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 年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 Experience，LITE）；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，目前我国已经建立了 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。Spectrum的m2i.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12bit或14bit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。