云气溶胶激光雷达研制_陈玉宝
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
星载大光斑激光雷达波形数据处理方法初探
星载大光斑激光雷达波形数据处理方法初探 周朗明 武汉大学遥感信息工程学院，湖北武汉 (430079) E-mail ：zlm_mj@https://www.360docs.net/doc/8213554044.html, 摘 要：激光雷达技术是近年发展十分迅速的一种新型数字传感器测图技术，在快速获取地表三维数据方面具有独特优势。商业机载LIDAR 系统提供给用户的产品一般是点云数据，实际上，波形数据能有效的表达光斑内的地物高程分布，提供更高精度的点云数据。本文以搭载在ICESat 卫星上的GLAS 传感器获取的GLA01波形数据为实验数据，对大光斑LIDAR 波形数据的格式及处理方法进行了初步探讨，提出了一种简化的针对大光斑波形数据处理的方案，实现了一种细化波峰位置的高程量化算法。 关键词：LIDAR ；波形数据；波形量化；GLAS ；ICESat 中图分类号：P231；P236；P237 1. 引 言 空载(包括机载和星载)LIDAR 技术作为一种激光测高系统，是以激光脉冲发射器作为辐射源，向植被和地表发射激光脉冲，通过记录发射信号和接收回波信号的强度信息以及发射和接收时刻的时间延迟来计算传感器和地物目标之间的距离。波形数据由时刻信息及某一时刻所接收的回波信号能量构成，对波形数据进行滤波、分解和量化等处理可得到地面目标的高程信息。从某种意义上来讲，波形数据是LIDAR 系统的原始数据，在波形数据的基础之上结合GPS/IMU 可得到精准表达地物目标三维信息的点云数据，即波形数据能提供地物目标的高程值(Z 坐标)及强度(I)，GPS/IMU 能提供地物目标在某一参考坐标系下的平面坐标(XY)。 国内外专家利用激光雷达波形数据对林业管理方面进行研究。Wenge 等研究激光波形与林冠层参数之间的关系，并指出激光波形数据对于三维林冠层结构参数的获取十分必要[1]。庞勇等对星载大光斑激光雷达波形数据(GLAS)的波形关键参数的计算进行研究[2] ，并利用我国东北地区星载激光雷达波形数据，阐述了数据预处理和波形长度计算方法，分析了东北地区波形长度的分布格局和林业应用潜力，并利用土地覆盖数据进行了验证[3]。 2. GLAS/ICESat 星载LIDAR 系统 GLAS 英文全称为Geoscience Laser Altimeter System ，国内有学者将其译为地球科学激光 高度计[4]。 GLAS 系统由美国航天局的戈达德宇航中心(NASA/GSFC)研制，采用diode pumped Q-switched Nd:YAG 激光器，该激光器能以每秒40次的频率发射两种波长的脉冲信号：1064nm 的近红外信号和534nm 的可见光信号。前者用于地表高程和密云高度的测量，后者用于测量云层和大气的垂直分布。GLAS 系统的技术指标如表1.1所示： 表1.1 GLAS 系统的技术指标 [2] Tab.1.1 Technical indexes of GLAS system 波长(nm) 脉冲重复频率(HZ) 光斑尺寸(m)光斑间隔(m) 测距精度 被测对象 532 40 70 170 云：75~200m(垂直) /150m(水平)气溶胶： 50km 云层、气溶胶1064 40 70 170 冰层/陆地：10cm 冰、陆地
激光雷达高速数据采集系统解决方案
激光雷达高速数据采集系统解决方案 0、引言 1、 当雷达探测到目标后, 可从回波中提取有关信息，如实现对目标的距离和空间角度定位,并由其距离和角度随时间变化的规律中得到目标位置的变化率，由此对目标实现跟踪; 雷达的测量如果能在一维或多维上有足够的分辨力, 则可得到目标尺寸和形状的信息; 采用不同的极化方法，可测量目标形状的对称性。雷达还可测定目标的表面粗糙度及介电特性等。接下来坤驰科技将为您具体介绍一下激光雷达在数据采集方面的研究。 1、雷达原理 目标标记： 目标在空间、陆地或海面上的位置, 可以用多种坐标系来表示。在雷达应用中, 测定目标坐标常采用极(球)坐标系统, 如图1.1所示。图中, 空间任一目标P所在位置可用下列三个坐标确定: 1、目标的斜距R； 2、方位角α；仰角β。 如需要知道目标的高度和水平距离, 那么利用圆柱坐标系统就比较方便。在这种系统中, 目标的位置由以下三个坐标来确定: 水平距离D，方位角α，高度H。 图1.1 用极(球)坐标系统表示目标位置
