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1、中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会2010 年 8 月 7th Annual Conference of Chinese Society of Particuology cum Symposium on Particle Technology across Taiwan Straits偏振微脉冲激光雷达的研制徐赤东 纪玉峰（中国科学院合肥物质科学研究院大气光学中心）DEVELOPED POLARIZATION MICRO-PULSE LIDARXu Chidong Ji Yufeng摘 要： 介绍了研制的偏振微脉冲激光雷达， 说明了研制中的关键点。 给出了单个的测量曲线和一次污
2、染形成过程的结果， 说明了雷达的探测能力及其能发挥的作用。 最后提出了一些雷达可以 应用的场合以及今后可以开展的工作。关键词：气溶胶；激光雷达；微脉冲；偏振r1. 背 景 P (r) Pk r2 (r)exp2 (r)dr (1)0rp t p p p由 于 米 散 射 激 光 雷 达 具 有 在 同 一 时 间 段 内获 得 整 个 测 量 方 向 上 的 气 溶 胶 分 布 廓 线 的 特 点， 而 这是其 它测量手 段所 无法比拟 的， 所以， 近几年来 ， 激 光雷达在 环保 、 气象、 科 研 部门 倍受重视并逐渐开始应用。测 量 大 气 气 溶 胶 的 微 脉 冲 激 光 雷 达
3、依 据 的 原理是米 散射 理论 。 米散 射 理论是把 气溶 胶假 设 为 均 匀 球 状 粒 子 的 情 况 下 描 述 光 对 气 溶 胶 的散射规 律， 但实际大 气中 的烟尘、 沙尘 、 冰 晶等并非 球形 粒子， 而工 业 烟尘的排 放， 沙尘 暴的传输 ， 冰 晶云等非 球形 粒子的监 测恰 恰是 大气环保和气候研究所关心的内容。 因为微脉 冲激 光雷达具 有体 积小、 造价 低 、 可 移动性强、 性 能稳定等 特点 ， 我们提出 了 偏振 微 脉 冲 激光 雷达 （ PMPL）的 构 想 ，用 它来 区 分球形与非球形粒子。2. 原 理 及 方 程不 同 形 状 的 粒 子
4、所 散 射 的 电 磁 波 具 有 不 同 偏振特性， 当 入射光为 线偏 振光时， 经 球 形粒 子散射后 其散 射光偏振 方向 不变 ， 而经 非 球形 粒 子 散 射 后 光 的 振 动 方 向 相 对 于 入 射 光 将 发 生偏转， 也就 是发生了 退偏 振过程。 由此 ， 可 以 利 用 其 散 射 光 的 退 偏 振 信 息 来 探 测 并 区 分 球型和非球型粒子。当一束偏 振激 光束发射 到大 气中 ， 对于 球 型 粒 子 ， 其 后 向 散 射 光 的 偏 振 方 向 与 照 射 光 相 同， 即没 发生 退偏振现 象， 雷达方程 如式 （1 ）1所示。 当偏 振激光照
5、射到 非球型粒 子后 ， 其后向散射 光的 偏振方向 将发 生变化 ， 产 生 了与 发射光相 垂直 的分量， 即 发 生退偏振， 可 以用 式（2）表示。rPrs(r)Ptksr s(r)exp0 p(r)s(r)dr (2)2式中下 标 p 和 s 分 别表示 与 发射激光 偏振 方向平 行 和 垂 直 的 两 个 方 向 ， P 是 激 光 发 射 功 率t（ W ） ， P (r) 和 P (r) 分别 为激光雷 达接 收rp rs到 的 在 距 离 r 处 大 气 后 向 散 射 平 行 分 量 和 垂直 分 量的 回波功 率 （ W ） ， k 和 k 分 别 是接p s收 平 行
