偏振激光雷达

偏振激光雷达

Kenneth Sassen

2.1 引言

光的基本性质是电磁波的电场E矢量任意时间在空间上所表现的方向取向。这个方向取向可以是固定、易于改变的线偏光或者是随时间旋转的圆偏光或椭圆偏振光。偏振的随机取向是一种非常重要的状态：光束和单一光线所表现的状态是不同的，当然使用光学分析仪是不能观察到这种单一状态的。重要的是，偏振的任意状态在光学设备的帮助下可以转换成其它状态。光子的运动是易于被改变的。

历史上，对光的偏振本质的发现是通过一种光敏材料的实验发现的，这种材料就是冰晶石，它是方解石类的双折射晶体的一种，光通过这类晶体能够产生两个像。双像现象代表光通过晶体传输在两个垂直偏振平面时产生的偏离光传输方向的偏转。惠更斯和牛顿都证明了这种双折射现象是光的本质特性，并不是由于晶体的引入而造成的改变。因为牛顿忠诚于光的粒子学说（光被看作一个一个粒子），所以他当时并不能解释这种现象。但是，正是因为他对Opticks的质疑的论文，暗示了双折射现象象征了一种类似于电磁作用。因此，“偏振”这个词诞生了。进一步的研究导致了罗歇、尼科耳、渥拉斯顿偏振棱镜的发展，以及我所欣赏的格兰偏振激光雷达的应用。对偏振光科学发展的回顾参见文献[1]。

幸运的是，正如我们所看到的那样，在激光雷达中广泛采用的脉冲激光本质上产生线形偏振光，这是因为激光介质（举例说，参杂玻璃棒）的晶体本质决定的，另外这种方法也被应用到巨脉冲，这种巨脉冲依赖偏振旋转设备（举例说，泡可耳斯盒）把发射激光阻挡在激光腔中直到最大的瞬间输出能量。因此，基本偏振激光雷达应用包括线性偏振激光脉冲的发射和探测，是通过后向散射光的垂直和平行的偏振平面的光束分束器。两个通道的光学和电子增益的不同调节之后，这两种信号的比值被称为线性退偏比或δ值。然而，通过采用不同光学部件对激光后向散射退偏特性的其它种类的测量也是可能，依赖于输出激光脉冲的整形和偏振通道的数目。

在更进一步详述之前，应该强调偏振激光雷达技术起初是借鉴与之相类似20世纪50年代（在激光器发明之前）发展的微波雷达方法。正因为这，我将参照地基微波雷达退偏特性的研究结果。截至到上世纪60年代，然而，人们已经普遍接受：与由于非球形颗粒（典型的是颗粒物小于入射波长）造成的微波退偏现象相比，激光的退偏（颗粒物的直径大于激光波长）是相当强的。因此可以预见，偏振激光雷达在研究气溶胶和云以及沉淀物（换句话说，水汽的凝结体）方面具有很好的前景。

在这章后面部分，将讨论目前在使用的对退偏测量的种类，结合近似理论和实验解释大气中激光退偏的原因，提供基本大气研究实例，所采用技术主要源自我们激光雷达研究计划。激光雷达偏振技术大大拓展了不同激光方法探测大气能力，并且是一种特别经济的方法。另外，在最后部分将要讨论，对偏振激光雷达的更进一步发展仍然存在巨大的潜能，毫无疑问，将在不遥远的将来充分利用这些潜能。

2.2 退偏的测量和不确定性

正如上面所述，偏振激光雷达领域广为使用的变量是距离分辨的线形退偏比δ，根据文献[2]中定义：

δ(R) = [β⊥(R)/β||(R)] exp(τ|| −τ⊥), (2.1)

β和τ分别是后向散射截面和大气透过率，分别在垂直偏振的平面内和平行偏振的平面内。这种定义来自于在两个偏振平面的雷达方程的比值，这里大部分项因为每个雷达脉冲而被抵消。实际上，指数项并没被使用，但是起初被用于说明各向异性目标（像取向不均匀的冰晶体或降雨都可能影响依赖于偏振状态的光的透过率）的概率。这些影响对于微波雷达研究降水而言都是已知的，但是对于激光雷达到目前为止并没有严格研究，这主要在相对短的距离天顶方向进行探测的。稍后将重返这个主题。

方程（2.1）的一般形式代表来自分子 m 、气溶胶 a 、水汽 h 的组合后向散射，因此有时被称为总的线性退偏率。这是因为现代多通道激光雷达是基于先进的分光谱技术（喇曼和高光谱精度）可以本质上分开分子和气溶胶或者气溶胶加水汽散射的回波，因此，在无云的条件下，δ的脚表常被写作m δ，a δ和h a +δ。然而，值得注意的是由于水汽造成的后向散射超过分子和气溶胶所造成的后向散射，在气溶胶层，由于气体分子所造成的后向散射与之类似，总的线性退偏比代表大气成分的混合。

其它线性退偏的测量是从云底（层）到云顶的距离积分，

∑∑⊥=∆)(/)(//R R ββ (2.2)

有时在气溶胶研究中采用的下面形式：

δ(R) = β⊥(R)/[β⊥(R) + β||(R)]. (2.3)

虽然在激光领域很少采用，另外在微波雷达研究中退偏量包括采用圆偏光（在这种情况下平行通道的后向散射与发射方向相反敏感），结合线性和圆偏振测量，激光雷达的微分反射率能够发射和探测水平和垂直偏振光。初步的圆偏振的退偏数据已经用于卷云的报道。根据文献[5]，卷云的退偏比c δ与线性退偏比存在下面关系：

δc = 2δ/(1 − δ). (2.4)

后向散射的激光通过四个装有多种线性和圆偏振光学设备的接收通道能够用于评估四个斯托克斯参量。虽然一些斯托克斯参量在激光雷达领域已经被测量过，就我们所知，一个全面分析不能只限于实验室之中。一些研究结果表明：由于冰云造成的后向散射退偏中包含一个平行偏振和任意偏振光的组合。平行偏振光中包含由于晶体表面的一些不规则镜面反射的，然而任意偏振光主要是由无数的形状、大少和取向无规则冰晶的内散射叠加造成的。这对于理解激光雷达δ的可能误差具有重要意义。

在激光雷达退偏测量中的不确定性来自多种来源，但是基本与通道的光学和电子通道增益之间不同有关，激光脉冲偏振的纯度有关，激光的偏振平面和探测器的偏振取向之间排列有关。最简单的设计反而是最好的，并且应该进行频率校正。图2.1给出了一个早期但现在仍然普遍采用的接收器设计：一个收集透镜（代替激光雷达采用的望远镜），激光线性干涉滤光片，针孔光阑，格兰偏振棱镜，放置在108度偏振偏离角两个光电倍增管。在文献[9]我们已经建议，根据下面式子对两个雷达信号长度（功率）P 进行校正：

δ(R) = [P ⊥(R)/P ||(R)]K − χ, (2.5)

校正常数K 用于说明在整个探测通道探测非偏振光源和偏振光源之间的不同；χ是一个校正项为了说明由于发射和探测偏振平面的一些轻微不重合和由于激光偏振状态的不纯等。因为在对流层的中层和高层气溶胶的退偏影响通常是很小的，所以可以通过监测这一高度δ的值可以估计校正因子。在一些激光雷达系统中，旋转半波片被用于测试接收器的正确安装，但是这种简单的、纯机械设计可以适合大部分应用。在偏振激光雷达