能見度激光雷達探測實驗的設計

方欣　夏海云　劉宇

摘? 要：針對培養激光雷達人才的需要，我們從中國科學技術大學地球和空間科學學院實驗教學中心的實際情況出發，詳細設計了能見度激光雷達探測實驗，包括激光雷達系統操作安全知識，能見度激光雷達系統結構和組成和能見度激光雷達基本原理和數據反演方法。通過該項實驗有利于學生掌握激光雷達的基本知識和培養基本動手操作能力，為學生將來進行更復雜的激光雷達系統科研工作打下堅實的基礎。

關鍵詞：激光雷達;能見度;探測實驗

中圖分類號：TN958.98 文獻標志碼：A 文章編號：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，國家在科學研究和教育方面的投入逐漸增加，空間探測是各大國競爭的重要方向，其對于了解鄰近空間環境極其重要。空間探測包含各個方面，包括衛星載荷高能粒子探測、空間磁場探測、電離層參數探測、大氣參數探測等等。近幾年來，我國在空間探測方面發展迅速，特別是激光遙感方面。激光遙感是進行大氣參數探測的重要手段，時空分辨率高的是激光遙感的特色，它可以彌補衛星探測、地基單點探測的不足。伴隨著激光技術的發展進步，激光雷達的發展由于雨后春筍，迎來井噴式發展。國內多家單位都大力推進激光雷達的研制，但側重方向各有不同，我們中國科學技術大學在中高層大氣激光探測發展方面在國內處于領先地位，至今，已研制了多臺用于中高層大氣參數探測的激光雷達系統，例如：雙波長瑞利-鈉激光雷達，用于探測30-70km高度大氣溫度和70-120km高度鈉原子密度[1];鈉測溫測風激光雷達，用于探測80-105km高度大氣溫度、風速和鈉原子密度[2];臭氧探測激光雷達，用于探測5-50km高度臭氧數密度的分布[3];瑞利測風激光雷達，用于探測15-60km高度大氣風場[4];1550nm紅外波段量子探測激光雷達，用于探測對流層大氣氣溶膠分布、風速和能見度等[5，6]。這些激光雷達的觀測結果一方面在中高層大氣動力學和氣候研究中發揮著重要作用，另一方面，在研究生培養教育方面發揮著關鍵作用。

激光雷達是一種先進的光學遙感設備，從硬件系統組成方面來說，它是一種集光學、電子學、機械和控制于一體的綜合型探測設備，整個系統結構復雜，涉及的知識面廣，要掌握激光雷達系統中關鍵內容，對于學生能力要求比較高。在實際科學研究過程中，我們發現通常一名研究生新生至少需要培訓1-2年才能對激光雷達系統熟悉，然后可以上手進行相關的實驗操作，否則會經常出現實驗錯誤，導致關鍵設備的損壞，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，激光雷達的高速發展需要更多的這方面的人才，作為一所雙一流建設高校，我們應在激光遙感人才培養上走在前列并發揮好引領作用。

中國科學技術大學地球和空間科學實驗教學中心成立于2004年，是學院教學研究的重要組成部分之一。2012年申請并獲批為省級實驗教學示范中心建設單位。實驗教學中心分為物理型和化學型2個分中心。物理型分中心服務于固體地球物理、空間物理、大氣物理三個專業的本科生和研究生實驗教學。化學型分中心服務于地球化學，環境科學兩個專業的本科生和研究生教學。空間物理專業開設的實驗課程為空間探測實驗課程。主要目的為培養學生了解用于研究空間物理問題的主要儀器設備的工作原理，實際操作過程，及設備所采集數據的處理方法。近年來，我們地球和空間科學學院自主研制了各種類型的空間物理研究設備，包括空間載荷高能粒子探測裝置，空間等離子體診斷裝置和激光雷達系統。其中激光雷達是我們學院進行科學研究的重要設備，都等到研究生階段再培養學生對其了解和動手操作基本能力，浪費了寶貴的研究生期間的科研時間。因此，我們提出把激光雷達探測實驗作為實驗中心需要開設的重點實驗。但是，用于科研的激光雷達設備系統組成相對復雜，對于沒有激光雷達基礎的學生來說不易掌握。在復雜的科研激光雷達系統上直接進行實驗不切實際。為此，我們有必要設計一種簡單的激光雷達的探測實驗，一方面既包含了常見激光雷達所需的基本知識，另一方面系統結構又不是很復雜，便于低年級的學生掌握理解。我們提出能見度激光雷達探測實驗作為本科生或低年級研究生實驗的重要部分。因此，本文從實驗教學中心基本情況出發，詳細介紹能見度激光雷達探測實驗的設計，逐步介紹該探測實驗的關鍵知識點的開展，最后給出對實驗開展的未來發展的改進方向。

