混合的不超過四個的相近波長的各光組分的能量，探測效率高，不依賴于各波長入射光的偏振態(tài)組成，可用于其他需要分離多個相近波長并探測各波長光能量的場合。

附圖說明

圖1是本專利的組成結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)號：1-透鏡、2-第一格蘭偏振棱鏡、3-第二格蘭偏振棱鏡、4-第五四分之一波片、5-反射鏡、6-第一四分之一波片、7-第二四分之一波片、8-第三四分之一波片、9-第四四分之一波片、10-第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具、11-第四F-P標(biāo)準(zhǔn)具、12-第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具、13-第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具、14-第二環(huán)境光濾波片、15-第一環(huán)境光濾波片、16-第四環(huán)境光濾波片、17-第三環(huán)境光濾波片、18-第三會聚透鏡、19-第四會聚透鏡、20-第三探測器、21-第四探測器、22-第二探測器、23-第一探測器。

圖2是用到的四個F-P標(biāo)準(zhǔn)具的一段反射譜與四個入射光組分關(guān)系示意圖。

圖3是某水汽探測差分吸收激光雷達(dá)中第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具與第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具反射譜與回波中心波長為λ_on、λ_off的光組分關(guān)系示意圖。

具體實施方式

四個入射光波長組分都有一定的波長范圍，四個F-P標(biāo)準(zhǔn)具的反射譜是尖銳的周期性“凹槽”，具體為了實現(xiàn)分別探測各波長能量的目標(biāo)，需要保證所有入射光波長的波長范圍小于F-P標(biāo)準(zhǔn)具反射譜的半高全寬FWHM，且四種入射光的中心波長分別為λ₁、λ₂、λ₃、λ₄，最小波長間隔Δλ_min＝|λ_i-λ_j|i,j＝1,2,3,4，必須大于F-P標(biāo)準(zhǔn)具反射譜的FWHM，理論上最大波長間隔Δλ_max＝|λ_i-λ_j|i,j＝1,2,3,4應(yīng)小于所用F-P標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍FSR，實際中這一點并不必要，只要能保證每個F-P標(biāo)準(zhǔn)具只能透過其對應(yīng)的一種波長光組分而反射其他波長光組分即可。

四個F-P標(biāo)準(zhǔn)具的腔鏡反射率和間距應(yīng)在滿足上述條件的情況下保證腔鏡反射率參數(shù)一致，而腔鏡間距都需要略微調(diào)節(jié)以使反射譜中的“凹槽”中心稍微錯開并分別落在四個入射光中心波長位置處，如圖2所示，這樣中心波長落在單一F-P標(biāo)準(zhǔn)具反射譜“凹槽”內(nèi)的光便能透過此腔而其它中心波長沒有落在反射譜“凹槽”中的光便會被腔反射。

四個四分之一波片的快軸與它們各自入射線偏振光的偏振方向成45°角，而其匹配波長為入射光中心波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的平均值。

探測器不做具體要求，不同入射光波長和入射光能量情況下視情況選取適合的單元探測器即可，若入射到探測器的光強(qiáng)過大會使探測器飽和則可以在會聚透鏡后接衰減器解決。

透鏡1和四個會聚透鏡做準(zhǔn)直用，使透鏡1的焦點落在入射點光源處，也是前級接收回波望遠(yuǎn)鏡的焦點位置，如經(jīng)過光纖則光纖出口位置落在透鏡1焦點處；四個探測器的位置在各自會聚透鏡的焦點處，透鏡焦距與入射光波長相關(guān)，需要根據(jù)入射波長的平均值選擇像差盡量小的透鏡。

從望遠(yuǎn)鏡焦點處發(fā)出的激光雷達(dá)回波，經(jīng)過透鏡1折射后變成平行光束，它包含四個波長相近的組分，即中心波長分別為λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的組分，下面我們以λ_i代表中心波長在λ_i處的光組分。平行光束第一次經(jīng)過第一格蘭偏振棱鏡2，其中的水平偏振光被第一格蘭偏振棱鏡2反射，進(jìn)入第一四分之一波片6并且變成圓偏振光，然后進(jìn)入第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12，圓偏振光中的λ₁成分穿透第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12，到達(dá)第一會聚透鏡24，最終被第一探測器23檢測到；而圓偏振光束中其他成分(中心波長為λ₂、λ₃、λ₄的組分)會被第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12反射，再次透過第一四分之一波片6，圓偏振光變?yōu)榫€偏振光，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°成為垂直偏振光，從而透過第一格蘭偏振棱鏡2，到達(dá)第三四分之一波片8，再變成圓偏振光，這里圓偏振光遭遇第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10，圓偏振光束中的λ₄光組分穿透第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10，從而經(jīng)過第三環(huán)境光濾波片17、第三會聚透鏡18后被第三探測器20所檢測；圓偏振光束中的λ₂、λ₃光組分則被第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10反射，再次透過第三四分之一波片8變成水平偏振光，被第一格蘭偏振棱鏡2反射，并射向第二格蘭偏振棱鏡3，再被第二格蘭偏振棱鏡3反射，穿過第二四分之一波片7后變成圓偏振光，這里的圓偏振光遭遇第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13，其中的λ₂光組分全部透過第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13，經(jīng)過第二環(huán)境光濾波片14和第二會聚透鏡25，最終被第二探測器22檢測到；而第二四分之一波片7后的圓偏振光中的λ₃組分被第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13反射回來，再次經(jīng)過第二四分之一波片7，變成垂直偏振光，因而它變得可以穿過第二格蘭偏振棱鏡3，到達(dá)并又穿過第四四分之一波片9，變成圓偏振光，該圓偏振光中的λ₃光組分透過第四F-P標(biāo)準(zhǔn)具11，經(jīng)過第四環(huán)境光濾波片16和第四會聚透鏡19，而被第四探測器21檢測到；

