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1、激光遥感技术及其应用王建宇中国科学院上海技术物理研究所，摘要：自从 1960年人类利用红宝石研制出第一台激光器以来，激光以其单色性、高亮度和良 好的方向性的特点，广泛的运用于测距，测速，大气研究，海洋研究，军事等领域。由于通 过激光技术既是一种主动遥感技术，还可以同时获得地球表明的空间特征和物理特性，具有 被动光学遥感无法替代的作用。近年来，随着激光技术的水平不断发展，激光技术被越来越 多地应用在空间遥感中。本文将介绍激光技术在空间卫星平台和航空机载平台中的主要应用 和激光遥感技术的发展趋势。遥感 激光技术激光雷达激光雷达(lidar)是一种主动式的现代光学遥感设备，是传统的无线电或微波雷达(
2、radar) 向光学频段的延伸。由于所用探测束波长的缩短和定向性的加强，使激光雷达具有很高的空 间、时间分辨能力和很高的探测灵敏度等优点，被广泛地应用于对大气、海洋、陆地和其他 目标的遥感探测中。一、激光主动遥感关键技术进展1) 光源的进展CO2 激光器是最早用于激光雷达的光源，输出功率大，转换效率高，连续输出功率为数 十瓦至万瓦，脉冲输出功率为数千瓦至105瓦，电光效率1520，为适应空基雷达的需 要，目前CO2激光器向高可靠、小型化方向发展，进展可喜。英国DERA研究的空腔波导集 成光学系统,，美国弹道导弹防御组织(BMDO)的超小型锁模CO2激光雷达。Nd:YAG (Nd:YLF)是目前
3、雷达中使用最多的激光器，如果探测地物反射回波，激光器 工作在1064nm或1053nm波长，如果探测地物荧光回波或用于水下探测，激光器工作532nm 或527nm波长,这些是激光三维扫描成像系统的常用光源。主要以二极管泵浦为发展主流。 Nd:YAG (Nd:YLF)激光器泵浦KTP或KTA晶体的参量振荡器输出1.5um激光也应用较多。钛宝石激光器因具有波长调谐功能，在激光雷达中得到新的应用。半导体激光器像GaAs,因为它体积小，重量轻，效率高也很受重视。其缺点是光束质 量较差，功率有待提高。日本的专家提出采用掺铒光纤激光器波长1.5um1.6um,也是很有吸引力的。比如多 个光纤激光器输出形成
4、光束阵列(不必使用分束器就能实现推帚式扫描)。钕：光纤激光器 的工作波长1.06um很受关注。NASA的学者研究二极管泵浦的Ho,Tm:YLF波长2.0um激光器，这种光源对人眼更安全， 大气散射更小，被称为“未来之光”。2) 探测器的进展为适应光源的变革，除了经典的光电倍增管，探测器的研究也有新的进展。如果激光 是1064nm(1047nm)或532nm(523nm)，探测器为Si /APD，这是最成熟的器件；如果激光 波长1.5 um -1.6um,探测器选InGaAs / APD如果激光波长2.0um,探测器选InGaAsSb / APD。这些器件由单元器件，发展到线阵和面阵器件；工作模
5、式由线性模式发展到Geiger 模式。国际上主要的研究机构有PerkinElmer公司和日本滨凇光子公司。ICCD已经直接用 于雷达回波探测。InGaAs和HgCdTe的焦平面器件被新型的激光成像遥感系统所采用。二、激光主动遥感主要应用领域一）激光遥测距离、速度、跟踪最成熟和最经典的测距方法是脉冲测距和相位测距。脉冲测距是通过直接测量激光脉冲的往返传播时间进行测距的。激光脉冲的往返传播时 间由距离计数器测量。距离计数器的开门信号为激光主波采样信号,对应的关门信号为激光 回波信号,激光脉冲往返时间根据计数器在开、关门信号之间及数值求的.由上述测量原理可知,时间间隔测量精度主要取决于距离计数器的时
