微脉冲激光雷达在气溶胶监测上的应用
微脉冲激光雷达在气溶胶监测上的应用
摘要随着经济的快速发展，人们赖以生存的大气圈，尤其是城市上空的大气环境里存在的气溶胶颗粒，极大地影响了环境质量，危害着人类健康。因此通过对气溶胶的监测和分析，可以使人们加深对污染产生机制的理解。本文对气溶胶做了详细介绍，并描述了微脉冲激光雷达的概况以及采用微脉冲激光雷达监测气溶胶情况的一些实例。
With the fast development of environment，the atmosphere that we are relied on has been greatly polluted. Great quantities of aerosols are existed in atmosphere, especially in the air of city. Therefore, the quality of environment and the health of persons aresharply affected. We could deepen the understanding of pollution by monitoring and analyzing aerosols. This paper makes a description of aerosol, micro pulse lidar(MPL) and some cases.
关键词：气溶胶、微脉冲激光雷达、PM2.5、消光系数
Keywords：Aerosol、micro pulse lidar、PM2.5、Aerosol Extinction Coefficient
一、气溶胶
1、气溶胶概述
大气气溶胶是指悬浮在大气中空气动力学直径（D p）为0.001~100μm的液
体或固体微粒体系。空气动力学直径定义为与所研究粒子有相同终端降落速度的、密度为1g/cm3的球体直径，这是因为大气气溶胶微粒的形状极不规则，因而采用有效直径，诸如空气动力学直径，是一个很有效的指示方式。
大气气溶胶按其粒径大小可分为如下几类：
1.1、总悬浮颗粒物（TSP）：用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，粒径多在100μm以下，尤以10μm以下的为最多。
1.2、飘尘：可在大气中长期漂浮的悬浮物，颗粒物粒径一般小于10μm。
1.3、降尘：能用采样罐采集到的大气颗粒物，颗粒物粒径一般大于10μm。
1.4、可吸入粒子：易于通过呼吸过程进入呼吸道的粒子，国际标准化组织（ISO）建议将其定为Dp≤10μm。
1.5、细粒子：Dp小于
2.5μm的颗粒物，记为PM2.5。
2、气溶胶的源及汇
2.1、气溶胶的源
大气气溶胶的来源复杂，按产生的过程可分为天然来源和人为来源。直接由污染源排放出来的称为一次颗粒物。大气中某些污染组分之间，或这些组分与大气成分之间发生反应而产生的颗粒物，称为二次颗粒物。
天然来源如地面扬尘、海浪溅沫、火山灰、森林火灾燃烧物、宇宙陨星尘以及植物花粉和孢子等。人为源主要是燃料燃烧过程中形成的煤烟、飞灰等，工业生产过程中排放出的原料或产品微粒，汽车排放出的含铅化合物，以及矿物燃料燃烧排放的SO2在一定条件下转化为硫酸盐粒子等。
2.2、气溶胶的汇
大气气溶胶通常有干沉降和湿沉降两种消除方式。
2.2.1、干沉降
干沉降是指颗粒物在重力作用下沉降，或与其他物体碰撞后发生的沉降。干沉降存在两种机制。
一是重力作用使颗粒物沉降。
二是粒径小于0.1μm的颗粒，相互碰撞而凝聚成较大的颗粒，从而通过大气湍流扩散到地面或碰撞而去除。
2.2.2、湿沉降
湿沉降是指通过降雨、降雪等使颗粒物从大气中去除的过程。
3、气溶胶的化学组成和危害
3.1、气溶胶组成
大气气溶胶的化学组成十分复杂，其中与人类活动密切相关的成分主要包括离子成分（以硫酸及硫酸盐颗粒物和硝酸及硝酸盐颗粒物为主）、痕量元素成分（包括重金属和稀有金属等）和有机成分。
3.2、危害
3.2.1、大气化学反应。
气溶胶能吸附SO2、NOx及气态有机有毒物质（如PAHs、PCB等），并在气溶胶表面发生多相反应。
3.2.2、气候效应。
大气气溶胶可以通过吸收和散射太阳辐射直接扰动地一气系统的辐射平衡(radiation balance)，产生所谓的直接气候效应。气溶胶粒子又可作为云的凝结核影响云的光学特性，云量以及云的寿命，产生所谓的间接效应。
3.2.3、环境质量。
大气中气溶胶的含量直接影响空气质量，诸如可引起能见度大幅降低等现象。
3.2.4、气溶胶辐射强迫。
辐射强迫是对某个因子改变地球–大气系统射入和逸出能量平衡影响程度
的一种度量，它同时是一种指数，反映了该因子在潜在气候变化机制中的重要性。正强迫使地球表面增暖，负强迫则使其降冷。
人类活动导致大气中气溶胶浓度不断升高，一方面导致大气对太阳光散射作用增强，反照率增加，产生负的辐射强迫；另一方面吸收太阳辐射，产生正的辐射强迫。大气中气溶胶通过直接和间接辐射强迫两种方式影响全球气候，对全球气候变化产生重大影响。
4、上海大气中的PM2.5
上海位于中国东部的长江口，是一个发展迅速的国际都市。但是近年来，由于工业和社会的发展，上海面临着严重空气污染问题的挑战。由于细粒子污染对人体健康造成了严重影响，因此PM2.5受到了群众和媒体的广泛关注。
上海的PM2.5的人为来源主要有以下几个方面：
（1）以煤为燃料的火电厂的烟气排放；
（2）重型运输车辆的尾气排放等。
上海的PM2.5的天然来源主要因特殊的地理位置，使得海盐对PM2.5含量及成分的影响十分明显。但上海区域属于季风性气候，因而从各固定污染源排出的大气污染物对各个监测点的影响大小有时呈现出较明显的季节差异。
气溶胶虽然在大气中的含量很低，但是却扮演着十分重要的角色。因而采用必要的观测手段对气溶胶进行监测，有着很重要的意义。由美国Sigma Space Corporation生产的微脉冲激光雷达（MPL）可进行大气中气溶胶的监测。
二、微脉冲激光雷达
1、微脉冲激光雷达概述
1993年提出了一种新型的激光雷达—微脉冲激光雷达（micro pulse lidar，MPL）的概念[1]。微脉冲激光雷达向大气中发射激光信号，然后分析激光的回波信号，从而得到大气的物理特征。激光雷达所接收的激光大气回波，包含了大气散射光的光强、频率、相位和偏振等多种信息。利用这些丰富的激光大气回波信息，可以探测多种大气物理要素。激光波长位于光波段，典型值为1μm左右，而烟、尘等大气气溶胶粒子的尺度和激光波长相当，再加上光电探测器的探测灵敏度较高，因而激光探测烟、尘等微粒具有很高的探测灵敏度。
微脉冲激光雷达的优点：
1.1、连续工作时间长。微脉冲激光雷达应用固态二极管激光器，从而使得微脉冲激光雷达的工作寿命远远超过普通激光雷达，一年只需进行两次维护即可保持长时间运行。此外，微脉冲激光雷达系统也包含了高效率的量子化滤噪光子计数设备。
1.2、脉冲能量低，发射能量对人体安全。低的脉冲能量以高的重复频率透过一个收发共享的卡塞格林望远镜片，微脉冲激光雷达的发射能量只有几μJ ，这样不仅可以提高监视仪器运转的安全性，确保系统的稳定性，还使仪器的自动运行成功实现。
1.3、结构紧凑。因而微脉冲激光雷达可以观测任意天顶角，也可以像常规垂直探测一样方便地做到水平和倾斜探测。
激光雷达方程式可以很好地说明微脉冲激光雷达的原理：
()()()()()()()22b ap /r +n +n /r c n r O r CE r T r r D n r ??=??????
