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大气激光雷达

激光雷达介绍

工作在红外和可见光波段的,以激光为工作光束的雷达称为激光雷达。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成,激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去,光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲,送到显示器。激光雷达的作用是能精确测量目标位置(距离和角度)、运动状态(速度、振动和姿态)和形状,探测、识别、分辨和跟踪目标。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。


大气激光雷达介绍

大气激光雷达顾名思义就是通过使用激光雷达来实现对大气的探测。国外通过激光雷达对大气进行检测开展的比较早,目前已建有多个激光雷达观测站,其中包括意大利那不勒斯观测站、美国激光雷达观测站、印度尼西亚斯马特拉岛观测站等。其中,美国对空基激光雷达在大气检测方面的应用较为成熟,1994 9 月,美国利用发现号航天飞机搭载激光雷达发射成功,完成了世界上第一次激光雷达空间技术实验(Lidar Inspace Technology ExperienceLITE);又于2000年后发射了五颗搭载激光雷达仪器的卫星,为地球科学提供了大量的相关数据。俄罗斯研制了一种远距离地面的激光雷达毒气报警系统,这一系统是通过对气溶胶的特性研究获得的,通过对化学毒剂的实时探测,从而确定毒剂气溶胶云的离地高度、中心厚度以及斜距离等相关参数,从而为人们提供预警。此外,德国也研制出了一种可发出40 个不同频率激光的连续波CO2 激光雷达,可识别和探测9~11 μm 波段光谱能量的化学战剂,可为大气环境的检测提供有效的数据。与此同时,国内对激光雷达的应用和研究也在迅猛发展,20 世纪六七十年代,中国科学院大气物理所在周秀骥院士、吕达仁院士、赵燕曾研究员等主持下成功研制出了我国第一台米散射激光雷达,同时开展了有关云和气溶胶特性的探测工作。随着激光雷达在大气检测方面应用的不断发展,目前我国已经建立 12个沙尘暴长期观测站。随着应用的不断扩大,国内已有许多单位开始运用激光雷达系统进行大气参数的探测研究,如安徽光学精密机械研究所、中国海洋大学、中国科学技术大学、上海光学精密机械研究所、武汉大学、兰州大学等。像国内某大气颗粒物监测激光雷达就采用波长532 nm线偏振激光对大气颗粒物进行遥感探测。雷达通过对532 nm垂直和水平偏振信号的探测,解析大气消光系数、退偏振比廓线、边界层高度、光学厚度等参数,进而可获取大气颗粒物时空分布特征、污染层时空变化、颗粒物输送和沉降等信息。


激光雷达监测环境大气的工作原理

   激光器发射激光脉冲,与大气中的气溶胶及各种成分作用后产生后向散射信号,系统中的探测器接收回波信号,并对其进行处理分析,从而得到所需的大气物理要素,具体原理如下图所示。

数据采集卡需求

l  采样率:20MS/s-60MS/s

l  精度:16bit

l  通道数:2-4通道;

l  数据需累加平均;

l  支持多次触发,连续存储;

l  需持续运行,产品要求稳定可靠

解决方案

   激光雷达需要长期实时监测,对采集卡性能稳定性、功耗、同步性能、通道数、信噪比要求都比较高。Spectrumm2i.49系列采集卡刚好符合激光雷达应用要求,该系列卡采样率最高能到60MS/s,最多支持8通道同步采集,精度为16bit,相比市面上大多数12bit14bit采集卡,能分辨出更细腻的信号,同时,该采集卡自身信噪比水平控制得非常好。这都是Spectrum数据采集卡非常适合大气激光雷达应用的一个重要原因。