2 能見度激光雷達實驗設計

對于沒有任何激光雷達知識基礎的學生來說，實驗課是幫助他們了解激光雷達基本知識的重要途徑。下面我們將針對能見度激光雷達系統完成實驗設計，圖1給出能見度激光雷達探測實驗的設計框圖，主要分為三大部分教授同學們激光雷達探測實驗的知識點。

第一部分，激光雷達系統操作安全知識。這是進行能見度激光雷達探測實驗之前必須掌握的重點知識，這不僅關乎儀器的安全，更關乎做實驗的同學人員安全。激光雷達系統是光機電一體化的設備，系統中用到的激光器會輸出激光功率很高，單脈沖峰值功率高達MW量級，如果不小心打到人員人眼上或皮膚上，會造成不可恢復性傷害。因此，需告誡同學們在實驗前帶上防護鏡，實驗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。激光雷達需要用到220V強電，操作人員需注意電力安全。激光雷達設備中的各個部件都非常昂貴，對于每個部件都必須按照規程進行操作，操作不當會直接導致設備的損壞，實驗無法開展。系統接線需小心謹慎，反復確認，注意正負極和火線零線。先開制冷，預熱足夠時間的情況下，才開始打開設備。不能隨意觸碰脆弱的電子學設備，防止靜電擊壞。身體部位不能隨意觸碰光學器件的表面，造成光學表面污染。

第二部分，能見度激光雷達系統硬件組成。能見度激光雷達系統組成簡化示意和實物分別如圖2和圖3所示，系統包含三大部分：發射機，接收機和采集控制部分。其中發射機由激光光源，擴束鏡和發射耦合光路組成。能見度激光雷達系統激光光源是由激光器實現，廣泛用于能見度探測激光器是532nm激光器。激光器的關鍵指標有激光波長，激光發散角，激光能量，功率穩定性，指向穩定性等等。532nm激光是Nd：YAG激光器二倍頻產生，倍頻晶體的效率是影響系統發射能量的高低，通常需在觀測前優化倍頻晶體效率達到最大。擴束鏡在激光雷達系統中起到降低功率密度和改善激光發散角的作用，其常見結構類型有反射式擴束鏡、伽利略透射式擴束鏡和開普勒透射式擴束鏡反射式擴束鏡沒有色差，不受波長的影響，但安裝調整難度比較大。伽利略透射式擴束鏡體積小，調整安裝方便，被廣泛使用。開普勒透射式擴束鏡在中間位置由實焦點，可以在焦點處增加小孔改善光斑，但高能量時容易擊穿空氣，且相同倍數下體積比伽利略式大，安裝調整方便。擴束鏡倍數由目鏡和出射鏡的焦距確定，擴束的倍數決定了擴束后的發散角和擴束后的光斑大小。調整和檢測擴束鏡是否到最優指標的直接方法是在調整過程中測量近處和遠場光斑大小。發射耦合光路的由一系列反射鏡和光束分離部件組成，如何通過調整耦合光路改變光束的指向，從而使得發射光軸和接收光軸一致，這是激光雷達實驗獲取有效回波信號的關鍵一環，這里涉及了光束發散角和后面接收視場角的概念理解。接收機主要組成包括接收望遠鏡，后繼光路和光電探測。常見的望遠鏡結構類型有透射式望遠鏡，牛頓反射式望遠鏡和卡塞格林反射式望遠鏡。望遠鏡的反射或投射效率，工作波長，面型精度和焦距是關鍵的參數。望遠鏡的接收視場的是激光雷達的重要概念，表示了望遠鏡接收回波信號的立體角范圍，其可由望遠鏡焦點處設置的小孔光闌除以望遠鏡焦距來確定。調節望遠鏡的接收視場通過調整小孔光闌的大小來實現。望遠鏡回波信號可通過空間直接傳輸和光纖傳輸兩種方式耦合到后續光路中（后繼光路）。后繼光路的主要作用是對望遠鏡接收的回波信號進行耦合過渡到光電探測并對背景信號，常見的耦合光路結構，背景信號抑制的關鍵器件及其基本原理是需要了解的基本內容。光電探測主要完成對光回波信號的轉換，將光信號轉換成電信號，從而可以供后續采集裝置進行采集。常見的光電探測器有光電倍增管，雪崩光電二極管和電荷耦合器件（CCD），不同的探測器工作波段和適用范圍有所不同。采集控制部分完成對激光雷達回波信號的采集和對整個激光雷達系統的協同控制。激光雷達的采集方式可分為兩大類，一類是模擬采集，一類是光子計數采集。這兩種方式如何進行距離分辨探測的是需重點掌握的內容。兩種方式常用的器件是采集卡和光子計數卡。采集裝置的信號由計算機記錄到存儲磁盤介質上。能見度激光雷達系統設計的控制主要包括時序的控制，同學們應了解激光雷達系統的工作時序關系，包括激光器的閃光燈信號，激光器的Q開關信號，光脈沖信號和采集裝置的觸發信號的工作關系。

