大氣激光雷達(dá)

2001年,美國(guó)NASA的Goddard空間飛行中心研制了一臺(tái)名為"GLOW的雙邊緣測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。其發(fā)射系統(tǒng)利用一臺(tái)種子注入,閃光燈粟浦的Nd:YAG固體激光器,重復(fù)頻率為lOHz,發(fā)射脈沖寬度為15ns,頻譜寬度為40MHz,波長(zhǎng)為1064nm,脈沖能量為120mJ。其接收系統(tǒng)一共使用五個(gè)光電倍增管(PMT)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè),其中三路是透過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的信號(hào)通道(其中兩路作為邊帶,另外一路作為鎖定通道),另外兩路是能量監(jiān)測(cè)通道。信號(hào)通道的PMT工作在光子計(jì)數(shù)模式下,而兩路能量監(jiān)測(cè)通道分別采用光子計(jì)數(shù)模式與模擬工作,其中模擬工作方式的光電倍增管用于采集近距離強(qiáng)回波信號(hào),而光子計(jì)數(shù)模式的光電倍增管用于采集遠(yuǎn)距離處回波信號(hào)以提高測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。2002年,美國(guó)密歇根大學(xué)研制了一臺(tái)利用條紋技術(shù)的雙通道直接測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。其發(fā)射系統(tǒng)利用一臺(tái)種子注入的Nd:YAG固體激光器,經(jīng)過(guò)倍頻,發(fā)射波長(zhǎng)為355nm,脈沖寬度為7ns,重復(fù)頻率為30Hz,脈沖能量為150mJ。接收系統(tǒng)使用兩個(gè)CCD探測(cè)器和1個(gè)光電倍增管進(jìn)行信號(hào)檢測(cè),兩個(gè)CCD探測(cè)器的分辨率為576*384 (pixels)0回波信號(hào)分別通過(guò)氣溶膠標(biāo)準(zhǔn)具和分子標(biāo)準(zhǔn)具產(chǎn)生各自的條紋圖像供CCD采集。PMT則直接接收回波信號(hào),用于協(xié)助判斷是否有云在激光雷達(dá)視場(chǎng)中,以便于拋棄無(wú)用的數(shù)據(jù)。

1999-2009年之間,歐洲空間局研制了一臺(tái)名為"Aladin"的直接測(cè)風(fēng)激光雷達(dá),該雷達(dá)將搭載在Aeolus衛(wèi)星上,從太空中觀測(cè)全球范圍的風(fēng)廓線,目前己經(jīng)成功進(jìn)行機(jī)載實(shí)驗(yàn)。該激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)利用Nd:YAG固體激光器倍頻后發(fā)射波長(zhǎng)為355mn的脈沖激光,脈沖能量為125?150mJ,重復(fù)頻率為lOOHzo接收系統(tǒng)包含兩個(gè)通道,同時(shí)對(duì)米散射和瑞利散射回波信號(hào)進(jìn)行采集,用于提升探測(cè)的高度范圍。米散射信號(hào)通道采用條紋技術(shù),使用Fizeau干涉對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理。瑞利散射信號(hào)通道使用雙邊緣技術(shù),使用F-P標(biāo)準(zhǔn)具過(guò)號(hào)面均使用#制的16*16(pixels) CCD探測(cè)器進(jìn)CCD探測(cè)器上內(nèi)置了存儲(chǔ)區(qū)域,可以直接在探器上完成信號(hào)的累加,從而大大降低了讀出噪聲的影響。

2007年,青島海洋大學(xué)成功研制了基于碘分子濾波器的車載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。其發(fā)射系統(tǒng)由倍頻Nd:YAG的脈沖固體激光器和雙波長(zhǎng),窄線寬,可調(diào)諧半導(dǎo)體粟浦的種子激光器組成,發(fā)射波長(zhǎng)為532nm的脈沖激光,單脈沖能量4mJ,重復(fù)頻率500Hz。接收系統(tǒng)分為兩路信號(hào),一路通過(guò)碘分子濾波器,由光電倍增管接收,用于進(jìn)行頻率檢測(cè)。另一路直接由光電倍增管接收,用作能量測(cè)量,作為參考。兩個(gè)光電倍增管均工作在單光子計(jì)數(shù)模式下。

