激光雷达中层大气遥感技术

介绍了中科院武汉物理与数学研究所瑞利激光雷达的技术特点，并从其对武汉地区中层大气密度和温度廓线探测的典型结果，给出了该激光雷达对中层大气主要参数的探测能力。     

Sensitivity of depolarized lidar signals to cloud and aerosol particle properties

Measurements from depolarized lidars provide a promising method to retrieve both cloud and aerosol properties and a versatile complement to passive satellite-based sensors. For lidar observations of clouds and aerosols, multiple scattering plays an important role in the scattering process. Monte Carlo simulations are carried out to investigate the sensitivity of lidar backscattering depolarization to cloud and aerosol properties. Lidar parameters are chosen to be similar to those of the upcoming space-based CALIPSO lidar. Cases are considered that consist of a single cloud or aerosol layer, as well as a case in which cirrus clouds overlay different types of aerosols. It is demonstrated that besides thermodynamic cloud phase, the depolarized lidar signal may provide additional information on ice or aerosol particle shapes. However, our results show little sensitivity to ice or aerosol particle sizes. Additionally, for the case of multiple but overlapping layers involving both clouds and aerosols, the depolarized lidar contains information that can help identify the particle properties of each layer.     

A Pseudo-Random Frequency Modulation Continuous Wave Coherent Lidar Using an Optical Field Correlation Detection Method

We propose a new detection method for a pseudo-random frequency modulation continuous wave (RM-CW) coherent lidar. The feature of this method is modulation of local beam with a time delayed pseudo-random sequence. Heterodyne detection and correlation detection between the received beam and the local beam are simultaneously carried out in an optical field. In the RM-CW coherent lidar using the optical field correlation detection method, the received equipment is greatly simplified. We carried out preliminary experiments and demonstrated that the new method is effective for detection of a CW coherent lidar.     

一种激光雷达探测模块控制电路的设计和制作

传统上使用机械旋钮调节光电倍增管 (PMT) 增益的方法不仅存在需要人为依据经验手动操作、准确性差等 弊端, 而且 PMT 增益易受温度影响, 需要根据环境温度动态调整 PMT 的高压, 这些局限性都不利于其在激光雷达系 统中的应用。为了便于对 PMT 进行增益调节并保持 PMT 增益的稳定, 设计了可用于激光雷达系统的 PMT 控制电路 板, 该电路可使用计算机实现增益调节和高压的温度自适应调节, 从而精简了信号探测系统的结构与体积, 提升了信 号的稳定性。本工作采用内置高压电源的 H10721-20 型 PMT, 并基于 STM32 单片机结合数模转换器 (DAC) 和外围 电路完成控制电路板的设计并进行实际制作。进一步对使用电位器调节的 PMT 和利用所提出的控制方法进行调节 的 PMT 进行了高压稳定性的对比实验, 并对使用 PMT 控制电路板的米散射激光雷达的性能进行了测试。实验结果 表明所提出的控制方法可实现更稳定的 PMT 增益控制, 设计的 PMT 控制电路板具有良好的可靠性。     

激光三维成像体制综述

激光三维成像技术可广泛应用于情报侦察、精确制导、导航避障、目标识别、灾情评估和安全监测等军事和民用领域,是一项目前仍在迅猛发展的前沿技术。目前已经研制和开发出许多种技术体制的激光三维成像技术,各种不同体制的激光三维成像技术有着不同的原理、特点、适用场景和发展趋势。本文将对各种不同体制的激光三维成像技术进行总结,并对其原理和研究状况进行简介。     

差分吸收相干激光雷达中偏振分集技术研究

为减小差分吸收相干激光雷达(DIAL)中偏振衰落对 回波信号功率反演精度影响,研究了偏振分集技术(PDT)在相干DIAL中 的作用,构建了利用STM32控制的双光束切换DIAL实验装置。依托构 建的装置,利用平衡探 测,分别采用PDT和一般外差探测完成多组次实验,应用单频检测方法得到20m光程下吸收 气体不同浓度下相干中频信号的振 幅值,并由此求解出on光和off光回波信号功率。对回波信号功率值差分信息与由HITRAN得 到的参考差分信息比较 发现:应用PDT能使探测分辨率提高4倍,对应到2km距离内,可以探测到3.5×10－6ppm的CO₂浓度变化,满足了 气候研究所需的优于1％的精度要求,验证了PDT消除偏振衰落以及提高相干DIAL分辨精度的 作用。     

对地观测星载激光测高系统高程误差分析

星载激光测高系统通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星轨道和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果.其高程误差主要受器件、环境和目标参数影响,目前还没有完整描述对地观测星载激光测高系统平面和高程误差的数学模型.简化并完善了针对固体地表的激光测距误差模型,建立了完整的激光脚点平面和高程误差模型.利用高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估了星载激光测高系统GLAS实测数据的高程偏差,评估结果符合所建误差模型.在较平坦的冰盖表面,GLAS系统高程精度可以达到设计值约15 cm.研究内容对测高系统高程误差评估和系统参数设计具有参考意义.     

60km车载瑞利测风激光雷达研制

目前我国尚缺乏25~60 km大气风场实时探测手段,为此研制了60 km车载瑞利测风激光雷达。介绍了系统总体结构,对分系统的研制做了详细描述。为提高风场反演的精度,设计了标准具通过率函数校准系统。提出了标准具通过率函数校准方法,并开展实验对标准具通过率函数进行了校准。校准结果表明,接收机性能稳定,各参数测量标准差均小于0.06。该系统在德令哈地区对15~60 km大气风场进行了观测,获得了水平风场的测量结果,并与当地探空气球的探测结果进行了比对,30 km以下一致性较好。对风速、风向测量误差进行了计算,40 km以下,风速测量误差4 m/s,风向测量误差6,40 km以上,风速测量误差8 m/s,风向测量误差18。该系统设计合理,性能稳定,能够实时探测10~60 km大气风场。     

相干激光雷达探测目标研究

介绍了相干激光雷达对目标探测的技术优点和现状,阐述了基于相干探测技术构建的激光雷达的主要组成,并给出了整个系统的工作流程。文中基于1.5μm光纤光学技术搭建了相干激光雷达系统。通过搭建的系统进行了外场试验,获得了外场目标的成像图和不同汽车引擎振动产生的微多普勒谱特征图。通过试验证明了相干激光雷达系统可以在目标自动侦察识别方面发挥重要作用。     

基于单光子计数激光雷达的Bayesian检测研究

在单光子计数激光雷达检测领域,目前的检测方法在低信噪比情况下虚警概率会增加,同时也无法适应噪声变化的问题。针对这些问题,提出了一种基于Bayesian的检测方法,该方法首先通过雷达方程估计回波信号光子数的范围,将其作为先验信息,而后结合二项分布建立了累计概率模型,基于Bayesian判决准则计算得到检测阈值,此阈值能够在检测概率与虚警概率中间择其平衡。这种方法不仅克服了低信噪比检测困难的情况,还减少了先验信息的获取难度。实验结果表明,对比固定阈值其虚警概率降低了10倍。对比“恒虚警”其检测概率提高了约20%。验证了方法具有良好的检测效果,具备一定的可操作性。