系统原理： 由雷达发射机产生的电磁能, 经收发开关后传输给天线, 再由天线将此电磁能定向辐射于大气中。电磁能在大气中以光速传播, 如果目标恰好位于定向天线的波束内, 则它将要截取一部分电磁能。目标将被截取的电磁能向各方向散射, 其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后, 就经传输线和收发开关馈给接收机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息, 并将结果送至终端显示。 图1.2 雷达系统原理图 测量方法 1）.目标斜距的测量 雷达工作时, 发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在, 那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间, 它将滞后于发射脉冲一个时间tr, 如图1.3所示。 我们知道电磁波的能量是以光速传播的, 设目标的距离为 R, 则传播的距离等于光速乘上时间间隔, 即2R=ct r 或 2 r ct R
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
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。．
星载激光雷达全球海洋测深研究
星载激光雷达全球海洋测深研究 海洋水色遥感是实现全球海洋水体光学参数和颗粒物空间观测的主要手段，自1978 年第一台水色传感器(CZCS) 成功运行至今，卫星水色遥感作为全球观测系统的一个重要组成部分，在海洋初级生产力、海洋碳循环和海洋生态环境等领域发挥了重要作用。目前业务化运行的星载水色传感器均采用被动光学遥感技术，利用海水组分对太阳光的吸收和散射特性，通过测量海面向上光谱辐射，获得海水固有光学参数IOPs以及叶绿素a浓度、颗粒有机碳POC浓度和颗粒无机碳PIC浓度、悬浮物SPM浓度生物地球化学参数。 激光雷达作为一种主动光学传感器，能够进一步提高空间全球海洋观测能力，已引起了海洋光学和水色遥感领域专家的极大兴趣。目前在轨运行的星载云-气溶胶激光雷达（CALIOP) 已显示出海洋探测的潜力。与被动水色传感器相比，星载海洋激光雷达具有获取垂直剖面数据和不受大气校正影响的优点，可以工作在白天和晚上，而且能覆盖太阳高度角较低的高纬度地区。由于光波在海水中传输时衰减速度很快，海水光学性质及激光波长会显著影响激光雷达的探测深度。 文中基于激光传输过程，根据激光雷达方程和给定的激光雷达参数，对星载海洋激光雷达探测全球海洋的最优波长
和最大探测深度进行了估算。 一、探测深度全球分布 利用表1所示的海洋激光雷达参数和MODIS年平均海洋光学参数数据，文中对星载激光雷达全球海洋探测深度进行了估算。发射激光参数的设定主要考虑了人眼安全阈值，并将不同波长的单脉冲能量设定为相同数值。考虑到大气透过率受气溶胶和云的影响较大，存在较大的不确定性，这并非文中讨论的重点，因此在计算过程中将单程大气透过率假设为0.8。背景光光谱辐亮度的数值在400～600nm的可见光范围内变化较小，因此计算过程中忽略了其随波长的变化。 表1中的背景光光谱辐亮度为太阳直射时的数值，计算时假定太阳直射赤道，并考虑背景光光谱辐亮度随纬度的变
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
大气探测激光雷达网络和星载激光雷达技术综述
大气探测激光雷达网络和星载激光雷达技术综述 摘要：大气探测激光雷达以精细的时空分辨率、髙探测精度和连续廓线数据获 取能力成为大气探测强有力的工具。通过激光雷达观测网络和星载激光雷达，可 以获得大空间尺度持续的四维大气信息，满足环境、气象和气候研究的需要。介 绍了目前存在的比较重要的激光雷达网络和航天强国的星载激光雷达计划。 关键词：大气激光雷达；网络化探测；星载探测；环境监测 引言 激光雷达具有精细的时间分辨率、优越的方向性和相干性、大的垂直探测跨度、高的探测精度和实时快速的数据获取能力，已经成为大气探测强有力的工具 可用来探测气瘠胶和云、温度、大气密度、水汽、臭氧、温室气体、风场、能见度、大气边界层等．激光雷达根据运载平台的不同，可分为地基式、车载式、船 载式、机载式、星载式激光雷达．单站的地基激光雷达、车载激光雷达、机载激 光雷达在观测范围方面都有一定的区域限制，难以进行全球范围的连续式观测。 但是在气候研究中，仅有局部的大气探测信息是远远不够的。