β 其中()r n r 是雷达探测器接收的光电子数；()c O r 是填充订正函数；C 是系统常数；E 是发射激光脉冲能量；()r β是气溶胶和大气总的后向散射系数；2T 为大气透过率；r 是探测体与接收器望远镜之间的距离；()b n r 是背景噪音；()ap n r 是探测器后脉冲订正函数；()D n r ????是探测器dead time 订正函数。
2、微脉冲激光雷达结构
微脉冲激光雷达由4个部分组成：激光发射系统、光学收发天线、探测器和数据采集系统。
微脉冲激光雷达的构造示意图
MPL 的发射接收处理器被放置在一个恒温室中，天线装置是一个直径20cm 的卡塞格林望远镜，光电计数器直接装在望远镜的下方。激光发射器和计数器连接到发射接收器上，另一端连在计算机上。
3、微脉冲激光雷达应用及发展
微脉冲激光雷达能够按照需要采取任意角度工作来获取大气参数。常规是采取垂直和水平两种方式采集数据，可获得垂直方向大气气溶胶的分布、变化廓线，云的变化，水平方向的能见度和气溶胶、污染物分布等。因而可用于以下测量实例：
3.1、雷达接收信号受大气状况和天气影响比较明显，但也正是因为这样，激光雷达才能够对大气气溶胶的变化进行监测。从原始接收信号可以直接得到云的变化，大的大气结构的分布等。
3.2、能见度的测量计算。激光雷达测量能见度的最大的优点在于，可以逐段逐段的利用斜率法求取能见度，再作累计平均，可以得到整个水平方向非常精确的能见度值。
3.3、大气气溶胶消光系数的反演。通过数据分析，可以得到白天和夜间的气溶胶消光的垂直分布情况，长时间的气溶胶的变化情况，根据气溶胶的时空变化可以判断气溶胶的来源等。
由此可见，微脉冲激光雷达可以用来获取能见度、云底高度、云厚、大气气溶胶、消光系数、光学透过率等参数，并依据分析的数据可以得到时空演变图等，这样不仅可以得到气溶胶的分布状况，还可以获得气溶胶、污染物的来源。这对于研究大气气溶胶提供了非常有用的探测手段。
三、微脉冲激光雷达探测实例
2008年7月至2009年1月采用激光雷达在上海浦东进行探测。[3]并将采集数据进行反演，可得到以下结果：
3.1、气溶胶消光系数的昼夜变化
图12008年7月平均一天4次的消光系数
图1是2008年7月平均一天4次的消光系数，从图1中可看出从2:00开始消光系数随时间推移而变大，在14:00时达到最大，而后开始逐渐减小，在20:00时达到最小。产生这样一种变化的可能是由于白天太阳能加热地表的作用以及夜间地表热量散发的作用。而且大部分气溶胶均位于底层大气1km位置以下。
图2 2008年10月平均一天4次的消光系数
图2是2008年10月平均一天4次的消光系数，从图中可以明显看出10月份夜间气溶胶消光系数比8月份时偏大，其中一个可能的原因是由于上海周边地区夜间生物质的燃烧。然而，近地表（低于200m）数据不是很可靠，这是由雷达盲区的存在以及几何参数修正引起的。
3.2、气溶胶消光系数的月变化
图3气溶胶消光系数的月变化
图3是气溶胶消光系数的月变化，从图中可看出气溶胶的消光系数随着海拔高度的增加而下降，在全部的测量月份期间，这种变化趋势基本一致。然而，6km 左右的消光系数由于受到云层或云的影响，并不能准确说明，因此本文主要考虑4km以下不受云层影响的大气气溶胶消光系数。在低层大气，特别是2km以下的大气，由于从夏天到冬天，空气对流减弱，消光系数也呈现季节性变化，逐渐降低。而在3km以上，消光系数并没有表现出明显的差异性，这是因为这几个月份的天气情况都比较平均。图中的消光系数有两个峰值，分别出现在500m左右的高空以及1000m左右的高空。前一个峰值的出现是由于人类活动释放的灰尘被热对流风从街道和地面上吹起，受到上海众多的高层建筑物的影响，这些细
粒子并不能迅速降落到地面，从而导致空气中细粒子含量增加。后一个峰值的出现则是由于上海当地对流以及气溶胶向西北工业地区的转移作用。苏州、无锡等工业城市的气溶胶粒子由于季风原因穿过上海向西北地区转移，这就能解释为何峰值出现在1000m左右的高空。
参考文献：
[1]Spinhirne J D．Micro pulse lidar[J]．IEEE Trans．Geosci．Remote sensing，1993，3l(1)：48-55
[2]JiYufeng，XuChidong．etal．A new lidar-developedmicro pulse lidar[J]．JiansuQixiang(special)，2001，26-30(in Chinese)
纪玉峰，徐赤东等．一种新型的激光雷达—微脉冲激光雷达的研制【J】．江苏气象(专辑)，2001，26-30．
[3]XingyouHuang，XiaowuYang，FuhaiGeng，HuaZhang，QianshanHe，LingbingBu．Aerosolm easur ementandpr oper tyanalysisbasedondatacollectedbyam icr o-pulselidaroverShanghai，China
[4]K.Yang，Z.Sun，and D.Ni．Property of aerosol opticaldepth variation over China in year 1999-2003．Journal ofNanjing Institute of Meteorology 31，92-96 (2008)
[5]D. Lu，X. Zhou，W. Li，and Y. Luo．Analysis of thedistribution feature of 30-year averaged aerosol opticaldepth over China．Chinese Journal of Atmospheric Physics，
26，721-730，2002，
[6]J. Zhang, Z. Si, J. Mao，and M. Wang．Aerosol opticaldepth remote senses from GMS satellite over China．ChineseJournal of Atmospheric Sciences，27，23-35，2003，
[7]J. Duan and J. Mao．Research on aerosol optical depthdistribution and variation trend over Changjiang delta area．ACTA Scientiae Cirumstantiae，27，537-543，2007
[8]C. Chiang，W. Chen，W. Liang，S. K. Das，and J. Nee．Optical properties of tropospheric aerosols based on measurementsof LIDAR．sun-photometerand visibility at Chung-Li(251N，1211E)．Atmospheric Environment 41，4128-4137，
2007
[9]戴树桂．环境化学．第二版．北京：高等教育出版社，2006
激光雷达探测气溶胶实验报告
南京信息工程大学激光雷达探测气溶胶实验报告 姓名：周标 学号：20121359069 学院：物理与光电工程学院 专业：光信息科学与技术 二〇一四年十二月十二日
