大气激光雷达

2001年,美国NASA的Goddard空间飞行中心研制了一台名为"GLOW的双边缘测风激光雷达。其发射系统利用一台种子注入,闪光灯粟浦的Nd:YAG固体激光器,重复频率为lOHz,发射脉冲宽度为15ns,频谱宽度为40MHz,波长为1064nm,脉冲能量为120mJ。其接收系统一共使用五个光电倍增管(PMT)进行信号检测,其中三路是透过F-P标准具的信号通道(其中两路作为边带,另外一路作为锁定通道),另外两路是能量监测通道。信号通道的PMT工作在光子计数模式下,而两路能量监测通道分别采用光子计数模式与模拟工作,其中模拟工作方式的光电倍增管用于采集近距离强回波信号,而光子计数模式的光电倍增管用于采集远距离处回波信号以提高测量的动态范围。2002年,美国密歇根大学研制了一台利用条纹技术的双通道直接测风激光雷达。其发射系统利用一台种子注入的Nd:YAG固体激光器,经过倍频,发射波长为355nm,脉冲宽度为7ns,重复频率为30Hz,脉冲能量为150mJ。接收系统使用两个CCD探测器和1个光电倍增管进行信号检测,两个CCD探测器的分辨率为576*384 (pixels)0回波信号分别通过气溶胶标准具和分子标准具产生各自的条纹图像供CCD采集。PMT则直接接收回波信号,用于协助判断是否有云在激光雷达视场中,以便于抛弃无用的数据。

1999-2009年之间,欧洲空间局研制了一台名为"Aladin"的直接测风激光雷达,该雷达将搭载在Aeolus卫星上,从太空中观测全球范围的风廓线,目前己经成功进行机载实验。该激光雷达的发射系统利用Nd:YAG固体激光器倍频后发射波长为355mn的脉冲激光,脉冲能量为125?150mJ,重复频率为lOOHzo接收系统包含两个通道,同时对米散射和瑞利散射回波信号进行采集,用于提升探测的高度范围。米散射信号通道采用条纹技术,使用Fizeau干涉对回波信号进行处理。瑞利散射信号通道使用双边缘技术,使用F-P标准具过号面均使用#制的16*16(pixels) CCD探测器进CCD探测器上内置了存储区域,可以直接在探器上完成信号的累加,从而大大降低了读出噪声的影响。

2007年,青岛海洋大学成功研制了基于碘分子滤波器的车载测风激光雷达。其发射系统由倍频Nd:YAG的脉冲固体激光器和双波长,窄线宽,可调谐半导体粟浦的种子激光器组成,发射波长为532nm的脉冲激光,单脉冲能量4mJ,重复频率500Hz。接收系统分为两路信号,一路通过碘分子滤波器,由光电倍增管接收,用于进行频率检测。另一路直接由光电倍增管接收,用作能量测量,作为参考。两个光电倍增管均工作在单光子计数模式下。

2011年,中国科学技术大学研制了瑞利散射的测风激光雷达,其发射系统采用种子注入锁定,二极管粟浦的Nd:YAG固体激光器,产生三倍频355mn波长的脉冲激光,脉冲宽度为3-7秒,脉冲能量为400mJ,重复频率为30Hz。接收系统共使用五个探测器,从激光器直接输出的部分光作为参考光,其分为两束,一束直接由光电倍增管接收,用于能量测量,另一束通过三通道F-P标准具的锁定通道后由光电倍增管接收,用于频率测量。激光回波则分为三束,其中一束直接由单光子计数器接收,用于能量测量,另外两束通过三通道F-P标准具的两个边缘通道,然后分别由两个单光子计数器接收,用于对多普勒频移进行测量。

1995年,美国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达。其发射脉冲宽度为50-100ns,波长为9-ll^ml,重复频率为lOHz,脉冲能量为4-5J。光电探测器使用的是液氮冷却的HgCdTe探测器。这台激光雷达成功进行了 16公里的SF6气体探测实验。2002年,日本电力中央研究所研发了一款多波长差分吸收激光雷达,其发射系统使用的是Nd:YAG粟浦的染料激光器,重复频率为lOHz。其接收系统使用的光电探测器是光电倍增管。

国外在较早期已能够利用激光雷达对大气进行检测，目前已建有多个激光雷达观测站 ，其中包括意大利那不勒斯观测站、美国激光雷达观测站、印度尼西亚斯马特拉岛观测站等。其中，美国对空基激光雷达在大气检测方面的应用较为成熟，1994 年9 月，美国利用"发现号"航天飞机搭载激光雷达发射成功，完成了世界上第一次激光雷达空间技术实验;又于2000 年后发射了五颗搭载激光雷达仪器的卫星，为地球科学提供了大量的相关数据。俄罗斯研制了一种远距离地面的激光雷达毒气报警系统，这一系统是通过对气溶胶的特性研究获得的，通过对化学毒剂的实时探测，从而确定毒剂气溶胶云的离地高度、中心厚度以及斜距离等相关参数，从而为人们提供预警。 此外，德国也研制出了一种可发出40 个不同频率激光的连续波CO2 激光雷达，可识别和探测9~11 μm 波段光谱能量的化学战剂，可为大气环境的检测提供有效的数据。

与此同时，国内对激光雷达的应用和研究也在迅猛发展，20 世纪六七十年代，中国科学院大气物理所在周秀骥院士、吕达仁院士、赵燕曾研究员等主持下成功研制出了我国第一台米散射激光雷达，同时开展了有关云和气溶胶特性的探测工作。随着激光雷达在大气检测方面应用的不断发展，目前我国已经建立了12 个沙尘暴长期观测站。随着应用的不断扩大，国内已有许多单位开始运用激光雷达系统进行大气参数的探测研究，如安徽光学精密机械研究所、中国海洋大学、中国科学技术大学、上海光学精密机械研究所、武汉大学、兰州大学等。激光雷达监测环境大气的工作原理是:激光器发射激光脉冲，与大气中的气溶胶及各种成分作用后产生后向散射信号，系统中的探测器接收回波信号，并对其进行处理分析，从而得到所需的大气物理要素[8]，具体原理如图 所示。