微脉冲偏振激光雷达探测城市底层气溶胶

以单脉冲能量2μJ,重复频率1kHz的Nd:YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统,可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域,实现近地表80~1000m范围内的精确探测,系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1000m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测,并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明,探测期间无明显沙尘事件发生,探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右,在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域,受地面状况影响退偏比偏高,并获得了退偏比值与天气过程的初步关系,同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.     

微脉冲米散射激光雷达系统的产品化研发及实验观测研究

采用模拟探测技术研发了具有三维扫描功能的微脉冲米散射激光雷达产品,用于高密度气溶胶聚集地区的大气气溶胶光学特性及云的精确探测。详细的介绍了该系统的整体结构、系统控制和数据采集处理软件。利用该系统对西安地区气溶胶及城市边界层特性进行观测研究,实验结果表明：在激光脉冲能量为50μJ,望远镜接收孔径为254mm,信号平均时间40s及距离分辨率为7.5m的条件下,系统测量气溶胶的有效距离可达到白天5公里左右,夜晚15公里。系统可以为研究大气变化,特别是为研究颗粒污染物的产生,传输和扩散的特性提供科学的测量数据。     

多纵模高光谱分辨率激光雷达马赫-曾德尔干涉仪的视场展宽技术

考虑到多纵模高光谱分辨率激光雷达（MLM-HSRL）接收的大气弹性散射回波具有与激光器发射光束一致的高斯传输特性,因此分析马赫-曾德尔干涉仪（MZI）光程差和透过率时必须要考虑发散角的影响。详细分析入射光束的发散角对大光程差MZI分光性能的影响,仿真计算得到基于空气腔的大光程差MZI所允许的光束发散角要≤0.4 mrad。为了降低发散角对大光程差MZI分光性能的影响,提出一种基于补偿玻璃的大光程差MZI的视场展宽技术。理论分析和仿真结果表明,视场展宽后系统可允许的发散角可达25.6 mrad,视场展宽技术极大地提升了大光程差MZI的分光能力。     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47%,与仿真结果45%非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20%,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

微脉冲偏振激光雷达探测城市底层气溶胶

以单脉冲能量2μJ,重复频率1kHz的Nd∶YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统,可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域,实现近地表80～1 000m范围内的精确探测,系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1 000m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测,并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明,探测期间无明显沙尘事件发生,探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右,在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域,受地面状况影响退偏比偏高,并获得了退偏比值与天气过程的初步关系,同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.     

基于取样光纤布拉格光栅的全光纤拉曼测温分光系统设计及优化

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测, 转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声, 以及对Mie-Rayleigh散射提供70 dB以上的带外抑制率. 本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光路, 构建高抑制率的全光纤拉曼测温分光系统, 以实现大气温度的全天时和高精度探测. 根据分光系统光路的传输特性, 采用传输矩阵模型, 优化设计了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比), 得到了优化的光谱分光系统参数. 利用该分光系统可实现太阳背景光强度和Mie-Rayleigh散射信号强度分别比转动拉曼散射信号强度弱40 dB和50 dB, 信噪比高于100时, 白天探测高度可达1.6 km. 该全光纤分光系统具有小型化、抗干扰和稳定性高的优点, 可为陆基及星载拉曼测温激光雷达提供一种全新的解决方案.     

基于FPGA的激光雷达高速数据采集系统设计

为了对激光雷达的回波信号进行采集,设计了一款基于FPGA的高速数据采集、预处理系统.该系统以FPGA内嵌DRAM作为存储器,以同步有限状态机作为控制方式,可在1kHz的外触发信号激励下,以20MHz的采集频率采集数据,并可在不丢失脉冲的情况下,对采集到的4 096个数据点进行5 000次以上的对应点累加平均(滤除背景噪音).设计完成的数据采集系统已应用于一台米散射激光雷达系统中,达到了30km探测距离、7.5m时空分辨率的设计要求.     

绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.     

基于FPGA的激光雷达高速数据采集系统设计

为了对激光雷达的回波信号进行采集,设计了一款基于FPGA的高速数据采集、预处理系统.该系统以FPGA内嵌DRAM作为存储器,以同步有限状态机作为控制方式,可在1 kHz的外触发信号激励下,以20 MHz的采集频率采集数据,并可在不丢失脉冲的情况下,对采集到的4 096个数据点进行5 000次以上的对应点累加平均(滤除背景噪音).设计完成的数据采集系统已应用于一台米散射激光雷达系统中,达到了30 km探测距离、7.5 m时空分辨率的设计要求.