摘要：大气气溶胶影响着天气和气候的变化，通过用激光雷达对水平大气中的气溶胶进行连续观测，得到大气气溶胶浓度的高度分布数据，用Klett法反演和斜率法得到了气溶胶消光系数数值并利用MATLAB程序用计算机对所得实验数据快速方便地直接得出出测量结果和图示。 关键词：气溶胶；激光雷达；探测；Klett反演算法；斜率法；消光系数；MATLAB 前言 大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001—100μm的液体或固体微粒体系。对流层气溶胶的形成与地球表面的生态环境和人类活动直接相关。地面扬尘、沙尘暴、林火烟灰、花粉与种子、海水溅沫等是对流层气溶胶的自然源,人工源则是由工业、交通、农业、建筑等直接向对流层中排放的气溶胶粒子。同时,对流层大气中许多气态污染物的最终归宿是形成气溶胶粒子,如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等通过气粒转化生成气溶胶粒子。这些气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球大气系统的辐射收支,它作为凝结核参与云的形成,从而对局地、区域乃至全球的气候有着重要的影响。对流层气溶胶粒子对激光的吸收和散射作用使它成为激光大气传输的重要消光因子。 激光雷达为大气气溶胶探测研究提供了有力的工具。数十年来,激光技术的不断发展为激光雷达大气气溶胶探测提供了所需要的光源。另一方面,信号探测和数据采集及其控制技术的发展使激光雷达在大气气溶胶的探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有全面的优势,是其它探测手段不能比拟的。 本文介绍该激光雷达的总体结构、技术参数及其工作原理,同时给出了大气气溶胶的垂直消光系数廓线以及典型测量结果的分析和讨论。 1，研究的目的 大气中，尘埃、烟雾、云团等气溶胶粒子对大气的化学过程、辐射平衡、气候变化乃至人们的日常生活都有着非常重要的影响。因此，对大气气溶胶粒子的光学特性的探测研究一直是大气科学、气象探测和环境保护的一项重要任务。 近年来，中国经济的飞速发展已受到全世界的关注。然而，这种快速的经济增长也伴随着社会体系的变革，高度的工业化和城市化造成许多气溶胶粒子和温室气体被排放到大气，带来了一系列的环境问题，对可持续发展有着严重的负面影响，同时对人们的日常生活和身体健康存在着严重的威胁。如何获取环境变化的第一手资料，准确地提供大气物性及其变化
微脉冲激光雷达在气溶胶监测上的应用
微脉冲激光雷达在气溶胶监测上的应用 摘要随着经济的快速发展，人们赖以生存的大气圈，尤其是城市上空的大气环境里存在的气溶胶颗粒，极大地影响了环境质量，危害着人类健康。因此通过对气溶胶的监测和分析，可以使人们加深对污染产生机制的理解。本文对气溶胶做了详细介绍，并描述了微脉冲激光雷达的概况以及采用微脉冲激光雷达监测气溶胶情况的一些实例。 With the fast development of environment，the atmosphere that we are relied on has been greatly polluted. Great quantities of aerosols are existed in atmosphere, especially in the air of city. Therefore, the quality of environment and the health of persons aresharply affected. We could deepen the understanding of pollution by monitoring and analyzing aerosols. This paper makes a description of aerosol, micro pulse lidar(MPL) and some cases. 关键词：气溶胶、微脉冲激光雷达、PM2.5、消光系数 Keywords：Aerosol、micro pulse lidar、PM2.5、Aerosol Extinction Coefficient 一、气溶胶 1、气溶胶概述 大气气溶胶是指悬浮在大气中空气动力学直径（D p）为0.001~100μm的液
浅谈激光雷达技术在林业上的应用
浅谈激光雷达技术在林业上的应用 摘要：近年来激光雷达在很多领悟非常受欢迎，更值得一提的是这种技术非常 受森林工作者的欢迎，在森林参数测量方面发挥着非常重要的作用。激光雷达的 成像机理和一般的光学遥感大不相同，它对森林地形以及森林植被分布形式的勘 测能力极强。在对森林高度进行探测时这种优势呗发挥的淋漓尽致，更重要的是 激光雷达具有的这种优势是很多遥感设备无法比拟的。 关键字：林业应用；激光雷达技术；遥感技术 引言 自然界的所有结构中没有比森林更大，更复杂的结构了，森林拥有着自然界 中的很多资源，这些自然资源包括碳水化合物和森林植被所需的所有营养。不管 人类发展到什么程度森林结构都不可能会被其他结构所替代，因为只有森林结构 完整，才能够保证自然界的生态平衡。在通常情况下，要想更好的保证生态平衡，就必须要对森林的很多参数就行测量和分析，但是运用普通的参数测量方法只能 够获得一些简单的数据，这些数据在对大片森林的研究上并不能发挥太大作用。 因此，要想获得大片森林的区域数据，就必须运用远程传感器来实现。另外，激 光技术可以说是一种新的探测技术，它的能力非常强。激光技术不仅可以帮助科 研人员获得所需研究物体或者结构的高度信息，而且可以给出精准的数据信息。 正因如此，在军事研究领悟激光技术也不可或缺。 一、激光雷达技术的测量工具和系统介绍 在数据研究领领域有一种最基本的测量工具，这种测量工具就是激光测距仪。这种仪器在使用时必须要使用激光，而且它的工作频率比家中微波炉的工作频率 高出很多倍。 平常的雷达系统，它的高度都不会超过70英尺，另外，对每一个雷达系统而言，它们都具有一个激光系统，并且这个激光系统是连续的。激光在使用的过程中，它的细节其实是时间决定的，每一刻都代表一个不同的时间。在森林参数测 量过程中运用激光技术可以不仅可以得到树木花草的结构，而且激光还可以凭借 其信号远远大于木材信号的优势来得到整个森林的结构，这也给森林研究人员在 森林结构研究方面带来了极大的便利。 一个大的激光雷达系统是由很多小的激光探测系统组成的，而每一个激光探 测系统就是一个小的激光雷达系统。另外，激光的大小并不是固定不变得，它会 随着飞行高度的变化而不断变化，但是一般情况下激光的大小最大不会超过0.9m。有的时候激光之所以能感觉到树叶，是因为最小的激光非常小，也正因为这个特点，激光雷达系统必须要增加方向上的频率。 二、激光雷达技术在林业上的应用 林业研究领域的很多数据都是靠激光测量出来的，这些数据小到森林中一棵 树的枝干结构信息，大到一个森林的整体结构信息。由此可见激光技术对林业研 究的重要性。另外，雷达激光系统不仅受到国内多数研究领域的欢迎，而且雷达 激光系统在国外也广受商业企业的欢迎。 虽然雷达可以再特定的时间内记录信息，但是对于信号边界的信息可能没有 办法完整记录。要想解决这个问题就必须要运用技术来穿越激光的边界，虽然在 穿越激光边界的过程中会遇到各种各样的问题，但是通过这种方法却可以有效的 获得信号边界信息。
气溶胶激光雷达技术规范编制说明
