微脉冲激光雷达及其应用研究进展

气 象 科 技第 卷第 期

年 月 ∏ 微脉冲激光雷达及其应用研究进展

贺千山 毛节泰

北京 北京大学物理学院大气科学系

摘要 微脉冲激光雷达 ° 该系统结构紧凑 发射 对云和气溶胶的光学属性的空间分布提供连续自动的观测 其可靠性已在国内外很多大型试验中得到了验证 文章介绍了微脉冲激光雷达的系统结构!工能量对人眼安全

给出了气溶胶光学属性的反演方法 斜率法!近端解法!远端解法和迭代作原理以及较之传统激光雷达的优越性

对 ° 在边界层!气溶胶观测等方面的应用研究成果做了简介 求解法 并指出了其优缺点

关键词 微脉冲激光雷达 气溶胶 反演方法 应用

引言

气溶胶在大气中的含量虽然很低 但它却扮演着十分重要的角色 近年来大气气溶胶 自然和人为 对全球天气和气候的影响已经被大量地研究≈ 气溶胶中的人为成分在短波范围直接导致其数量约为 1 1 一个负的辐射强迫 变冷

但同时由工农业产生的温室气体 如≤

对长波辐射又有正的辐射强迫影响≈ 另外气溶胶影响卫星遥感以及空气和水的质量≈ 激光雷达为气溶胶的垂直结构!成分和动力学探测提供了有力的工具≈

地面观测可以得到连续的° 和° 1 的

质量浓度!尺度谱!消光系数和一些物理化学光学属性 但由于昂贵的建设和维护经费限制了地面站获得气溶胶空间分布信息 而且地面站不能获得气溶胶的垂直分布 另外气溶胶光学厚度是气溶胶消光系数的垂直积分 很多情况下它不能反映地面粒子的浓度 地面安装的激光雷达是监测气溶胶消光系数垂直分布和垂直方向积分的强有力工具

微脉冲激光雷达概况

这与烟!尘等大气气溶胶粒子的尺度相 Λ 左右

加上光电探测器的探测灵敏度较高 因而激光当

探测烟!尘等微粒具有很高的探测灵敏度 激光雷达所接收的激光大气回波 包含了大气散射光的光强!频率!相位和偏振等多种信息 利用这些丰富的激光大气回波信息 能够探测多种大气物理要素 激光雷达的各种优势是其他探测手段所不能比拟的

雷达系统对于小尺度的大气气溶胶粒子尤为敏感 这是因为粒子在可见光波段有强的散射特征≈ 然而对于时间连续的雷达探测 尤其对于气这样的雷候方面的观测需要更长时段的连续观测

达应用还比较少 这与传统的雷达应用有很大差别 由于应用与维护上的费用限制了激光雷达的广泛应而且传统雷达的使用持续时间较短 高能量用≈

的出射光对人体有一定危害 年由 ≥ 的 ≥ ≤ ≥ ≤ 研发的微脉冲 激光雷达 ° 克服了传统雷达的缺点≈

° 技术应用固态二极管激光器延长了该雷

而且包含了高效率的量子化滤达的连续工作寿命

噪光子计数设备 ° 最显著的特点还在于它的发射能量对人眼是安全的 低的脉冲能量以高的重复频率透过一个收发共享的卡塞格林望远镜片 直径 ° 的发射能量是几个Λ 而标准激光

激光雷达是通过分析激光的回波信号从而得到大气物理特征的 激光波长位于光波段 典型值为

/高等学校博士学科点专项科研基金0项目资助

贺千山 男 硕士 主要从事大气遥感和大气辐射研究 ∞ 作者简介 年生 ¬ ∏ ∏ 收稿日期 定稿日期 年 月 日 年 月 日

气 象 科 技 第 卷

雷达比它高几个数量级 这样就提高了监视仪器运转的安全性 允许系统自动运作 脉冲重复频率为这使得系统在短时间内可以平均很多低能

量脉冲 从而达到较好的信噪比 ° 系统有一个高的空间分辨率 有 种选择 另外这个特点使它 ° 比其它光雷达系统结构更紧凑

可以观测任意天顶角 因此像常规垂直探测一样可以方便地做到水平和倾斜探测 值得注意的是探测器对信号十分敏感 晴天探测时必须防止太阳光直接射入探测器而造成严重的破坏 晴天探测时探测望远镜轴线要偏离太阳光入射方向 或者做一定的遮挡处理 另外 ° 的接收视场小 大约

这降低了处理多次散射的复杂性 并且降低 Λ

了周围太阳光背景噪音的影响 测试表明 ° 系统在两次大的维护中间可连续运行长达一年时间 云的光学 ° 雷达数据可用于计算云滴散射截面

厚度 行星边界层高度 气溶胶消光廓线与光学厚度 甚至在夜间某种情况下可探测到对流层特

性≈

美国科学与工程设备公司 ≥∞≥ 自 年就推出了 ° 的商业产品 至今已生产了 多套系

统 依照光学特征和数据采集系统的改进程度有 个不同的版本 收发装置的一体化不仅降低了出射而且相对于收发分置的光学能量从而对人眼安全 设计雷达有更紧凑的结构

° 的优点在于对人眼安全!低发射能量和结

但它的与传统光雷达设计不同的发射接收构紧凑

共享光学路径 也会引发另外的问题 诸如探测器的后脉冲订正和近端填充函数的确定 这些问题在数据处理过程中必须仔细考虑

微脉冲激光雷达的结构

激光发射系统!光学收 ° 由 个部分组成

发天线!探测器和数据采集系统 图 是 ° 的

系统示意图

图 微脉冲激光雷达的构造示意图

° 的发射接收处理器被放置在一个恒温室

望远镜越近 接收能量偏差也越大 因为大部分气溶胶集中在地面上方几公里内的大气中 因此填充订正对 ° 探测气溶胶很重要 进行这一订正实验的关键在于选择大气水平方向比较均一的时机 观测的时候需要注意观测视野内没有任何障碍物

包括云 出现

中 天线装置是一个直径 的卡塞格林望远镜 光电计数器直接装在望远镜的下方 激光发射器和计数器连接到发射接收器上 另一端连在计算机上

≠ 激光器发射的脉冲基本波长是

经倍频后为 的出射脉冲波长

北京大学研究中用的 ° 工作功率是 脉冲延时是 根据系统状态输出能量在 Λ 信号通过 由计数器 型雪崩光电倍增管放大 记录下来

因为接收望远镜的焦点在无穷远 所以发射接收装置不能精确地取得近距离的回波信号 这就是所谓的近端 范围大约为 填充误差 即离

计算机与计数器相连 用于控制雷达工作 可视化输出实时雷达回波 并存储数据 ° 的最大探

测高度夜间可达大约 白天晴朗条件下可达

左右

计算机存储的雷达信号中包括来自 的太阳光背景噪音和后脉冲噪音 后脉冲噪音是由于探测器二极管发出的光电子先于激光脉冲被探测器

第 期 贺千山等 微脉冲激光雷达及其应用研究进展

接收而引起的噪音 在开始的几公里 后脉冲噪音比正常雷达回波能量小几个量级 但在远端它的影响不容忽视

微脉冲激光雷达的工作原理

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