6、间分辨率和主、回 波出发点的一致性。距离计数器的时间分辨率由时标振荡器（晶振）频率决定主、回波出发点的一致性取决于时间触发方式和激光脉冲波形稳定性。时间触发方式主 要有恒定阈值触发方式、恒比定时触发方式和波型数字转换方式三种。相位测距通过强度调制的连续光波在往返传播过程中相位变化来测量光束的往返传播时间，其计算公式如下，R = 卫-至（1）；为调制光波的相位变化（rad）， f为调2 2吋 2 2冗制频率（Hz） R为目标至参考点距离（m）； c为光速（m/s）；九为调制波波长（m）。相位位移是以2兀为周期变化的，因此有二（N + An）-271式中N为相位变化整周期数;An 为相位变化非整周
7、期数.R = -（N + An），式（1）表明，只要测出发射和接收光波的相位差，即 可得到目标距离.因此相位测距可理解为以调制光波半波长为“测量尺度”的距离测量方法。回波的多普勒频移量fd与目标的径向速度vr成正比，因此，通过测量多普勒频移可得 到目标的径向速度，激光多普勒频移可通过光外差技术测得，其原理和相干测风雷达相似。f =呂fd - 2近年来激光雷达借鉴了微波雷达的一些信号处理的方法，发展了脉冲压缩和连续波调频 等激光调制和信号处理的体制测距。由激光器分出一束宽脉冲光束，通过调制器将线性调频的激光束发射出去，回波信号与 未经调制的固定频率本振光混频后，经匹配滤波器对信号进行压缩，变成一
8、个幅度增大的窄 脉冲，接下来和脉冲测距同样方法得到距离，它的特点是发射宽的光脉冲，回波处理后得到 的是窄的电脉冲，目的在于缓解探测能力和距离分辨率的矛盾；连续波调频，是发射激光的 频率随时间是线性（三角形）变化，经过一段时间的飞行，回波激光相对于本振激光就有了 频率变化，两者相干混频，得到的中频信号，中频信号频率跟距离成正比，由频谱分析得到 距离和速度。图1 测距、测速和跟踪综合系统激光跟踪时，光电探测器采用四象限结构，即四块性能相同的扇型光电二极管各占一个 象限拼成圆形结构。当回波光束的光斑均匀照射每一个象限时，方位和俯仰误差信号为零 当光斑位置偏离时，给出相应的方位和误差信号，通过伺服系统
9、调整接收望远镜对准目标 实现目标跟踪。从雷达座上的经纬刻度就能读出目标的方位角和俯仰角。美国机载门警TBM激光雷达采用了人眼安全的激光波长。使用的是Nd： YAG激光泵浦KTP 0P0,它的输出波长为1.57um,脉冲能量为600mJ。激光接收机使用InGaAs APD和窄带滤光 片。门警系统激光雷达负责导弹测距和跟踪。由美国航空航天局Goddard空间飞行中心（GSFC）组织研发，于1996年11月7日升天的火星 勘探号（Mars Global Surveyor,MGS）宇宙飞船携带了一个遥感设备M0LA2。设备是一个 激光测高仪，其距离分辨率37cm,能够以300m的间距分辨率探测火星表面
10、的轮廓M0LA 一2系统的主要技术参数为：轨道高度600km；重量25. 85kg；功耗34. 2W；激光器Nd： YAG1064nm；脉冲宽度5ns；单脉冲能量48町10Hz；光束发散角0. 4mrad接收部分500mm卡塞格林望远镜；视场角（FOV） 0. 85mrad；光电转换器件硅雪崩光电二极管电路部分微处理器80C86：时钟计数频率100MHz：滤波通道宽度20ns、60ns、180ns、540ns；距离测量分辨率37. 5cm；数据率618bps（连续）精度指标垂直分辨率37. 5cm；绝对精度10m （取决于飞船轨道的重建精度）；二）大气遥感激光雷达相对而言，激光雷达最适合用于对