上面討論了進(jìn)入第一格蘭棱鏡2之前的水平偏振方向光組分的傳輸，下面介紹其中的垂直偏振態(tài)光組分的傳輸。平行光束中的垂直偏振方向光分量透過第一格蘭棱鏡2到達(dá)第二格蘭棱鏡3；它會透過第二格蘭偏振棱鏡3，到達(dá)第五四分之一波片4，穿過第五四分之一波片4之后變成圓偏振光，此圓偏振光被反射鏡5反射回來，再次穿過四分之一波片4，還原成線偏振光，但是偏振方向旋轉(zhuǎn)90°變成水平偏振態(tài)。此水平偏振光束被第二格蘭偏振棱鏡3反射，經(jīng)過第四四分之一波片9后變成圓偏振光，圓偏振光中的λ₃組分第四透過F-P標(biāo)準(zhǔn)具11，經(jīng)過第四環(huán)境光濾波片16和第四會聚透鏡19，最終被第四探測器21檢測；圓偏振光中的剩余部分包含λ₁、λ₂、λ₄三種光組分，被第四F-P標(biāo)準(zhǔn)具11沿原路反射回來，再次從背面透過第四四分之一波片9，圓偏振光又還原成線偏振光，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°變成垂直偏振方向，垂直偏振光透過第二格蘭偏振棱鏡3，到達(dá)對面的第二四分之一波片7，變成圓偏振光，圓偏振光入射第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13，圓偏振光中λ₂組分全部透過第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13，剩余部分圓偏振光包含λ₁、λ₄光組分，被第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具13反射回來，再次從背面透過第二四分之一波片7變成線偏振光，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°變成水平偏振光，遭遇第二格蘭偏振棱鏡3之后，被第二格蘭偏振棱鏡3反射，向第一格蘭偏振棱鏡2方向行進(jìn)，遇到第一格蘭偏振棱鏡2后被它反射，然后穿過第三四分之一波片8，變成圓偏振光，入射到第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10，圓偏振光中λ₄組分完全透過第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10，經(jīng)過第三環(huán)境光濾波片17和第三會聚透鏡18后，被第三探測器20檢測到。剩余部分是λ₁光組分的圓偏振光，被第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具10反射回來，從背面在此穿過第三四分之一波片8，變成線偏振光，且偏振方向旋轉(zhuǎn)90°變成垂直偏振光，然后再次遭遇到第一格蘭偏振棱鏡2，透過第一格蘭偏振棱鏡2，然后穿過第一四分之一波片6，變成圓偏振光，此圓偏振光入射第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12，圓偏振光中的λ₁光組分透過第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具12，再經(jīng)過第一環(huán)境光濾波片15和第一會聚透鏡24，最終被第一探測器23檢測到。

因此回波光中波長不同的光組分，不論偏振方向如何，即使波長相近，都可以采用上述方法分開探測。

以某差分吸收水汽探測激光雷達(dá)為例，要分辨兩種波長相近的回波的能量，發(fā)射激光λ_on＝935.776nm，λ_off＝935.906nm，其中發(fā)射激光帶寬在80MHz以內(nèi)，回波受瑞利布里淵散射影響，頻帶得到展寬達(dá)約2GHz。發(fā)射光波長相差0.13nm，理論上最好選擇自由光譜范圍大于130GHz的F-P標(biāo)準(zhǔn)具，實際中可以靈活選擇，例如100GHz的標(biāo)準(zhǔn)具，而其精細(xì)度為45，反射譜半高全寬FWHM即為2.22GHz，滿足回波波長范圍小于F-P標(biāo)準(zhǔn)具FWHM，這對普通F-P標(biāo)準(zhǔn)具廠家來說是可以提供的，將第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具厚度和第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具厚度微調(diào)到其反射譜與入射λ_on、λ_off頻率相對關(guān)系如圖3所示，第二F-P標(biāo)準(zhǔn)具和第四F-P標(biāo)準(zhǔn)具用平面反射鏡代替；由于激光波長特殊其中的四分之一波片需要向廠家定制；環(huán)境光濾波片采用Andover公司的1nm波長范圍的935nm帶通濾波片010FC37-25；會聚透鏡采用Thorlabs公司消色差透鏡AC254-030-B；探測器采用量子效率較高的APD器件。用以上元件就可以在第一F-P標(biāo)準(zhǔn)具和第三F-P標(biāo)準(zhǔn)具上分別探測到展寬了的中心波長在λ_on、λ_off回波信號強(qiáng)度。