第三部分，能見度激光雷達數據反演方法。在進行數據反演之前，我們必須使學生先對能見度激光雷達的基本原理充分了解。能見度激光雷達的基本工作原理如下：

能見度激光雷達基于光的米（Mie）散射理論，系統向大氣中發射532nm激光，當與激光作用的粒子尺度大于0.1時，激光與大氣中粒子相互作用的散射光認為是米散射，米散射信號為各個方向，由光學望遠鏡接收大氣粒子后向散射回波信號，根據Klett積分方法反演獲得大氣消光系數。激光雷達接收的回波信號光子數可表示為：

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

為大氣雙程透過率。

上述激光雷達存在兩個未知量，消光系數量和后向散射系數量，如何求解激光雷達方程是激光雷達探測大氣參數的關鍵。為求解以上方程，前人的研究結果上表明，后向散射系數和消光系數存在以下指數關系，

其中k為與氣溶膠粒子和激光波長有光的常數，一般情況下0.67≤k≤1。在波長為532nm時，k可取1。系數常數可取為50。Klett給出消光系數的后向積分表達式為：

以上是激光雷達測量大氣能見度的基本原理。激光雷達采集到的回波信號是經過轉換后存儲到文件中的數字化的信號。通常文件信息中包含系統參數信息，高度信息，和對應高度的回波信號數值。回波信號中既包含有用的回波信號，也包含有各種背景噪聲，如天空背景噪聲，探測器暗電流噪聲和電路噪聲。因此，在進行數據反演之前，需進行回波信號的預處理。這里學生應掌握預處理的基本步驟，包括回波信號的時間和空間積分，扣背景處理，和數據平滑。時間積分主要是在時間上進行累加或平均，空間上積分主要是按照一定距離范圍進行累加或平均處理。扣背景處理可選取回波信號文件中較遠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。數據平滑是對回波信號的噪聲起伏進行平滑，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，學生們可自行實驗各種濾波方法，比較各種平滑方法的區別和優缺點。在進行數據平滑之后，有公式（2）計算得到消光系數。再根據公式（3）計算得到能見度。

3 結束語

本文根據中國科學技術大學地球和空間科學學院教學科研發展需要，從實驗教學中心的基本情況出發，詳細進行了能見度激光雷達探測實驗的設計。實驗從激光雷達操作安全知識、激光雷達系統組成和能見度激光雷達反演方法三個方面，逐點詳細描述實驗過程中所涉及的關鍵注意事項、硬件知識和理論知識。著重介紹了能見度激光雷達的發射機、接收機和采集控制部分的主要部件，能見度激光雷達的基本原理，回波信號的預處理，消光系數反演方法，根據消光系數計算能見度方法。能見度激光雷達系統是一種昂貴的光學系統，在實際的激光雷達系統上進行實驗操作耗材成本很高，也缺乏容錯能力，下一步我們將考慮將虛擬現實技術引入激光雷達探測實驗中，學生們先在虛擬環境完成能見度激光雷達探測實驗的各項操作，然后再進行實物儀器的實驗操作。

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