气象行业标准《气溶胶激光雷达技术规范》编制说明 一、工作简况 1、任务来源 本标准由全国气候与气候变化/大气成分标准化委员会提出并归口。中国气象局气象探测中心组织本标准申报标准中文名称为《气溶胶激光雷达技术规范》，英文名称为《Specifications for Aerosol lidar》，项目编号为QX/T-2019-41。 2、牵头单位 本标准的编制牵头单位是中国气象局气象探测中心。 3、协作单位 本标准的编制协作单位包括：中国气象局气象探测中心、山东省科学院海洋仪器仪表研究所、北京理工大学等。 4.标准主要起草人及其所做的工作 标准主要起草人及其所做的工作如表1所示。 表1 标准主要起草人 5、主要工作过程 （1）成立编制组，启动编制工作 2018年8月立项，成立了标准编制小组，编制小组负责人为陈玉宝； 2018年9月，标准编制小组召开标准制定专题会议，就标准主要内容的论据进行讨论，明确了编制组人员分工任务，确定了标准编制原则和总体思路，制定工作进度计划。． （2）组织学习、研讨、咨询，完成初稿编写 2018年10月-2019年3月，先后召开三次编写会，对前期编写工作进行研讨，初步形成标准初稿。 二、标准编制原则和确定标准主要内容 1、标准编制原则
本标准的制定立足于我国测风激光雷达的建设和应用情况，针对国内外多普勒天气雷达的发展趋势和应用需求，提出了功能和指标要求。 在标准编制过程中，编制组开展了大量的气溶胶激光雷达的调研工作，参照《S波段双线偏振多普勒天气雷达标准》的体例格式，指标参照《拉曼和米气溶胶激光雷达功能规格需求书》基础上编制而成。 本标准在编制方面，坚持以下几项原则： （1）科学性原则 标准编制过程中，始终坚持从实践出发，通过调查和应用积累数据、总结经验，并充分借鉴和参考国际、国家和行业标准，力求吸收国际、国内先进经验和做法，强调标准的科学性，不断调整、丰富和完善标准内容。 （2）实用性原则 在标准起草过程中，编制组在标准满足需求的前提下，充分考虑国内气象行业实际情况，从标准便于实施的角度出发，对需要规范的技术内容进行了筛选提炼。 （3）通用性原则 编制组在收集已有的研究成果、查阅大量资料、征求多方意见后，在综合考虑各方面需求和意见的基础上对标准内容进行了适当调整，达到内容全面、规定具体、语言通俗、易于实施。（4）规范性原则 本标准的编制遵从GB/T 1.1—2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》的要求，遵照我国相关法律、法规、规章、技术规范和标准，技术指标和内容主要依据国务院气象主管部门对相关领域的技术规定和业务规范。 2、标准主要内容 本标准规定了气溶胶激光雷达的组成、通用要求、试验方法、检验规则等内容。 三、主要试验（或者验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期效果 国外同类标准水平的对比情况，以及与国际、采用国际标准和国外先进标准的程度，四、． 或者与测试的国外样品、样机的有关数据对比情况 无。 五、与有关的现行法律、法规和强制性标准的关系 本标准遵照《中华人民共和国气象法》、《中华人民共和国标准化法》以及中国气象局相关法规等编制，与现行的有关法律、法规和强制性国家标准没有矛盾。 六、重大分歧意见的处理经过和依据 无。 七、作为强制性标准或者推荐性标准的建议 建议作为推荐性标准。 八、贯彻标准的要求和措施建议，包括组织措施、技术措施、过渡办法等内容 九、废止现行有关标准的建议 无。 十、其他应当予说明的事项 无。．
激光雷达在军事中的应用讲解
激光雷达在军事中的应用 作者 摘要：本文简要介绍激光雷达的特点、激光雷达探测的基本物理原理及其在军事领域的应用现状． 关键词：激光雷达；探测；军事应用 1.引言 激光雷达是现代激光技术与传统雷达技术相结合的产物，它像传统的微波雷达一样，由雷达向目标发射波束，然后接收目标反射回来的信号，并将其与发射信号对比，获得目标的距离、速度以及姿态等参数．但是它又不同于传统的微波雷达，它发射的不是微波束，而是激光束，使激光雷达具有不同于普通微波雷达的特点． 根据激光器的不同，激光雷达可工作在红外光谱、可见光谱和紫外光谱的波段上．相对于工作在米波至毫米波波段的微波雷达而言，激光雷达的工作波长短，是微波雷达的万分之一到千分之一，根据光学仪器的分辨率与波长成反比的原理，利用激光雷达可以获得极高的角分辨率和距离分辨率，通常角分辨率不低于0.1mrad ，距离分辨率可达0.1m , 利用多普勒效应 可以获得10m / s 以内的速度分辨率．这些指标是一般微波雷达难以达到的，因此激光雷达可获得比微波雷达清晰得多的目标图像。 激光束的方向性好、能量集中，在 20km 外，其光束也只有茶杯口大小，因而敌方难以截获，而且激光束的抗电磁干扰能力强，难以受到敌方有源干扰的影响．由于各种地物回波影响，因而在低空存在微波雷达无法探测的盲区．而对于激光雷达，只有被激光照射的目标才能产生反射，不存在低空地物回波的影响，所以激光雷达的低空探测性能好． 激光雷达体积小、重量轻，有的整套激光雷达系统的重量仅几十千克．例如为了适应海军陆战队的需要，美国桑迪亚国家实验室和伯恩斯公司都提出了手持激光雷达的设计方案．相对于重达数吨、乃至数十吨的微波雷达而言，激光雷达的机动性能显然要好得多． 任何事物都是一分为二的，激光雷达也有自身的缺陷．激光光束窄、方向性好，虽然表现出能量集中的优点，但不宜用作战场监视雷达搜索大空域．而且激光的传输受环境影响大，尤其是在雨、雪、雾的天气，激光在传输过程中的衰减更大．当然，激光在大气层外传输时不易衰减，有其得天独厚的优势．经过几十年的努力，科学家们趋利避害，已研制出多种类型的军用激光雷达． 2. 用干战场侦察的激光雷达 众所周知，普通的成像技术（如电视摄像、航空摄影及红外成像等）获得的场景图像都是反映被摄区域辐射强度几何分布的图像，而激光雷达可以通过采集方位角一俯冲角一距离一速度一强度等三维数据，再将这些数据以图像的形式显示出来，从而可产生极高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像等，因而它提供了普通成像技术所不能提供的信息．例如美国桑迪亚国家实验库研制的一种激光雷达，激光器功率为120MW ，显示屏幕的像素为64 X 64 元，视场内物体的图像可显示在屏幕上，每秒钟更新4 次，并用不同颜色和灰度显示物体的相对距离．这种激光雷达能对运动的装甲车辆产生实时图像，图像分辨率足以识别车辆型号． 美国雷西昂公司研制的ILR100 型砷化稼激光雷达，可安装在高性能飞机和无人机上，当飞机在120m～460m 高空飞行
探测大气气溶胶消光系数的便携式米散射激光雷达
第15卷 第12期强激光与粒子束Vol.15,No.12 2003年12月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2003 文章编号:100124322(2003)1221145203 探测大气气溶胶消光系数的便携式米散射激光雷达Ξ钟志庆1,2, 周 军1, 戚福弟1, 范爱媛1, 岳古明1, 兰举生1, 江庆伍1 (1.中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031;2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘 要: 介绍了一种新型的便携式米散射激光雷达的总体结构及其各部分的功能,分析讨论了该激光雷 达在夜晚与白天探测大气气溶胶消光系数垂直廓线的性能。其夜晚的探测高度达到15km左右,白天的探测 高度达到10km左右。还可对卷云进行探测,获得卷云的厚度及其峰值消光系数。该激光雷达具有结构紧凑、 体积小、重量轻、自动化程度高、探测速度快等优点。 