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海洋激光雷达系统包括发射子系统、接收子系统、采集及控制子系统以及辅助设施。发射子系统用于发射486 nm和532 nm的线偏振光束以进行目标探测;接收子系统负责接收和探测水体目标的回波信号,并实现光电转换;采集及控制子系统负责数据的高速采集及存储、系统综合控制和状态监测;辅助设施用于保障激光雷达工作于稳定的工作环境。激光雷达系统设计方案如图1所示,系统实物如图2所示。
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发射子系统主要由激光器和反射镜组成。激光器产生486 nm和532 nm线偏振光,在激光出射口处安装两个反射镜,用于调整光束的出射方向,确保其与接收子系统的光轴平行。发射子系统的仪器性能需根据探测目标需求和工作方式进行选择,同时考虑实际的采购渠道和成本[9]。发射子系统仪器及其性能参数如表1所示。
Apparatus Parameter Value Laser Wavelength/nm 486 & 532 Pulse energy/mJ 7.5 at 486 nm & 10 at 532 nm Laser repetition rate/Hz 100 Pulse width/ns 6 Beam diameter/mm 1.5 at 486 nm & 2 at 532 nm Beam divergence angle/mrad 5.2 at 486 nm & 1.4 at 532 nm Table 1. Instrument and performance parameters of launch subsystem
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接收子系统包括望远镜、可变光阑、分光模块、偏振模块、光电倍增管等。为避免海洋表面过强的“镜面反射”信号导致光电探测器饱和,发射和接收子系统在结构上采用旁轴设计,在收发光轴平行且忽略水体多次散射和信号展宽的前提下,根据收发子系统的几何位置关系和接收视场大小,可计算出视场重叠所对应的最近探测距离[6]。发射和接收子系统的结构设计如图3所示。
激光器发射的蓝绿光与目标相互作用后,回波光信号由接收子系统的望远镜接收并准直,其中可变光阑位于望远镜焦平面,可以根据回波信号衰减情况来调整接收视场角大小,同时抑制杂散光。准直后的平行光通过长波通二向色镜完成486 nm和532 nm通道信号光分离,进入各自的探测通道。每个通道都配置有可调的半波片,可用于调整光束的偏振态。随后,光信号经过窄带滤光片,对回波信号中的背景光和杂散光进行抑制,再经过偏振分光棱镜分离出平行和垂直信号,其中平行信号是与发射激光的偏振方向相同的回波信号,垂直信号是与发射激光的偏振方向垂直的回波信号。考虑到偏振分光棱镜无法实现100%分光,在垂直通道中安装额外的偏振分光棱镜,过滤其中的平行信号。最后,在每个通道末端安装非球面镜,将光信号聚焦到光电倍增管 (Photomultiplier tube)的光电阴极,在PMT内实现光电转换及倍增放大,最终由光电阳极输出,光信号转化为可用于进一步处理和分析的电信号。光信号转为电信号的计算方法如公式(1)所示:
式中:$ P $为望远镜接收到的回波信号光功率;$ T $为光学系统透过率;$ S $为光电倍增管阴极光谱灵敏度;$ G $为光电倍增管增益系数;$ R $为采集卡阻抗;$ V $为采集卡保存的电压信号。接收子系统仪器选型需要考虑探测目标类型、回波信号的视场范围、光学系统透过率及光电探测器的灵敏度等因素,接收子系统仪器及其性能参数如表2所示。
Apparatus Parameter Value Telescope module Bore diameter/mm 75 Field angle/mrad 8-100 Overlap position of the field angles/m 20 at 8 mrad & 1.6 at 100 mrad Spectroscopic module Filter bandwidth/nm 0.44 at 486 nm & 0.5 at 532 nm Polarization module Transmissivity >95% Reflectivity >99.5% Extinction ratio Tp∶Ts>3000∶1 Receiver Optical efficiency 0.69 at 486 nm & 0.66 at 532 nm Photomultiplier tube Model H10721P-210 Spectral response range/nm 230-700 Cathode radiation sensitivity/mA·W–1 100 at 486 nm & 80 at 532 nm Anode dark current/nA 10 Efficiency of PMT 0.1 Rise time/ns 0.57 Table 2. Instrument and performance parameters of receiver subsystem
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采集及控制子系统主要包括高速数据采集卡、计算机、控制软件和数据处理软件等,各组件的优化和协调实现系统的高效运行和信号处理。系统采用4通道、16位、1 GS/s采样率的高速数据采集卡,实现信号的高速采集,在工作过程中,通过激光器调Q触发的方式实现激光发射与信号采集的同步。计算机采用性能稳定的工控机,体积小巧及丰富的总线接口等特点使其成为理想的控制和数据处理平台,将采集到的数据存储于内部固态硬盘,同时安装调控软件。其中控制软件负责调控硬件设备参数,包括激光输出功率、高速数据采集卡采集参数等,使激光雷达可以远程控制和高效运行。数据处理软件用于对激光雷达回波数据进行预处理及水体光学特性参数的反演,有助于实时观察信号状况。采集及控制子系统的优化和协调使系统能够应对不同的水体目标需求并提供准确的数据,仪器及其性能参数如表3所示。
Apparatus Parameter Value Data acquisition card Time sampling resolution/ns 1 Bit depth/bit 16 Channel/unit 4 Threshold voltage/V 1 Industrial personal computer Model DTB-3212-H110 Control software Monopulse sampling time/ns 1600 Trigger mode Internal trigger Lidar height/m 9 Table 3. Instrument and performance parameters of acquisition and control subsystem
Design and test of a blue-green dual-wavelength oceanic lidar system
doi: 10.3788/IRLA20230597
- Received Date: 2023-10-26
- Rev Recd Date: 2024-01-14
- Publish Date: 2024-03-21
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Key words:
- oceanic lidar /
- parameters of water optical properties /
- profile detection /
- lidar attenuation coefficient
Abstract: