方欣　夏海云　劉宇

摘? 要：針對(duì)培養(yǎng)激光雷達(dá)人才的需要，我們從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的實(shí)際情況出發(fā)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了能見度激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，包括激光雷達(dá)系統(tǒng)操作安全知識(shí)，能見度激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成和能見度激光雷達(dá)基本原理和數(shù)據(jù)反演方法。通過該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生掌握激光雷達(dá)的基本知識(shí)和培養(yǎng)基本動(dòng)手操作能力，為學(xué)生將來進(jìn)行更復(fù)雜的激光雷達(dá)系統(tǒng)科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá);能見度;探測(cè)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TN958.98 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0109-04

Abstract： Aiming at the needs of training LiDAR talents， we design the visibility LiDAR detection experiment from the actual situation of the experimental teaching center of the School of Earth and Space Sciences of the University of Science and Technology of China， including the knowledge of LiDAR operation safety， system structure and composition of visibility LiDAR， basic detection principle and data inversion methods. It is beneficial for students to master the basic knowledge of LiDAR and train the hands-on ability， as well as to lay a solid foundation for students carrying out research work of complex LiDAR system in the future.

Keywords： LiDAR; visibility; detection experiment

1 概述

隨著綜合國力的提升，國家在科學(xué)研究和教育方面的投入逐漸增加，空間探測(cè)是各大國競(jìng)爭(zhēng)的重要方向，其對(duì)于了解鄰近空間環(huán)境極其重要?？臻g探測(cè)包含各個(gè)方面，包括衛(wèi)星載荷高能粒子探測(cè)、空間磁場(chǎng)探測(cè)、電離層參數(shù)探測(cè)、大氣參數(shù)探測(cè)等等。近幾年來，我國在空間探測(cè)方面發(fā)展迅速，特別是激光遙感方面。激光遙感是進(jìn)行大氣參數(shù)探測(cè)的重要手段，時(shí)空分辨率高的是激光遙感的特色，它可以彌補(bǔ)衛(wèi)星探測(cè)、地基單點(diǎn)探測(cè)的不足。伴隨著激光技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，激光雷達(dá)的發(fā)展由于雨后春筍，迎來井噴式發(fā)展。國內(nèi)多家單位都大力推進(jìn)激光雷達(dá)的研制，但側(cè)重方向各有不同，我們中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在中高層大氣激光探測(cè)發(fā)展方面在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，至今，已研制了多臺(tái)用于中高層大氣參數(shù)探測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，例如：雙波長(zhǎng)瑞利-鈉激光雷達(dá)，用于探測(cè)30-70km高度大氣溫度和70-120km高度鈉原子密度[1];鈉測(cè)溫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，用于探測(cè)80-105km高度大氣溫度、風(fēng)速和鈉原子密度[2];臭氧探測(cè)激光雷達(dá)，用于探測(cè)5-50km高度臭氧數(shù)密度的分布[3];瑞利測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，用于探測(cè)15-60km高度大氣風(fēng)場(chǎng)[4];1550nm紅外波段量子探測(cè)激光雷達(dá)，用于探測(cè)對(duì)流層大氣氣溶膠分布、風(fēng)速和能見度等[5，6]。這些激光雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果一方面在中高層大氣動(dòng)力學(xué)和氣候研究中發(fā)揮著重要作用，另一方面，在研究生培養(yǎng)教育方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

激光雷達(dá)是一種先進(jìn)的光學(xué)遙感設(shè)備，從硬件系統(tǒng)組成方面來說，它是一種集光學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械和控制于一體的綜合型探測(cè)設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的知識(shí)面廣，要掌握激光雷達(dá)系統(tǒng)中關(guān)鍵內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生能力要求比較高。在實(shí)際科學(xué)研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)通常一名研究生新生至少需要培訓(xùn)1-2年才能對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)熟悉，然后可以上手進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，否則會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致關(guān)鍵設(shè)備的損壞，例如幾萬到幾百萬的激光器等，甚者影響人生安全，例如燒傷肌膚，打壞眼睛，傷害和損失巨大。然而，激光雷達(dá)的高速發(fā)展需要更多的這方面的人才，作為一所雙一流建設(shè)高校，我們應(yīng)在激光遙感人才培養(yǎng)上走在前列并發(fā)揮好引領(lǐng)作用。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成立于2004年，是學(xué)院教學(xué)研究的重要組成部分之一。2012年申請(qǐng)并獲批為省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)單位。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心分為物理型和化學(xué)型2個(gè)分中心。物理型分中心服務(wù)于固體地球物理、空間物理、大氣物理三個(gè)專業(yè)的本科生和研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)?；瘜W(xué)型分中心服務(wù)于地球化學(xué)，環(huán)境科學(xué)兩個(gè)專業(yè)的本科生和研究生教學(xué)?？臻g物理專業(yè)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程為空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)課程。主要目的為培養(yǎng)學(xué)生了解用于研究空間物理問題的主要儀器設(shè)備的工作原理，實(shí)際操作過程，及設(shè)備所采集數(shù)據(jù)的處理方法。近年來，我們地球和空間科學(xué)學(xué)院自主研制了各種類型的空間物理研究設(shè)備，包括空間載荷高能粒子探測(cè)裝置，空間等離子體診斷裝置和激光雷達(dá)系統(tǒng)。其中激光雷達(dá)是我們學(xué)院進(jìn)行科學(xué)研究的重要設(shè)備，都等到研究生階段再培養(yǎng)學(xué)生對(duì)其了解和動(dòng)手操作基本能力，浪費(fèi)了寶貴的研究生期間的科研時(shí)間。因此，我們提出把激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)中心需要開設(shè)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。但是，用于科研的激光雷達(dá)設(shè)備系統(tǒng)組成相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于沒有激光雷達(dá)基礎(chǔ)的學(xué)生來說不易掌握。在復(fù)雜的科研激光雷達(dá)系統(tǒng)上直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不切實(shí)際。為此，我們有必要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的激光雷達(dá)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，一方面既包含了常見激光雷達(dá)所需的基本知識(shí)，另一方面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又不是很復(fù)雜，便于低年級(jí)的學(xué)生掌握理解。我們提出能見度激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)作為本科生或低年級(jí)研究生實(shí)驗(yàn)的重要部分。因此，本文從實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心基本情況出發(fā)，詳細(xì)介紹能見度激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，逐步介紹該探測(cè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的開展，最后給出對(duì)實(shí)驗(yàn)開展的未來發(fā)展的改進(jìn)方向。

2 能見度激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于沒有任何激光雷達(dá)知識(shí)基礎(chǔ)的學(xué)生來說，實(shí)驗(yàn)課是幫助他們了解激光雷達(dá)基本知識(shí)的重要途徑。下面我們將針對(duì)能見度激光雷達(dá)系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，圖1給出能見度激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)框圖，主要分為三大部分教授同學(xué)們激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)。

第一部分，激光雷達(dá)系統(tǒng)操作安全知識(shí)。這是進(jìn)行能見度激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)之前必須掌握的重點(diǎn)知識(shí)，這不僅關(guān)乎儀器的安全，更關(guān)乎做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)人員安全。激光雷達(dá)系統(tǒng)是光機(jī)電一體化的設(shè)備，系統(tǒng)中用到的激光器會(huì)輸出激光功率很高，單脈沖峰值功率高達(dá)MW量級(jí)，如果不小心打到人員人眼上或皮膚上，會(huì)造成不可恢復(fù)性傷害。因此，需告誡同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)前帶上防護(hù)鏡，實(shí)驗(yàn)過程中不能直視激光方向，身體的任何部位不能在激光傳播方向穿過。激光雷達(dá)需要用到220V強(qiáng)電，操作人員需注意電力安全。激光雷達(dá)設(shè)備中的各個(gè)部件都非常昂貴，對(duì)于每個(gè)部件都必須按照規(guī)程進(jìn)行操作，操作不當(dāng)會(huì)直接導(dǎo)致設(shè)備的損壞，實(shí)驗(yàn)無法開展。系統(tǒng)接線需小心謹(jǐn)慎，反復(fù)確認(rèn)，注意正負(fù)極和火線零線。先開制冷，預(yù)熱足夠時(shí)間的情況下，才開始打開設(shè)備。不能隨意觸碰脆弱的電子學(xué)設(shè)備，防止靜電擊壞。身體部位不能隨意觸碰光學(xué)器件的表面，造成光學(xué)表面污染。