为了适应全球气候 和环境变化对气象资料的空间分布和时间分布演变资料的迫切需求，在世界气象 组织、联合国环境署及区域性国际组织的倡导下，在全球范围内已经建立了一些 探测大气成分物理化学性质的四维分布的区域观测网络，现存比较重要的激光雷 达网包括：全球大气成分变化探测网、欧洲气溶胶研究激光雷达观测网、独联体 激光雷达网、亚洲沙尘激光雷达观测网、微脉冲激光雷达网、美国东部激光雷达 观测网等．而且，目前正在积极计划发展覆盖区域更广泛、观测内容更丰富、时 空分辨率更高的激光雷达观测网：全球大气气溶胶激光雷达观测网。 1激光雷达观测网 目前激光雷达观测网主要有：ＮＤＡＣＣ、ＥＡＲＬＩＮＥＴ、ＡＤ－ＮＥＴ、ＲＥＡＬＭ、ＭＰＬＮＥＴ、ＣＩＳ－ＬＩＮＥＴ等。激光雷达观测网可以 获得大面积的空间覆盖，获得区域和全球范围大气廊线探测数据。不同观测网成 员之间相互合作，可以对同一过程或事件（如沙尘事件、火山爆发和深林火灾等）进行不同时间、不同地点的综合观测，发现新的现象和机理。 1.1ＮＤＡＣＣ ＮＤＡＣＣ建立于１９９１年，由美国国家海洋与气候局ＮＯＡＡ的气象服 务中心和美国国家环境预报中心等组织创建，主要用于观测和研究对流层上部、 平流层、中间层的物理化学状态的变化，并评估这种变化对对流层下部以及全球 气候的影响。在这个探测网中，目前全球分布７０多个观测站点，其中有２１个 激光雷达站点，ＮＤＡＣＣ中有３０个地基激光雷达同时监测，其中有２６个分 别放在２１个激光雷达站点，另外４个在站点之间移动测量，用来验证和相互比较。主要的激光雷达技术包括瑞利散射测温技术、瑞利－拉曼散射测气溶胶和云 技术、差分吸收测臭氧技术，此外还有拉曼测水汽技术、拉曼测温技术、偏振－ 拉曼测云和气溶胶技术等。 1.2ＥＡＲＬＩＮＥＴ ＥＡＲＬＩＮＥＴ仓丨Ｊ建于２０００年，是第一个气溶胶激光雷达网，主 要目的是针对分布在欧洲大陆范围内的气溶胶提供一个全面的、定量的、具有统 计意义的数据库，监测和研究大气气溶胶的输送特征以及大气气溶胶对气候的影
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/8213554044.html,。
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）
无人机激光雷达扫描系统
Li-Air无人机激光雷达扫描系统 Li-Air无人机激光雷达扫描系统可以实时、动态、大量采集空间点云信息。根据用户不同应用需求可以选择多旋翼无人机、无人直升机和固定翼无人机平台，可快速获取高密度、高精度的激光雷达点云数据。 硬件设备 Li-Air无人机激光雷达系统可搭载多种类型扫描仪，包括Riegl, Optech, MDL, Velodyne等，同时集成GPS、IMU和自主研发的控制平台。 图1扫描仪、GPS、IMU、控制平台 无人机激光雷达扫描系统设备参数见表格1： 表格 1 Li-Air无人机激光雷达扫描系统 图2 八旋翼无人机激光雷达系统图3 固定翼无人机激光雷达系统 设备检校
公司提供完善的设备检较系统，在设备使用过程中，定期对系统的各个组件进行重新标定，以保证所采集数据的精度。 图1扫描仪检校前（左）扫描仪检校后（中）检校前后叠加图（右） 图4（左）为检校前扫描线：不连续且有异常抖动；图4（中）为检校后扫描线：数据连续且平滑变化；图4（右）为检校前后叠加图，红线标记的部分检校效果对比明显。 图5从左至右依次为校正前（侧视图）、校正后（侧视图）、叠加效果图图5（左）为检校前扫描线：不在同一平面；图4（中）为检校后扫描线：在同一平面；图4（右）为检校前后叠加图。 成熟的飞控团队 公司拥有成熟的软硬件团队以及经验丰富的飞控手，保证数据质量以及设备的安全性，大大节约了外业成本和时间。
图6无人机激光雷达系统以及影像系统 完善的数据预处理软件 公司自主研发的无人机系统配备有成套的激光雷达数据预处理软件Li-Air，该软件可对无人机实时传回的激光雷达数据进行航迹解算、数据生成、可视化等。 图7 Li-Air数据预处理功能 成功案例 2014年7月，本公司利用Li-Air无人机激光雷达扫描系统进行中关村软件园园区扫描项目，采集园区高清点云以及影像数据。飞行高度200m，点云密度约50点/平方米，影像地面分辨率为5cm。通过POS数据解算，完成对点云和影像数据的整合，得到地形信息和DOM等。
典型滤波器对星载高光谱分辨率激光雷达532 nm通道回波信号的影响