11、大气的探测与研究。用于大气遥感的激光雷达是历史 上出现最早的激光雷达。下面的表格给出了激光与大气粒子相互作用的效应，大气雷达正是 利用这些效应来工作的。表1 激光与大气介质相互作用的典型截面数值与相应可探测大气成分（入为入射波长，入为散射波长）0r作用过程介质类型波长关系作用截面（cm2/sr）可探测大气成份Rayleigh 散射分子入=入r010-27大气密度、温度Mie散射气溶胶入=入r010-26-10-8气溶胶、烟羽、云等Raman散射分子入工入r010-30（非共振）温度、湿度（h2o ）等 高层金属原子和离子Na+、共振散射原子、分子入=入r010-23-10-14K+、Ca+、L
12、i 等荧光散射分子入工入r010-25-10-16污染气体(so2, no2, o3, i2)吸收效应原子、分子入=入r010-21-10-14痕量气体（o3, so2, no2）等多普勒效应原子、分子入工入T0风速风向2.1 Mie散射激光雷达和气溶胶探测大气中的各种固态和液态气溶胶粒子,包括尘埃、烟雾、云层等与激光的相互作用主要表 现为Mie散射。Mie散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长相近或比入射波长更大。 Mie散射的辐射波长与入射波长相同，散射过程中没有光能量的交换，称为弹性散射。散射过 程中,粒子将入射光向四周的散射并不是均匀的,粒子越大,向前散射大光越多而后向散射光 越少。
13、大气探测激光雷达的回波就是这种后向散射光所形成。Mie散射的截面与许多因素 有关，如散射粒子的尺寸、形状、组成等，与入射光波长的关系也不固定（通常可认为1-2次 方成反比），这些都使得Mie散射截面的理论处理较为复杂。Mie散射激光雷达是一种用于探测30km以下低空大气中的尘埃、云雾等气溶胶粒子的 激光雷达。大气中的这些气溶胶粒子对激光的散射机制为Mie散射，Mie散射具有较大的散 射截面，使Mie散射激光雷达的回波信号通常较大。1992年出现的一种微脉冲激光雷达是对流层Mie散射激光雷达的新发展。该激光雷达 由美国NASA研制，现由美国SESI公司批量生产。其特点该为采用低能量（微焦尔级）、
14、高重 复率（千赫兹）、全固体化脉冲激光器，并采用收、发公用光学系统。该激光雷达不仅实现了 小型化、自动化、高可靠，而且达到了人眼安全标准，缺点是不具备扫描功能。Mie散射激光雷达用得最多、最成熟工作波长是532nm/1064nm, 2004年美国科学家建 立了基于Nd:YAG激光器泵浦甲烷的stokes频移1543nm的Mie散射激光雷达，它的优点在 于人眼安全，易于将Mie散射和Rayleigh散射分开，利于探测大颗粒子。Mie散射用于云层的探测，云顶高和云层厚的测量，对于沙尘的探测比较擅长。2. 2 Rayleigh散射激光雷达和中层大气探测Rayleigh散射大气分子对激光束的散射截面与
15、波长的四次方成反比，称之为Rayleigh散射，散射波 长与Mie散射相同。Rayleigh散射激光雷达主要用于中、高层大气的探测。Rayleigh散射激光雷达技术特点:大的激光雷达配置;短的工作波长;小的接收视场和 光束发散;严格的发射和接收准直;光子计数检测方式;低空强回波干扰抑制;检测动态范围 扩展。主要应用:分子密度廓线的探测;温度廓线的探测;中层大气重力波的探测。X、P（ R） - R 2分子密度N（R）=式中P（R）表示激光雷达接收到高度R处的回波功率，KK p T 2 （R）m 表示所有与激光雷达参量有关的常数。该常数对某指定的激光雷达而言为定值，且在整个探 测过程中保持不变。Qm为大气分子的Rayleigh散射截面，在激光波长确定的情况下，可视 为常数。2.2 Raman激光雷达和大气组分探测相对于Mie散射和Rayleigh散射，Raman散射强度弱很多，Raman散射的波长不同于散 射波长，与散射气体的种类有关，因此它可以用来区分成份；Raman激光雷达关键技术:很强的Mie-Rayleigh散射抑制，减小其对回波的干扰;高的 光谱分辨能力，以利于和其他气体区分出来。主要用途:湿度廓线（接收水