关键词: 便携式米散射激光雷达; 气溶胶; 消光系数; 卷云 中图分类号:TN958.98 文献标识码:A 激光雷达作为一种主动遥感探测工具已经有30多年的历史[1],已广泛应用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域[2,3]。随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测、数据采集及其控制技术的发展,激光雷达技术的发展也日新月异。 我们研制出一种新型的便携式米散射激光雷达,其关键器件都采用轻小型全固化结构或模块化结构,加上独特的发射和接收光学单元,具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、探测速度快等优点,可应用于大气水平能见度的探测[4]和大气气溶胶消光系数垂直廓线的探测。 本文介绍了该激光雷达的总体结构及其各部分的功能,对其探测的532nm波长大气气溶胶消光系数垂直廓线结果进行了分析和讨论。 1 便携式米散射激光雷达的结构 便携式米散射激光雷达结构示意图见图1。它由激光发射单元、回波信号接收单元、后继光学单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分组成。其主要技术参数见表1。 水平或垂直方向上的测量。 接收望远镜是由中国科学院安徽光学精密机械研究所生产的直径为200mm的Cassegrain型望远镜,主 Ξ第七届全国激光科学技术青年学术交流会优秀论文。 收稿日期:2003209212; 修订日期:2003210217 作者简介:钟志庆(19762),女,博士研究生,从事Doppler测风激光雷达的研究;合肥市1125信箱二室;E2mail:zqzhong@https://www.360docs.net/doc/2317487004.html,。
激光雷达技术的应用现状及应用前景
光电雷达技术 课程论文 题目激光雷达技术的应用现状及应用前景 专业光学工程 姓名白学武 学号2220140227 学院光电学院 2015年2月28日
摘要:激光雷达无论在军用领域还就是民用领域日益得到广泛的应用。介绍了激光雷达的工作原理、工作特点及分类,介绍了它们的研究进展与发展现状,以及应用现状与发展前景。 引言 激光雷达就是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的T作原理相似,它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号,然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较,从而获得目标的位置(距离、方位与高度)、运动状态(速度、姿态)等信息,实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪与识别。 激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形与数据处理方式,可分为脉冲激光雷达、连续波激光雷达、脉冲压缩激光雷达、动目标显示激光雷达、脉冲多普勒激光雷达与成像激光雷达等:根据安装平台划分,可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达与航天激光雷达;根据完成任务的不同,可分为火控激光雷达、靶场测量激光雷达、导弹制导激光雷达、障碍物回避激光雷达以及飞机着舰引导激光雷达等。 在具体应用时,激光雷达既可单独使用,也能够同微波雷达,可见光电视、红外电视或微光电视等成像设备组合使用,使得系统既能搜索到远距离目标,又能实现对目标的精密跟踪,就是目前较为先进的战术应用方式。 一、激光雷达技术发展状况 1、1关键技术分析 1、1、1空间扫描技术 激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制与扫描体制,其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描与二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器,作用距离较远,探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同,能够减小设备的体积、重量,但在我国多元传感器,尤其就是面阵探测器很难获得,因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。 机械扫描能够进行大视场扫描,也可以达到很高的扫描速率,不同的机械结构能够获得不同的扫描图样,就是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描,扫描速度可以很高,扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小,光束质量较差,耗电量大,声光晶体
拉曼-米气溶胶激光雷达定标Klett和Fernald反演算法
Klett 反演算法 大气激光雷达接收到的距离R 处大气后向散射回波信号功率P (R )可以由激光雷达方程确定： ()()()2102 r C P A R T R P R R β=………………………………（A.1） 式中： C 1——激光雷达校正常数，与几何因子、透过率、系统效率、距离分辨率等参数有关； P 0——发射的激光脉冲的功率； A r ——接收望远镜的有效接收面积； β(R ) ——距离R 处大气后向散射系数； T (R ) ——大气透过率。 大气透过率与大气消光系数α有关，可表示为： ()()( ) exp R T R r dr α=-?………………………………（A.2） 将公式（A.2）代入激光雷达方程中，经过变形可得： ()()()( ) 2 100 exp 2R r R R R C P A R r dr βα=-?……………………（A.3） 公式（A.3）两边取自然对数后求导后可得： ()()()()12dS R d R R dR R dR βαβ=-………………………（A.4） 式中： S (R )——距离平方校正信号P (R )R 2取自然对数。 在Klett 反演算法中，首先假设大气消光系数α与后向散射系数β之间存在如下关系： 2C k βα=…………………………………………（A.5） 式中： C 2——常数； k ——与激光探测波长和气溶胶性质有关，范围一般在0.67~1之间。 将公式（A.5）代入到公式（A.4）中，可得： ()()()()=2dS R d R k R dR R dR ααα-…………………………（A.6） 对公式（A.6）求解，可得大气消光系数。 ()()()()() ()()()()( ) 1exp = 2exp m m R m m R S R S R k R R S r S R k dr k αα--??+- ??? ?………………（A.6）
激光雷达回波信号仿真模拟