典型滤波器对星载高光谱分辨率激光雷达532nm 通道回波 信号的影响 余骁1，2，闵敏2，张兴赢2，孟晓阳2，邓小波1 (1.成都信息工程大学电子工程学院，四川成都610225； 2.中国气象局国家卫星气象中心，北京100081) 摘要：高光谱分辨率激光雷达(High Spectral Resolution Lidar ，HSRL)系统利用窄带滤波器将激光雷达回波信号中的大气粒子(云或气溶胶)散射和分子散射成分分开，提升了云或气溶胶光学特性的反演质量。提出了一种基于HSRL 探测原理的HSRL 回波信号模拟方法，其原理是利用CALIPSO 云/气溶胶消光系数产品和数值天气预报数据被用来仿真星载HSRL 532nm 回波信号。两种典型的窄带光谱滤波器：FPI(Fabry-P érot Interferometer)和碘吸收滤波器，作为分子通道滤波器的性能通过仿真的星载HSRL 回波信号进行分析。对三种典型：晴空、卷云、气溶胶(两层厚云)的HSRL 回波廓线进行详细的敏感分析表明碘分子吸收滤波器的性能明显优于FPI 滤波器，其中碘吸收滤波能保持可以忽略不计的相对偏差(＜4.0×10-3%)，这是由低光学厚度(＜1.0)的粒子后向散射效应引起的。但是，如果FPI 滤波器的粒子后向散射透过率能保持在10-3水平以下，其仍不失为是一个好的选择。 关键词：星载高光谱分辨率激光雷达； 仿真；回波信号；光谱滤波器中图分类号：TN958.98文献标志码：A DOI ：10.3788/IRLA201847.1230008 Effect of typical filters on return signals of spaceborne HRSL channel at 532nm Yu Xiao 1,2,Min Min 2,Zhang Xingying 2,Meng Xiaoyang 2,Deng Xiaobo 1 (1.College of Electronic Engineering,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China; 2.National Satellite Meteorological Center,China Meteorological Administration,Beijing 100081,China) Abstract:The future high spectral resolution lidar (HSRL)system employs a narrow spectral filter to separate the particulate (cloud/aerosol)and molecular scattering components in the lidar return signals,which improves the quality of the retrieved cloud/aerosol optical properties.A simulation method of HSRL return signal based on HSRL detection principle was presented.The principle was that the CALIPSO cloud/aerosol extinction coefficient product and numerical weather forecast data were used to simulate the spaceborne HSRL 532nm return signal.The performance of two typical spectral filters,i.e.,Fabry -P érot interferometric (FPI)and iodine absorption filters,were analyzed using the simulated spaceborne HSRL return signals when they used as spaceborne HSRL molecular channel filter.The 收稿日期：2018-07-05；修订日期：2018-08-03 基金项目：国家重点研发计划(2017YFB0504001，2016YFB0500705)；国家自然科学基金(41475032，41571348，41601400，41775028)作者简介：余骁(1992-)，男，硕士生，主要从事星载激光雷达方面的研究。Email:274779518@https://www.360docs.net/doc/8213554044.html, 导师简介：张兴赢(1978-)，男，研究员，博士，主要从事卫星大气成分遥感及其应用方面的研究。Email:zxy@https://www.360docs.net/doc/8213554044.html, 1230008-1第47卷第12期 红外与激光工程2018年12月Vol.47No.12Infrared and Laser Engineering Dec.2018 万方数据