6、 分 量 通 道 和 垂 直 分 量 通 道 的 雷 达 系 统常数 （ W km3 Sr ） ， (r) 和 (r) 分 别表p s示 在 距 离 r 处 大 气 后 向 散 射 系 数 的 平 行 分 量和垂直分 量 （ km1Sr 1 ） ， (r) 和 (r) 分p s别 表 示 在 距 离 r 处 大 气 消 光 系 数 的 平 行 分 量和垂直分量（ km ） 。激 光 雷 达 一 般 使 用 退 偏 比 （ Depolarization Ratio） 来描述 非球形粒 子。 偏振激 光 雷达 探测的退偏振比 (r) 可表示为：1prs (r) / ks s (r) rxp (r)
7、 (r)dr (r) e p sprp (r) / kp p (r) 0(3)一般情况 下， (r) (r) 2， 所以 (3)式 可p s以写成： (r) s (r ) k Prs (r ) (4) p (r) Prp (r)第 200 页徐赤东等：偏振微脉冲激光雷达的研制由 分 光 棱 镜 将 平 行 和 垂 直 偏 振 光 分 别 送 达 对应探测器 ， 探 测器将光 子信 号转换为 电脉 冲信 号 。 而 计 数 卡 按 照 时 序 累 加 平 均 所 接 收 的 信 号， 同时将 它 们存储到 数据 存储单元。 最 后这 些 存 储 的 数 据 由 计 算 机 读 出 并 实 时 计
8、 算 出 所 需的参数 。 所 有电类的 元器 件动作是 软件 通过 控制电路 来驱 动， 可以实 现 整个雷达 的全 自动 运行。表 1 偏振微脉冲激光雷达主要技术指标其中， k kp / ks 。 这样， 通过分析 雷 达接收到 的 对 应 不 同 高 度 处 两 个 通 道 的 大 气 后 向 散 射回波功 率以 及这两个 通道 的增益常 数比 k ， 利用( 4)式 ， 就 可以获得 大气 退偏振比 的垂 直分布廓线 (r) 。 退 偏 比 的 大 小 描 述 了 非 球 形 粒 子 所 占 比 重的大小，在 Sassen(1991)的 综述文章 中提 供了在 实 验 室 获 得 的
9、大 气 中 不 同 类 型 粒 子 的 退 偏 比。 在不考 虑 多次散射 的情 况下， 水云 的 退偏 比 （ 0.15） 和冰云的 退偏 比 （0 .4 0.7） 能够 明显的被 区分 开来 。 由于 大 气中气体 分子 等球 形粒子的 退偏 比很小， 理论 上应该 为 0， 但受 到激光器、 接 收系统、 微 弱 的多次散 射等 的影激光器 二极管泵浦 Nd:YAG工作波长：532nm 重复频率：2500Hz 脉冲宽度：12ns 单脉冲能量：10J 发射系统发散角：50rad 接收系统 接 收 望 远 镜 ： 卡 塞 格 林 型 /透 射 式接收口径： 200mm/166mm 接收视场角
10、： 100rad 微孔光栏直径： 0.2mm 滤光片带宽： 0.5nm滤光片透过滤：50%532nm 数据采集系统信号采集 多通道光子计数卡 数据处理传输：工控机 采集控制软件：XJ-MPL系统技术指标探测距离： 15KM（夜间） ，5KM（白天） ，与天气状况有关 分辨率： 30m工作方式： 连续或间断 总体重量： 30KG响 ， 测 量 值 还 是 存 在 一 定 的 数 值 ， Atsushi人利用雷达实验 3， 4 ，实测值为 0.02。等3. 雷 达 结 构 、 参 数 及 关 键 技 术3.1 雷达基本结构与参数如 图 1 所 示 是 偏 振 微 脉 冲 激 光 雷 达 结 构 示
11、 意图。 雷达 主 要由激光 发射 单元、 信号 接 收单 元、 采集控 制 单元和软 件组 成。 激光发 射 单元 主要是激 光器 和扩束器 构成 ， 信 号接收 单 元包 括了接收 望远 镜、微孔 光阑 、滤光片 、透 镜、 分光棱镜 和光 电探测器 ， 采 集控制主 要是 多道 光子计数 卡、 控制电路 、 工 控机构成 。 主 要技 术参数如表 1 所示。3.2 关键技术偏 振 微 脉 冲 激 光 雷 达 的 实 现 主 要 采 取 了 以 下 几 个 关 键 的 技 术 。 1） 采 用 高 频 低 能 量 二 极 管泵浦的 全固 态激光器 ， 使 得整个仪 器可 以做 到 结 构