2011年,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制了瑞利散射的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá),其發(fā)射系統(tǒng)采用種子注入鎖定,二極管粟浦的Nd:YAG固體激光器,產(chǎn)生三倍頻355mn波長(zhǎng)的脈沖激光,脈沖寬度為3-7秒,脈沖能量為400mJ,重復(fù)頻率為30Hz。接收系統(tǒng)共使用五個(gè)探測(cè)器,從激光器直接輸出的部分光作為參考光,其分為兩束,一束直接由光電倍增管接收,用于能量測(cè)量,另一束通過(guò)三通道F-P標(biāo)準(zhǔn)具的鎖定通道后由光電倍增管接收,用于頻率測(cè)量。激光回波則分為三束,其中一束直接由單光子計(jì)數(shù)器接收,用于能量測(cè)量,另外兩束通過(guò)三通道F-P標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)邊緣通道,然后分別由兩個(gè)單光子計(jì)數(shù)器接收,用于對(duì)多普勒頻移進(jìn)行測(cè)量。

1995年,美國(guó)斯坦福研究院研制了一款基于C02激光器的差分吸收激光雷達(dá)。其發(fā)射脈沖寬度為50-100ns,波長(zhǎng)為9-ll^ml,重復(fù)頻率為lOHz,脈沖能量為4-5J。光電探測(cè)器使用的是液氮冷卻的HgCdTe探測(cè)器。這臺(tái)激光雷達(dá)成功進(jìn)行了 16公里的SF6氣體探測(cè)實(shí)驗(yàn)。2002年,日本電力中央研究所研發(fā)了一款多波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá),其發(fā)射系統(tǒng)使用的是Nd:YAG粟浦的染料激光器,重復(fù)頻率為lOHz。其接收系統(tǒng)使用的光電探測(cè)器是光電倍增管。

國(guó)外在較早期已能夠利用激光雷達(dá)對(duì)大氣進(jìn)行檢測(cè)，目前已建有多個(gè)激光雷達(dá)觀測(cè)站 ，其中包括意大利那不勒斯觀測(cè)站、美國(guó)激光雷達(dá)觀測(cè)站、印度尼西亞斯馬特拉島觀測(cè)站等。其中，美國(guó)對(duì)空基激光雷達(dá)在大氣檢測(cè)方面的應(yīng)用較為成熟，1994 年9 月，美國(guó)利用"發(fā)現(xiàn)號(hào)"航天飛機(jī)搭載激光雷達(dá)發(fā)射成功，完成了世界上第一次激光雷達(dá)空間技術(shù)實(shí)驗(yàn);又于2000 年后發(fā)射了五顆搭載激光雷達(dá)儀器的衛(wèi)星，為地球科學(xué)提供了大量的相關(guān)數(shù)據(jù)。俄羅斯研制了一種遠(yuǎn)距離地面的激光雷達(dá)毒氣報(bào)警系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)氣溶膠的特性研究獲得的，通過(guò)對(duì)化學(xué)毒劑的實(shí)時(shí)探測(cè)，從而確定毒劑氣溶膠云的離地高度、中心厚度以及斜距離等相關(guān)參數(shù)，從而為人們提供預(yù)警。 此外，德國(guó)也研制出了一種可發(fā)出40 個(gè)不同頻率激光的連續(xù)波CO2 激光雷達(dá)，可識(shí)別和探測(cè)9~11 μm 波段光譜能量的化學(xué)戰(zhàn)劑，可為大氣環(huán)境的檢測(cè)提供有效的數(shù)據(jù)。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)激光雷達(dá)的應(yīng)用和研究也在迅猛發(fā)展，20 世紀(jì)六七十年代，中國(guó)科學(xué)院大氣物理所在周秀驥院士、呂達(dá)仁院士、趙燕曾研究員等主持下成功研制出了我國(guó)第一臺(tái)米散射激光雷達(dá)，同時(shí)開(kāi)展了有關(guān)云和氣溶膠特性的探測(cè)工作。隨著激光雷達(dá)在大氣檢測(cè)方面應(yīng)用的不斷發(fā)展，目前我國(guó)已經(jīng)建立了12 個(gè)沙塵暴長(zhǎng)期觀測(cè)站。隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)已有許多單位開(kāi)始運(yùn)用激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行大氣參數(shù)的探測(cè)研究，如安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國(guó)海洋大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、武漢大學(xué)、蘭州大學(xué)等。激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)環(huán)境大氣的工作原理是:激光器發(fā)射激光脈沖，與大氣中的氣溶膠及各種成分作用后產(chǎn)生后向散射信號(hào)，系統(tǒng)中的探測(cè)器接收回波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理分析，從而得到所需的大氣物理要素[8]，具體原理如圖 所示。