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。
星载激光雷达高灵敏信号探测的关键技术研究
第４１卷 第６期２０１７年１１月 激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．６ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２０１７ 文章编号：１００１-３８０６（２０１７）０６-０８８１-０５ 星载激光雷达高灵敏信号探测的关键技术研究 武学英，崔健永，郑 伟，李 辰，郑永超 （北京空间机电研究所，北京１０００９４） 摘要：为了提高星载激光雷达探测灵敏度，采用高增益放大电路设计了探测电路，理论分析了探测概率、虚警率、信 噪比等指标的制约关系，对带宽、增益、阈值门限等参量进行优化设计，并进行了实验验证。结果表明，探测电路实现了 灵敏度９ｎＷ，探测概率９５％，虚警概率１０－５ ，相比国内同类产品有显著提高。这一结果对星载激光雷达的发展是有帮助的。 关键词：光电子学；灵敏度；高增益放大；星载；激光；阈值中图分类号：ＴＮ９５８．９８；ＴＮ２４７ 文献标志码：Ａ doi ：１０.７５１０／ｊｇｊｓ.ｉｓｓｎ.１００１-３８０６.２０１７.０６.０２３ Key technology on high -sensitivity detection in spaceborne laser radars WU Xueying ，CUI Jianyong ，ZHENG Wei ，LI Chen ，ZHENG Yongchao （ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ） Abstract ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆａｓｐａｃｅｂｏｒｎｅｌｉｄａｒ，ｈｉｇｈｇａｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓａｍｏｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，ｆａｌｓｅａｌａｒｍｒａｔｅ，ｓｉｇｎａｌ-ｔｏ-ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｏｔｈｅｒｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｇａｉｎ，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓａｌｓｏｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｉｓ９ｎＷ，ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｉｓ９５％，ａｎｄｔｈｅｆａｌｓｅ ａｌａｒｍｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｉｓ１０－５ ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｈａｓｂｅｅｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｉｓｈｅｌｐｆｕｌｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｐａｃｅｂｏｒｎｅｌｉｄａｒｓ． Key words ：ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ｈｉｇｈｇａｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ；ｌａｓｅｒ；ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ 作者简介：武学英（１９８６-），女，硕士，工程师，主要研究方 向为激光光电探测。 