激光雷达回波信号仿真模拟研究 摘要 关键字 第一章绪论 第一节引言 激光雷达（Lidar：Li ght D etection A nd R anging），是一种用激光器作为辐射源的雷达，是激光技术与雷达技术完美结合的产物。激光雷达的最基本的工作原理与我们常见的普通雷达基本一致，即由发射系统发射一个信号，信号到达作用目标后会产生一个回波信号，我们将回波信号经过收集处理后，就可以获得所需要的信息。与普通雷达不同的是，激光雷达的发射信号是激光而普通雷达发射的信号是无线电波，两者在波长上相比，激光信号要短的多。由于激光的高频单色光的特性，激光雷达具有了许多普通雷达无法比拟的特点，比如分辨率高，测量、追踪精度高，抗电子干扰能力强，能够获得目标的多种图像，等等。因此，利用激光雷达对大气进行监测，收集、分析数据，建立一个大气环境预测理论模型，这将会成为研究气候变化和寻求解决对策的一项重要武器。 第二节本文的选题意义 由于投入巨大，在研制激光雷达实物之前，我们需要进行模拟与仿真研究，预测即将研制的激光雷达的各性能指标，评价总体方案的可行性。激光雷达回拨信号仿真模拟就是利用现代仿真技术，逼真的复现雷达回波信号的动态过程，它是现代计算机技术、数字模拟技术和激光雷达技术相结合的产物。仿真模拟的对象是激光雷达的探测没标以及它所处的环境，模拟的手段是利用计算机和相关设备以及相关程序，模拟的方式是复现包含着激光雷达目标和目标环境信息的雷达信号。通过激光雷达回波信号的仿真模拟，进而产生回波信号，我们可以在实际雷达系统前端不具备条件的情况下，对激光雷达系统的后级设备进行调试。 第三节本文的研究思路和结构安排 本文主要研究面向气象服务应用的大气激光雷达。笔者在熟悉激光雷达的基本工作原理的前提下，学习和熟悉各种参数对大气回波能量的影响，进而学习和掌握matlab编程语言，并且根据给定的激光雷达系统参数、大气参数和光学参数，以激光雷达方程为基础，通过仿真模拟得到理想状态下的大气回波信号。但是，在实际测量工作中，由于大气中的各种干扰，我们获得的回波信号并不和理想状态下的大气回波信号一致，因此，在本文的后期工作中，笔者根据已有的大量激光雷达实测信号与模拟信号对比，既能验证仿真模拟结果的准确性，又能应用于激光雷达的性能指标等方面的分析上，具有比较高的实际应用价值。 第二章激光雷达的原理 第一节激光雷达系统 一个标准的激光雷达系统应该包含以下部件：激光器、发射系统、接收系统、光学系统、信号处理系统以及显示系统。它的工作原理图我们可以用下图表示：
激光雷达点云数据
激光雷达点云数据 LiDAR(Light Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称，另外也称Laser Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging)，由激光雷达进行扫描所获取的数据，即为激光雷达点云数据。 激光雷达是用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。 激光雷达的特点: 与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,因此带来了很多特点,主要有： （1）分辨率高 激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.lm；速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离——多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。 （2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强 激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小,可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低；另外，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强,适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中。
激光雷达探测大气气溶胶研究进展
激光雷达探测大气气溶胶研究进展 周军 （中国科学院大气成分与光学重点实验室，合肥市230031）摘要本文分析了米散射（Mie）激光雷达、拉曼（Raman）激光雷达、高光谱分辨激 光雷达（HSRL）及偏振（Polarization）激光雷达在大气气溶胶探测研究中的特点及其应用进展。随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测与采集技术的发展和新的探 测原理与方法的涌现，大气气溶胶探测激光雷达取得了长足的技术进步。激光雷达由 单波长单功能向多波长多功能发展；由仅仅夜晚探测向白天夜晚连续探测发展；由需 要人工干预向着无人值守自动化运行发展；由实验室的研究设备型向商业化产品型转 化。对于大气气溶胶光学参数、微物理参数和气溶胶分类的探测研究，需要定量地获 取多波长大气气溶胶消光系数、后向散射系数及退偏振比等光学参数，如2α（355nm，532nm）+3β（355nm，532nm,1064nm）+2δ（355nm，532nm）等。为此，研制被称 之为Next generation aerosol lidar的多波长Raman/HSRL-Mie-Polarization激光雷达系统为激光雷达界所关注。为了适应区域性和全球气候与环境变化对大气气溶胶三维空间 分布和时间演变资料（4D）的需求，近些年来，先后建立了区域性的地基大气气溶胶激光雷达观测网（如EARLINET、AD-Net等）。国际气象组织（WMO）正在此基础上组建全球大气气溶胶激光雷达观测网,G AW A esosol LI dar O bservation N etwork (GALION)。同时，气溶胶激光雷达的支撑平台也由地基向机载（如国家航空遥感系统）和星载（如CALIPSO）方向发展。 关键词激光雷达、大气气溶胶、气溶胶观测网 1. 气溶胶激光雷达的功能 2008年10月世界气象组织（WMO）发布的GAW Report No.178《Plan for implementation of the GAW Aerosol Lidar Observation Network GALION》文件中明确地给出了各种类型的激光雷达探测大气气溶胶的功能[1]，如表1所示。 表1.各种类型的激光雷达探测大气气溶胶（云）的功能。
拉曼和米散射气溶胶激光雷达数据记录格式
附录A拉曼和米散射气溶胶激光雷达数据记录格式 1．数据记录概述 数据记录文件按照原始数据（0级数据）和数据产品（1级、2级数据）分别给出，其中数据产品按照不同数据格式分别给出结构类型定义。 2．原始数据记录 原始数据记录主要保存激光雷达各个通道的观测结果和设备运行状态参数。格式具有扩展性，可根据需要增加新的通道数据。 2.1文件名规则 原始数据文件名规则如下： xxxx_xxxxx_xxxxx_Lidar_yyyymmddhhmmss.bin； 其中： xxxx：每个厂家的产品具体型号； xxxxx：设备编号，各设备对应的编号； xxxxx: 台站编号，即设备安装台站所对应的编号； Lidar：表示为激光雷达原始数据； yyyymmddhhmmss: 表明是年月日时分秒，记录数据采集时间，其中小时记录为24小时制。如20140924091027表示2014年9月24日9时10分27秒。 2.2原始数据记录文本规则 记录文本规则详见表A.1。