第二部分，能見度激光雷達(dá)系統(tǒng)硬件組成。能見度激光雷達(dá)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)化示意和實(shí)物分別如圖2和圖3所示，系統(tǒng)包含三大部分：發(fā)射機(jī)，接收機(jī)和采集控制部分。其中發(fā)射機(jī)由激光光源，擴(kuò)束鏡和發(fā)射耦合光路組成。能見度激光雷達(dá)系統(tǒng)激光光源是由激光器實(shí)現(xiàn)，廣泛用于能見度探測(cè)激光器是532nm激光器。激光器的關(guān)鍵指標(biāo)有激光波長(zhǎng)，激光發(fā)散角，激光能量，功率穩(wěn)定性，指向穩(wěn)定性等等。532nm激光是Nd：YAG激光器二倍頻產(chǎn)生，倍頻晶體的效率是影響系統(tǒng)發(fā)射能量的高低，通常需在觀測(cè)前優(yōu)化倍頻晶體效率達(dá)到最大。擴(kuò)束鏡在激光雷達(dá)系統(tǒng)中起到降低功率密度和改善激光發(fā)散角的作用，其常見結(jié)構(gòu)類型有反射式擴(kuò)束鏡、伽利略透射式擴(kuò)束鏡和開普勒透射式擴(kuò)束鏡反射式擴(kuò)束鏡沒有色差，不受波長(zhǎng)的影響，但安裝調(diào)整難度比較大。伽利略透射式擴(kuò)束鏡體積小，調(diào)整安裝方便，被廣泛使用。開普勒透射式擴(kuò)束鏡在中間位置由實(shí)焦點(diǎn)，可以在焦點(diǎn)處增加小孔改善光斑，但高能量時(shí)容易擊穿空氣，且相同倍數(shù)下體積比伽利略式大，安裝調(diào)整方便。擴(kuò)束鏡倍數(shù)由目鏡和出射鏡的焦距確定，擴(kuò)束的倍數(shù)決定了擴(kuò)束后的發(fā)散角和擴(kuò)束后的光斑大小。調(diào)整和檢測(cè)擴(kuò)束鏡是否到最優(yōu)指標(biāo)的直接方法是在調(diào)整過程中測(cè)量近處和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑大小。發(fā)射耦合光路的由一系列反射鏡和光束分離部件組成，如何通過調(diào)整耦合光路改變光束的指向，從而使得發(fā)射光軸和接收光軸一致，這是激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)獲取有效回波信號(hào)的關(guān)鍵一環(huán)，這里涉及了光束發(fā)散角和后面接收視場(chǎng)角的概念理解。接收機(jī)主要組成包括接收望遠(yuǎn)鏡，后繼光路和光電探測(cè)。常見的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)類型有透射式望遠(yuǎn)鏡，牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡和卡塞格林反射式望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡的反射或投射效率，工作波長(zhǎng)，面型精度和焦距是關(guān)鍵的參數(shù)。望遠(yuǎn)鏡的接收視場(chǎng)的是激光雷達(dá)的重要概念，表示了望遠(yuǎn)鏡接收回波信號(hào)的立體角范圍，其可由望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)處設(shè)置的小孔光闌除以望遠(yuǎn)鏡焦距來確定。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的接收視場(chǎng)通過調(diào)整小孔光闌的大小來實(shí)現(xiàn)。望遠(yuǎn)鏡回波信號(hào)可通過空間直接傳輸和光纖傳輸兩種方式耦合到后續(xù)光路中（后繼光路）。后繼光路的主要作用是對(duì)望遠(yuǎn)鏡接收的回波信號(hào)進(jìn)行耦合過渡到光電探測(cè)并對(duì)背景信號(hào)，常見的耦合光路結(jié)構(gòu)，背景信號(hào)抑制的關(guān)鍵器件及其基本原理是需要了解的基本內(nèi)容。光電探測(cè)主要完成對(duì)光回波信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而可以供后續(xù)采集裝置進(jìn)行采集。常見的光電探測(cè)器有光電倍增管，雪崩光電二極管和電荷耦合器件（CCD），不同的探測(cè)器工作波段和適用范圍有所不同。采集控制部分完成對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)的采集和對(duì)整個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的協(xié)同控制。激光雷達(dá)的采集方式可分為兩大類，一類是模擬采集，一類是光子計(jì)數(shù)采集。這兩種方式如何進(jìn)行距離分辨探測(cè)的是需重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。兩種方式常用的器件是采集卡和光子計(jì)數(shù)卡。采集裝置的信號(hào)由計(jì)算機(jī)記錄到存儲(chǔ)磁盤介質(zhì)上。能見度激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制主要包括時(shí)序的控制，同學(xué)們應(yīng)了解激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作時(shí)序關(guān)系，包括激光器的閃光燈信號(hào)，激光器的Q開關(guān)信號(hào)，光脈沖信號(hào)和采集裝置的觸發(fā)信號(hào)的工作關(guān)系。

第三部分，能見度激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演方法。在進(jìn)行數(shù)據(jù)反演之前，我們必須使學(xué)生先對(duì)能見度激光雷達(dá)的基本原理充分了解。能見度激光雷達(dá)的基本工作原理如下：

