大氣激光雷達1簡介

國外在較早期已能夠利用激光雷達對大氣進行檢測，目前已建有多個激光雷達觀測站 ，其中包括意大利那不勒斯觀測站、美國激光雷達觀測站、印度尼西亞斯馬特拉島觀測站等。其中，美國對空基激光雷達在大氣檢測方面的應用較為成熟，1994 年9 月，美國利用"發(fā)現(xiàn)號"航天飛機搭載激光雷達發(fā)射成功，完成了世界上第一次激光雷達空間技術實驗;又于2000 年后發(fā)射了五顆搭載激光雷達儀器的衛(wèi)星，為地球科學提供了大量的相關數(shù)據(jù)。俄羅斯研制了一種遠距離地面的激光雷達毒氣報警系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是通過對氣溶膠的特性研究獲得的，通過對化學毒劑的實時探測，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參數(shù)，從而為人們提供預警。 此外，德國也研制出了一種可發(fā)出40 個不同頻率激光的連續(xù)波CO2 激光雷達，可識別和探測9~11 μm 波段光譜能量的化學戰(zhàn)劑，可為大氣環(huán)境的檢測提供有效的數(shù)據(jù)。

與此同時，國內(nèi)對激光雷達的應用和研究也在迅猛發(fā)展，20 世紀六七十年代，中國科學院大氣物理所在周秀驥院士、呂達仁院士、趙燕曾研究員等主持下成功研制出了我國第一臺米散射激光雷達，同時開展了有關云和氣溶膠特性的探測工作。隨著激光雷達在大氣檢測方面應用的不斷發(fā)展，目前我國已經(jīng)建立了12 個沙塵暴長期觀測站。隨著應用的不斷擴大，國內(nèi)已有許多單位開始運用激光雷達系統(tǒng)進行大氣參數(shù)的探測研究，如安徽光學精密機械研究所、中國海洋大學、中國科學技術大學、上海光學精密機械研究所、武漢大學、蘭州大學等。激光雷達監(jiān)測環(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，系統(tǒng)中的探測器接收回波信號，并對其進行處理分析，從而得到所需的大氣物理要素[8]，具體原理如圖 所示。

2001年,美國NASA的Goddard空間飛行中心研制了一臺名為"GLOW的雙邊緣測風激光雷達。其發(fā)射系統(tǒng)利用一臺種子注入,閃光燈粟浦的Nd:YAG固體激光器,重復頻率為lOHz,發(fā)射脈沖寬度為15ns,頻譜寬度為40MHz,波長為1064nm,脈沖能量為120mJ。其接收系統(tǒng)一共使用五個光電倍增管(PMT)進行信號檢測,其中三路是透過F-P標準具的信號通道(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)測通道。信號通道的PMT工作在光子計數(shù)模式下,而兩路能量監(jiān)測通道分別采用光子計數(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回波信號,而光子計數(shù)模式的光電倍增管用于采集遠距離處回波信號以提高測量的動態(tài)范圍。2002年,美國密歇根大學研制了一臺利用條紋技術的雙通道直接測風激光雷達。其發(fā)射系統(tǒng)利用一臺種子注入的Nd:YAG固體激光器,經(jīng)過倍頻,發(fā)射波長為355nm,脈沖寬度為7ns,重復頻率為30Hz,脈沖能量為150mJ。接收系統(tǒng)使用兩個CCD探測器和1個光電倍增管進行信號檢測,兩個CCD探測器的分辨率為576*384 (pixels)0回波信號分別通過氣溶膠標準具和分子標準具產(chǎn)生各自的條紋圖像供CCD采集。PMT則直接接收回波信號,用于協(xié)助判斷是否有云在激光雷達視場中,以便于拋棄無用的數(shù)據(jù)。

1999-2009年之間,歐洲空間局研制了一臺名為"Aladin"的直接測風激光雷達,該雷達將搭載在Aeolus衛(wèi)星上,從太空中觀測全球范圍的風廓線,目前己經(jīng)成功進行機載實驗。該激光雷達的發(fā)射系統(tǒng)利用Nd:YAG固體激光器倍頻后發(fā)射波長為355mn的脈沖激光,脈沖能量為125?150mJ,重復頻率為lOOHzo接收系統(tǒng)包含兩個通道,同時對米散射和瑞利散射回波信號進行采集,用于提升探測的高度范圍。米散射信號通道采用條紋技術,使用Fizeau干涉對回波信號進行處理。瑞利散射信號通道使用雙邊緣技術,使用F-P標準具過號面均使用#制的16*16(pixels) CCD探測器進CCD探測器上內(nèi)置了存儲區(qū)域,可以直接在探器上完成信號的累加,從而大大降低了讀出噪聲的影響。

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

2011年,中國科學技術大學研制了瑞利散射的測風激光雷達,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波長的脈沖激光,脈沖寬度為3-7秒,脈沖能量為400mJ,重復頻率為30Hz。接收系統(tǒng)共使用五個探測器,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,用于能量測量,另一束通過三通道F-P標準具的鎖定通道后由光電倍增管接收,用于頻率測量。激光回波則分為三束,其中一束直接由單光子計數(shù)器接收,用于能量測量,另外兩束通過三通道F-P標準具的兩個邊緣通道,然后分別由兩個單光子計數(shù)器接收,用于對多普勒頻移進行測量。

1995年,美國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。其發(fā)射脈沖寬度為50-100ns,波長為9-ll^ml,重復頻率為lOHz,脈沖能量為4-5J。光電探測器使用的是液氮冷卻的HgCdTe探測器。這臺激光雷達成功進行了 16公里的SF6氣體探測實驗。2002年,日本電力中央研究所研發(fā)了一款多波長差分吸收激光雷達,其發(fā)射系統(tǒng)使用的是Nd:YAG粟浦的染料激光器,重復頻率為lOHz。其接收系統(tǒng)使用的光電探測器是光電倍增管。