3.1 1级数据产品 3.1.1 文件名规则 1级数据产品包括气溶胶消光系数、气溶胶后向散射系数和气溶胶退偏振比三类产品。主要规则如下： （1）米通道消光系数： xxxx_xxxxx_xxxxx_MEXT_yyyymmddhhmmss_w. bin （2）米通道后向散射系数 xxxx_xxxxx_xxxxx_MBAKSCAT_yyyymmddhhmmss_w. bin （3）拉曼通道消光系数 xxxx_xxxxx_xxxxx_REXT_yyyymmddhhmmss_w. bin （4）拉曼通道后向散射系数 xxxx_xxxxx_xxxxx_RBAKSCAT_yyyymmddhhmmss_w. bin （5）退偏振比 xxxx_xxxxx_xxxxx_DEP_yyyymmddhhmmss_w. bin 其中： xxxx：每个厂家的产品具体型号； xxxxx：设备编号，各设备对应的编号； xxxxx: 台站编号，即设备安装台站所对应的编号； MEXT表示米通道消光系数数据、MBAKSACT表示米通道后向散射系数数据、REXT表示拉曼通道消光系数数据、RBAKSACT表示拉曼通道后向散射系数数据、DEP表示退偏振比数据。 yyyymmddhhmmss分别表示采集结束的年月日时分秒。 w表示波长，采用纳米为单位，整数型，如1064.2纳米，记为1064。
微脉冲激光雷达水平探测气溶胶两种反演算法对比与误差分析
第３５卷，第７期 光谱学与光谱分析Vol .３５，No .７，pp １７７４‐１７７８ ２０１５年７月 Spectroscopy and Spectral Analysis July ，２０１５ 微脉冲激光雷达水平探测气溶胶两种反演算法对比与误差分析 吕立慧，刘文清，张天舒，陆亦怀，董云升，陈臻懿，范广强，亓少帅 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽合肥 ２３００３１ 摘 要 大气气溶胶对人类健康、环境和气候系统具有重要的影响。微脉冲激光雷达（M PL ）是一种新型的探测大气气溶胶水平分布的有效工具，而消光系数的反演和误差分析是其数据处理的重要内容。为了探测近地面大气气溶胶的水平分布情况，采用分段斜率法和Fernald 算法对合肥地区实测M PL 水平数据进行了消光系数反演，并将反演结果进行了对比和误差分析。误差分析表明，分段斜率法和Fernald 算法的误差分别主要来源于其理论模型和多个假设条件。虽然分段斜率法和Fernald 算法应用于大气水平消光系数的反演都仍存在一定的问题，精确度有待提高，但都能在一定程度上反映出气溶胶粒子的时空分布特征，与前向散射能见度仪的测量结果相关性都能达到９５％以上，具有一定的可行性。且相对来说，Fernald 法更适用于大气非均匀分布情况下消光系数的反演。 关键词 激光雷达；水平消光系数；斜率法；Fernald 算法 中图分类号：TN ９５８.９８ 文献标识码：A DOI ：１０.３９６４／j .issn .１０００‐０５９３（２０１５）０７‐１７７４‐０５ 收稿日期：２０１４‐０４‐０４，修订日期：２０１４‐０８‐１５ 基金项目：国家自然科学基金项目（４１２０５１１９，４１３０５１２６）和国家重大科学仪器设备开发专项（２０１１Y Q １２００２４）资助 作者简介：吕立慧，女，１９８９年生，中国科学院安徽光学精密机械研究所硕士研究生 e ‐mail ：lhlv ＠aiofm ．ac ．cn 引 言 近年来，随着我国国民经济的迅速发展，环境污染尤其是近地面大气污染问题日益突出。近地面气溶胶和污染物的分布将直接影响空气质量和大气能见度，因此对近地面气溶胶和污染物的水平分布探测，是提高人民生活质量、保证交通安全的迫切需要。激光雷达具有探测范围广和高时空分辨率等特点，近年来已被广泛应用于大气与环境监测领域［１，２］。 利用激光雷达数据反演大气气溶胶消光系数的方法常用斜率法和Fernald 法。在以往的研究中，斜率法［３］常用于水平探测，仅在大气均匀分布的假设下成立；Fernald 法［４］常用于垂直探测。在探测近地面大气气溶胶水平分布的实际应用中，激光雷达呈水平状态，垂直探测消光系数的反演方法不能直接使用，且大气水平均匀的假设并不成立。因此需要修正反演算法，开展非均匀大气情况下水平探测大气气溶胶消光系数反演算法的研究。 １ M PL 结构 图 １是用于探测水平气溶胶和污染物分布的微脉冲激光雷达的结构示意图，主要由激光发射单元，光学接收单元，信号探测与采集单元三部分组成。激光发射单元主要包括激光器和扩束镜；光学接收单元主要包括望远镜、微孔光阑、滤光片等；数据探测与采集单元主要包括光电倍增管和多通道光子计数采集卡。该微脉冲激光雷达中心波长为５３２nm 。 Fig .1 Schematic of the micro pulse lidar ２ M PL 水平探测和数据处理方法 ２０１３年６月—９月，用该激光雷达在合肥西郊进行了连续的水平探测，获得了大量的水平数据。在进行气溶胶水平探测时，该微脉冲雷达系统被调整为水平状态，向大气发射２４００个激光脉冲并采集后向散射回波信号，采集的后向散射回波信号空间最小分辨率为７.５m ，每条数据的采集时间约为２min 。 目前由激光雷达数据反演气溶胶垂直分布的方法已经比较成熟，但应用于反演气溶胶水平分布的算法尚需进一步研究。近年来也有不少学者进行了有关研究［５，６］，但尚未有很
激光雷达调研报告
关于激光雷达报告 机载激光雷达的技术与市场调研 1.应用背景 机载激光雷达系统（Laser Detection and Ranging，简称Ladar，以前功能低级时也被称为Lidar光雷达）是一种综合应用激光测距仪、IMU（惯性测量单元：一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。）、GPS的新型快速测量系统，是解决大比例尺三维制图的重要遥感技术手段，在地形测绘、建筑物三维建模、森林垂直结构探测，以及水利电力设计、公路铁路设计、海岸线分析等方面得到广泛应用。 20世纪60年代初出现了以测距为主要功能的激光雷达，它以高角分辨率、高速度分辨率、高距离分辨率、强抗干扰能力、良好的隐蔽性，以及出色的全天候工作能力在很多领域尤其是军事领域中得到了广泛的应用。激光雷达技术也称机载激光雷达，它是一种安装在飞机上的机载激光系统，通过量测地面的三维坐标，生成激光雷达数据影像，经过相关软件处理后，可以生成地面的DEM模型、等值线图及DOM正射影像图。激光雷达系统通过扫描装置，沿航线采集地面点三维数据；系统可自动调节航带宽度，使其与航摄宽度精确匹配，在不同的实地条件下，平面精度可达0.1m，采样间隔为 2～12m。激光雷达是集激光技术、光学技术和微弱信号技术于一体而发展起来的一种现代化光学遥感手段，它使用激光作为探测波段，波长较短而且是单色相干光，从而呈现出极高的分辨本领和抗干扰能力，为其在各方面的应用奠定了重要基础。激光雷达探测技术不仅可以获得目标地物表面的反射能量的大小，同时还可获取目标反射波谱的幅度、频率和相位等信息，用于测速和识别移动目标，在环境、生态、通信、航天等方面有着广泛的应用。 目前生产机载激光雷达系统的公司主要有Leica、 Optech、 TopoSys、 Riegl 、 IGI TopEye 、TopScan 等。 2.发展史
激光雷达的应用