能見度激光雷達(dá)基于光的米（Mie）散射理論，系統(tǒng)向大氣中發(fā)射532nm激光，當(dāng)與激光作用的粒子尺度大于0.1時(shí)，激光與大氣中粒子相互作用的散射光認(rèn)為是米散射，米散射信號(hào)為各個(gè)方向，由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收大氣粒子后向散射回波信號(hào)，根據(jù)Klett積分方法反演獲得大氣消光系數(shù)。激光雷達(dá)接收的回波信號(hào)光子數(shù)可表示為：

其中，P0為發(fā)射激光功率，τ為激光脈沖寬度，c為光速，λ為發(fā)射激光波長(zhǎng)，ΔR為回波信號(hào)積分距離，R為距離，A為望遠(yuǎn)鏡接收面積，O（R）為距離R處的充填系數(shù)，β（R，λ）為后向散射系數(shù)，η為發(fā)射接收效率，α（r）為消光系數(shù)，

為大氣雙程透過率。

上述激光雷達(dá)存在兩個(gè)未知量，消光系數(shù)量和后向散射系數(shù)量，如何求解激光雷達(dá)方程是激光雷達(dá)探測(cè)大氣參數(shù)的關(guān)鍵。為求解以上方程，前人的研究結(jié)果上表明，后向散射系數(shù)和消光系數(shù)存在以下指數(shù)關(guān)系，

其中k為與氣溶膠粒子和激光波長(zhǎng)有光的常數(shù)，一般情況下0.67≤k≤1。在波長(zhǎng)為532nm時(shí)，k可取1。系數(shù)常數(shù)可取為50。Klett給出消光系數(shù)的后向積分表達(dá)式為：

以上是激光雷達(dá)測(cè)量大氣能見度的基本原理。激光雷達(dá)采集到的回波信號(hào)是經(jīng)過轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到文件中的數(shù)字化的信號(hào)。通常文件信息中包含系統(tǒng)參數(shù)信息，高度信息，和對(duì)應(yīng)高度的回波信號(hào)數(shù)值?；夭ㄐ盘?hào)中既包含有用的回波信號(hào)，也包含有各種背景噪聲，如天空背景噪聲，探測(cè)器暗電流噪聲和電路噪聲。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)反演之前，需進(jìn)行回波信號(hào)的預(yù)處理。這里學(xué)生應(yīng)掌握預(yù)處理的基本步驟，包括回波信號(hào)的時(shí)間和空間積分，扣背景處理，和數(shù)據(jù)平滑。時(shí)間積分主要是在時(shí)間上進(jìn)行累加或平均，空間上積分主要是按照一定距離范圍進(jìn)行累加或平均處理。扣背景處理可選取回波信號(hào)文件中較遠(yuǎn)處無有效回波的一段距離平均值作為背景扣除，消除背景偏移的影響。數(shù)據(jù)平滑是對(duì)回波信號(hào)的噪聲起伏進(jìn)行平滑，平滑方法很多，包括三角形濾波方法，矩形濾波方法，漢寧窗濾波方法和小波濾波方法等等，學(xué)生們可自行實(shí)驗(yàn)各種濾波方法，比較各種平滑方法的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑之后，有公式（2）計(jì)算得到消光系數(shù)。再根據(jù)公式（3）計(jì)算得到能見度。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院教學(xué)科研發(fā)展需要，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的基本情況出發(fā)，詳細(xì)進(jìn)行了能見度激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)從激光雷達(dá)操作安全知識(shí)、激光雷達(dá)系統(tǒng)組成和能見度激光雷達(dá)反演方法三個(gè)方面，逐點(diǎn)詳細(xì)描述實(shí)驗(yàn)過程中所涉及的關(guān)鍵注意事項(xiàng)、硬件知識(shí)和理論知識(shí)。著重介紹了能見度激光雷達(dá)的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和采集控制部分的主要部件，能見度激光雷達(dá)的基本原理，回波信號(hào)的預(yù)處理，消光系數(shù)反演方法，根據(jù)消光系數(shù)計(jì)算能見度方法。能見度激光雷達(dá)系統(tǒng)是一種昂貴的光學(xué)系統(tǒng)，在實(shí)際的激光雷達(dá)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作耗材成本很高，也缺乏容錯(cuò)能力，下一步我們將考慮將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生們先在虛擬環(huán)境完成能見度激光雷達(dá)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)操作，然后再進(jìn)行實(shí)物儀器的實(shí)驗(yàn)操作。

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