12、紧 凑 ， 体 积 小 ， 整 体 性 能 稳 定 。 2） 采 用光子计 数技 术。由于 大气 回波信号 非常 弱， 当分两路 接收 时， 信号 更弱 。 为此， 一 方 面使 用 了 高 集 成 度 、 高 灵 敏 度 模 块 化 的 光 电 探 测 器， 可以 进行 光子探测 ， 体 积小性能 稳定 。 另 一方面， 采 用 高速多道 光子 计数卡， 对 光 子接 收传感器 输出 的光子电 脉冲 信号进行 计数 。 这 两项的选 择可 以充分利 用有 限的空间 ， 使 雷达 系 统 做 到 小 巧 ， 模 块 化 程 度 高 。 3） 采 取 了 一 系列的抑 制背 景噪声、 提 高 信
13、噪比的 措施 。 雷 达在白天 的探 测受到白 光的 干扰 ， 对于 本 身就 是弱信号 探测 的激光雷 达来 说信噪比 非常 差。 因 此 需 要 光 学 接 收 和 发 射 系 统 有 更 高 的 传 输 效率，采取措施最大限度抑制背景噪声。4. 实测应用利 用 偏 振 微 脉 冲 激 光 雷 达 对 不 同 的 大 气 状 况 进 行 了 测 量 。 以 下 给 出 几 个 典 型 的 测 量 结 果。如 图 2 所 示 为 有 云 天 气 情 况 下 的 实 测 回 波 信号， 图 3 是 对 应图 2 的 退偏 比信号。 图 2 中的 A,B 均 为云， 对应图 3 中的 退偏比，
14、B 的 退偏 明显大 于 A， 而 A 的退 偏最 大处仅接 近于 0.15， 所以 A 云 为 水云， 而 B 的 退偏比都 大 于 0.25， 所以该团 云中 明显有冰 晶 。 通过这个 数据 可以图 1 偏振微脉冲激光雷达结构原理示意图激光器发 射的 激光经过 扩束 器、 反射镜 等 进 入大气后 ， 受 到大气分 子和 气溶胶粒 子的 散射 与吸收 ， 其 中 后向散射 的光 子经望远 镜接 收再 经过微孔 和透 镜后转换 为平 行光 ， 经滤 光 片后第 201 页中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会体现出偏 振激 光雷达的 探测 能力 ， 虽然 使 用的激光器的 能量
15、 弱， 但对于 仍 然可以测 量两 层云 结构。图 4 2009.11.23 气溶胶消光系数时空演变图图 2 2009.12.02 01:07 实测回波信号图 5 2009.11.23 气溶胶退偏比时空演变图5.小结偏 振 微 脉 冲 激 光 雷 达 除 具 有 一 般 米 散 射 微 脉冲激光 雷达 功能以外 ， 还 可以区分 球形 与非 球形粒子 ， 对 于沙尘、 冰晶 云、 水云 能明 显的 区分。 这对 于 研究沙尘、 云 的演变过 程提 供了 一个有效 的手 段。 如果在 不 同的区域 设站 点同 时观测 ， 还 可 以知道在 整个 设点区域 的相 关信 息，尤其 是区 域性的演 变
16、过 程，迁移 路线 等。 由 于 偏 振 微 脉 冲 激 光 雷 达 的 可 移 动 性 和 稳 定 性， 使得雷 达 可以方便 的安 装到需要 测量 的地 点， 所以可 以 获取更多 不同 天气状态 的数 据信 息， 也就可 以 展开更多 的应 用研究， 如 通 过监 测冰晶云 来预 防冰雹 ， 通 过 监测沙尘 的形 成迁 移过程深入研究沙尘的特性等等。图 3 2009.12.02 01:07 退偏比图 4 图 5 是 2009 年 11 月 23 日测量 得到 的 气溶胶消 光系 数和退偏 比时 空连续变 化图 。 综 合 消 光 图 和 退 偏 比 图 ， 可 以 得 知 ， 1） 从 六 时 至 十 四 时 在 1.5KM 处 有 一 层 水 云 的 存 在 ，