（1）基于激光雷达的移动机器人位姿估计方法综述 位姿估计方法是移动机器人研究的一个核心问题，精确地位姿估计对于机器人的定位、自动地图生成、路径规划等具有重要意义。传统的位姿估计方法在不同程度上都有位移误差较大、成本较高的缺点。而激光雷达刚好解决了这个问题。目前常用的激光雷达为2维脉冲式激光雷达，这种方法有两个重要的步骤：距离数据的表示和距离数据的对应。 数据的表示。利用一对脉冲近红外发射器和接收器，通过测量发射到接受的时间差，即可计算出目标的距离，从而得到关于环境的水平剖面图。对于静态环境的表示方法目前比较好的方法是Gonzalez提出的混合式表达方法，这种方法综合了基于特征的表示方法和占据网格的表示方法而提出的一种同时具有两者各自优点的方法。 距离数据的对应。目前已有的对应方法有特征—特征、点—特征和点—点等。以下主要介绍三类。特征—特征对应方法首先从参考扫描和当前扫描中分别抽取出一组特征，然后是用特征的属性和特征间相对关系对两组特征进行匹配，得到一组特征对，最后使用迭代的方法求解机器人的位姿，使特征对之间的误差最小。点—特征与特征—特征方法的不同主要在于它直接使用当前的原始数据与参考扫描的特征进行匹配，匹配的依据是点到线段的距离。由于这种方法在匹配中直接使用了原始的距离数据，避免了中间的特征抽取过程，因此这种方法的精度略高于特征—特征方法。点对点的方法是利用一个合适的规则直接匹配2个扫描中的数据，从而得到相对位姿的关系，目前这个常用的规则是最近点规则。 （2）激光雷达技术在城市三维建筑模型中的应用 “数字城市”是数字地球技术系统的重要组成部分，而表达城市主要物体的三维模型包括三维地形，三维建筑模型、三维管线模型。这些三维建筑模型是数字城市重要的基础信息之一。 而激光雷达技术可以快速完成三维空间数据采集，它的优点使它有很广阔的应用前景。机载雷达系统的组成包括：激光扫描器、高精度惯性导航仪、应用查分技术的全球定位系统、高分辨率数码相机。通过这四种技术的集成可以快速的完成地面三维空间地理信息的采集，经过处理便可得到具有坐标信息的影像数据。 利用激光进行三维建筑建模的技术。首先，进行数据预处理。就是结合IMUU记录的姿势参数、机载GPS数据、地面基站GPS观察数据、GPS偏心分量、扫描仪和数码相机各自的偏心分量，进行GPS/IMU联合解算，得到扫描仪及相机曝光坐标下的轨迹文件，进而得到外方为元素。其次，使用LIDAR数据商业处理软件将地面数据与非地面数据分离，生成DEM，在利用纯地表数据对影像外方位元素通过寻找同名像点的方式进行校正快速生成DOM。DEM 和DOM叠加在一起就形成了三维地形模型。最后，为了表达真实的城市面貌对三维建筑模型进行纹理贴图。纹理粘贴的方法常见的有手动粘贴和纹理映射两种。常用的纹理获取方法也有两种，第一种方法是对建筑顶部纹理采用航空影像，侧面纹理信息为手持相机实地拍摄。第二种方法为倾斜航空摄影。得到纹理后利用专业软件进行纹理面的选择、匀光处理等将反应建筑现状的影像信息映射在对应的模型上就达到了反映城市现状的目的。 （3）激光雷达技术的发展及其在大气环境监测中的应用 激光雷达由于探测波长短、波束定向性强，能量密度高，因此具有高空间分辨率、高的
超短脉冲激光烧蚀技术应用探究
超短脉冲激光烧蚀技术应用探究 近年来随着超短脉冲激光烧蚀技术的发展，该技术被广泛应用于工业领域。短脉冲激光与物质相互作用时间介于纳秒与飞秒之间，其峰值功率可达兆瓦级，因此在加工中可应用于高精度、高硬材料的精细加工上，同时也可以实现材料的三维加工，该方式称为“冷”加工。文章旨在介绍超短脉冲技术的应用研究，使人们对该技术有一定的宏观认识。 标签：超短脉冲；激光烧蚀；应用探究；宏观认识 1 短脉冲激光器与金属相互作用理论 短脉冲诱导烧蚀材料的过程的建立需要一定的时间，并且与激光强度有直接关系。当脉宽给定时，只有当激光场的强度超过一定值时，形成的等离子体才能发生不可逆的损伤阈值，该阈值范围通常以激光的能流阈值表示。根据文献指出，脉冲宽度从连续到几十个皮秒范围内，烧蚀过程为离子雪崩过程，开始于内部电子。通过对超短脉宽烧蚀阈值的研究发现，当偏离了脉冲宽度平方根法则的时候，能量在很大范围内变动均可引起材料的烧蚀，如图1所示为超短脉冲激与金属作用的过程。 当前人们于超短脉冲激光烧蚀物质的机理和研究还没有获得完全的认知，研究的模型是将物质看做一个总体的系统去考虑，只有达到了该物质的沸点或熔点时，使得物质蒸发或者熔化而使材料被去除。应用傅里叶传热模型对上述过程可进行具体的描述，但是他不适用于描述和分析超短脉冲激光与金属薄膜或者介质膜的作用过程。原因是由于载流子的特征尺寸与膜层的厚度相当，同时其特征时间与传输能量的时间接近。 当超短脉冲激光与金属材料作用发生激光烧蚀时，材料的表面的电子吸收激光的能量后变为非平衡状态，发生了相互制约的现象。造成电子爆炸运动速度接近于费米速率。同时热电子通过碰撞作用使得内部电子获得加热，之后参与碰撞的电子达到短暂的呈费米分布的热平衡态。电子与晶格通过碰撞耦合效应，使得电子温度降低和晶格温度升高，最终电子温度与材料的晶格温度达到平衡。 2 短脉冲激光烧蚀研究方法 激光烧蚀的研究方法包括：实验方法测定，理论计算分析和数值模拟。实验方法能够准确的对后两种方法进行检验。但实验方法需要的成本巨大。理论计算分析和数值模拟方法是一种对于研究激光烧蚀问题的非常有的方法，其理论分析过程非常严谨，但是也存在一定的边界条件限制，需要进行相应的假设，处理问题的范围有限。但其可低成本、高精度模拟短脉冲烧蚀机理内的复杂问题，一直是各大科研院校应用的最广泛的方法。若条件允许会采用实验方法进行验证，不断修正算法达到近乎理想的模拟及精密数值计算水平。
激光雷达技术的发展和应用
激光雷达技术的发展和应用 摘要:根据激光雷达的测距原理及中心投影共线条件方程式,建立了激光雷达测量系统的几何模型及其精度评价模型，对激光雷达在军事、气象、地质、环境与测绘等领域的应用以及激光雷达未来的发展趋势作了详细介绍。 关键词：激光雷达；几何模型；发展；应用。 引言：２０世纪６０年代初出现了以测距为主要功能的激光雷达（ＬｉＤＡＲ），它以高角分辨率、高速度分辨率、高距离分辨率、强抗干扰能力、良好的隐蔽性，以及出色的全天候工作能力在很多领域尤其是军事领域中得到了广泛的应用。ＬｉＤＡＲ技术（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＲａｎｇｉｎｇ）也称机载激光雷达，它是一种安装在飞机上的机载激光系统，通过量测地面的三维坐标，生成ＬｉＤＡＲ数据影像，经过相关软件处理后，可以生成地面的ＤＥＭ模型、等值线图及ＤＯＭ正射影像图。ＬｉＤＡＲ系统通过扫描装置，沿航线采集地面点三维数据；系统可自动调节航带宽度，使其与航摄宽度精确匹配，在不同的实地条件下，平面精度可达０.１Ｉｌｌ，采样间隔为２～１２ｍ。ＬｉＤＡＲ是集激光技术、光学技术和微弱信号技术于一体而发展起来的一种现代化光学遥感手段，它使用激光作为探测波段，波长较短而且是单色相干光，凶而呈现出极高的分辨本领和抗干扰能力，为其在各方面的应用奠定了重要基础。ＬｉＤＡＲ探测技术不仅可以获得目标地物表面的反射能量的大小，同时还可获取目标反射波谱的幅度、频率和相位等信息，用于测速和识别移动目标，在环境、生态、通信、航天等方面有着广泛的应用。本文重点介绍ＬｉＤＡＲ的技术现状和应用领域。 正文： 1.激光雷达的发展过程 第１代激光雷达于１９６７年由美国国际电话和电报公司研制，用于开发航天飞行器交会对接用的激光雷达，１９７８年ＮＡＳＡ／ＭＦＳＣ研制出了用于同一目的的Ｃ０２干涉激光雷达－７。１９７６年用于研究地球科学的星载激光雷达一经问世就得到重视，ＮＡＳＡ和ＮＯＡＡ委托美国无线电公司和帕新一爱而莫公司开发用于测量全球对流层风场的Ｃ０２相干激光雷达Ｉ９］。１９８８年ＮＡＳＡ研制出激光大气风探测器，空间分辨率达到１０００ｍ左右，利用不同高度背向散射测量水平风场，２0世纪９０年代，由于全固体激光技术和二极管泵浦全固态技术的发展，较好地解决了制约星载激光雷达的寿命问题，开辟了高精度绘图、远程测距、环境监测、测云、测地被、测目标和非相干测风等应用邻域，发展了基于ＤＰＳＳ技术的差分吸收激光雷达、拉曼散射激光雷达、非相干多普勒激光雷达和生物激光雷达等，显示出巨大的经济效益和军事价值。 2.激光雷达的主要应用 由于激光雷达特有的优势，在国民经济建设中如农林业、军事侦察、水利电力