Ｅ-ｍａｉｌ：ｘｉａｏｗｕ８６５３＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０１６-１２-１５；收到修改稿日期：２０１７-０４-１３ 引 言 激光雷达在对地测绘、空间对抗、大气探测等领域发挥着重要作用，是快速发展的新兴观测手段。目前制约我国星载激光雷达发展的技术环节主要体现在：长寿命、高功率激光器的研制；高灵敏度探测接收电路的研制等。空间平台的激光雷达系统中，微弱信号探测电路是系统的核心功能单元。激光高灵敏度信号探测技术，可有效缓解激光器发射功率、大口径发射／接收光学系统的压力，提高系统的探测概率和可靠性等 性能指标［１-４］ 。 由于星载激光雷达作用距离远，回波能量微弱，需要高增益电路进行小信号放大，然后才可识别和处理，因此电路增益是探测接收电路的重要参量之一。此外，由于背景光辐射噪声，探测器噪声和放大电路噪声等各种噪声的影响，微弱回波信号极易被噪声淹没，因此在微弱信号放大的同时有效地抑制噪声，才能提高 电路输出信噪比，在保证探测概率的前提下降低接收系统的虚警率，满足系统应用指标需求。 本文中结合激光雷达方程的理论分析和工程实践，基于关键技术，研究了探测电路增益、带宽、阈值电压等参量的设计方法，并进行了降噪声抗干扰设计，最后进行了联调测试及分析。 1 应用背景和任务要求 本单元应用于某卫星的激光雷达系统，探测目标为远距离的空间飞行目标，最小照射截面面积为１ｍ２ 。其激光器为激光二极管（ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ，ＬＤ）抽运的全固态脉冲激光光源，激光工作波长１．０６４μｍ，采用脉冲工作体制。 据点目标激光雷达方程，目标回波信号的光功率为［５］： P ｒ＝τａ２ηｒρｔP ｔA ｔA ｒｃｏｓθπΩｔ４ （１）式中，τａ为激光在大气中的单程透射率，ηｒ为光学系统的效率，ρｔ为目标的反射率，P ｔ为发射机输出的激 光功率，A ｔ为垂直于光束的目标被照面积，A ｒ为光学系统的有效接收面积，θ为发射机的发射光学系统光 万方数据
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。
激光雷达
激光雷达技术课程报告 课程名称：激光雷达技术 班级：113121 姓名：张栋 学号：20121003790 专业：遥感科学与技术 日期: 2015 年1 月14 日
激光雷达在汽车产业和公路交通中的应用研究意义： 1.有效提高汽车的安全性能： 为保障汽车驾驶时的舒适性和安全性，世界各国对汽车防撞技术的研究和发展投入了大量的人力、物力和财力。据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30％，路面相关事故的50％，迎面撞车事故的60％，所以现代汽车安装各类雷达系统以保障行车安全。[1] 2.检测车身零部件的精度： 激光雷达的检测系统是有着诸多优点,其中包括高精度、适用能力强以及较高的可靠性,才能够飞速的发展。激光雷达的检测技术在汽车产业中可适用的项目种类较多。激光雷达系统能够用来测量较复杂位置的尺寸。例如可以测量汽车的凸轮轴、曲轴以及阀座等零部件的长度、直线度、垂直度和密度等。这些尺寸的分辨率可达到,重复的精度可达到0.2;am。 3.通过逆向设计，节约汽车生产成本： 激光雷达扫描系统的快速成型技术主要应用于样件汽车模型的制作和模具的幵发,这项技术能够较大的缩短新产品的幵发周期,降低了开发的成本,并且能够使新产品的市场竞争力得到了提高。还能够应用在汽车的零部件上,多用于分析和检验加工的工艺性能、装配性能、相关的工装模具以及测试运动特性、风洞实验和表达有限元分析结果的实体等。利用激光雷达的非接触式测量、高精度、检测速度快等特点,在汽车车身的三维检测和幵发设计过程中,激光雷达得到了广泛的应用。利用激光雷达测量得到车身的点云数据,对车身进行逆向设计,将点云数据进行预处理,然后进行曲线、曲面、实体模型的重构,最终实现车身模型重现的目的。[2] 研究现状： 一、车载激光雷达的发展历史： 20世纪60年代，以欧美和日本为代表的一些在汽车行业领先的发达国家进行研究汽车防撞雷达。由于当时技术水平的限制，加上汽车主动防御没被完全重视的原因，尽管掀起的这股研究高潮中各个研究机构和汽车制造商合作并有了一些成果，局限于微波理论和硬件的技术水平和硬件系统的成本问题，雷达很难做到结构简单、体积轻巧和价格低廉。加上车载雷达工作的环境恶劣、干扰因素较多，当时的防撞雷达研究并不很理想。