大气探测激光雷达技术发展综述_董宗戈.pdf

收稿日期：2022-09-22第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022激光雷达，即通过激光器发射激光束来搜集目标物体的散射光特性，从而实现对目标物体相关的参数探测。经过几十年的发展，当前激光雷达已广泛应用于地质测绘、军事测量、医学应用、大气监测与观测等多领域。作为气候学和天气学的重要研究内容，大气是人类赖以生存的重要环境之一，时刻影响着与人类相关的日常生活，因此对大气的准确探测尤为重要。其中，大气气溶胶、温湿度、风场、温室气体及污染气体是探测中必不可少的重要参数之一。在大气探测中，与普通微波雷达相比，激光雷达具有连续探测时间长、测量精度高、时空分辨率高等优势，因此受到科研人员的极大关注1。1激光雷达发展历史激光雷达技术从整体性能上来看，历经了从简至繁、由基础功能到复杂测量的过程。发展大体可分为四个阶段：第一阶段为基础激光雷达测距，即通过点对点的激光雷达实现测距功能；第二阶段为激光雷达跟踪测量，即通过激光雷达实现导弹初始阶段的跟踪；第三阶段为激光雷达相干检测测量，即通过激光雷达增强测速能力；第四阶段为激光雷达大气散射测量，即通过激光雷达实现风速、气象、地形等较为复杂测量2。1.1国外发展概况国外激光雷达相关技术研究起步较早，成果较为丰富，以美国、德国、加拿大为首的西方国家引领该领域的发展。最早的激光雷达相关研究工作由美国开展。20世纪60年代中期，美国伯金艾莫尔公司研制出世 激光技术 大气探测激光雷达技术发展综述董宗戈1，邓凯2，蔡旺3（1.空军装备部信息保障室，北京；2.空军装备部驻北京地区军事代表局驻天津地区第三军事代表室，天津；3.中国电子科技集团公司光电研究院，天津）摘要：激光雷达自问世以来，在各个领域都展现出重要的作用。首先，回顾了激光雷达技术的发展历程。随后，阐述了激光雷达的基本工作原理，并列举了在大气探测中的应用现状。最后，指出了当前激光雷达技术的存在问题并展望了未来发展。关键词：激光雷达；大气探测；应用中图分类号：TN249文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0053-05Summary of Laser Radar Technology Development for Atmospheric DetectionDONG Zongge1,DENG Kai2,CAI Wang3(1.Air Force Armament Information Support Room,Beijing,China;2.The Third Military Representative Office of the Military Representative Bureau of The Air Force ArmamentsDepartment in Beijing in Tianjin,Tianjin,China;3.Academy of Opto-Electronics,China Electronics Technology Group Corporation(AOE CETC),Tianjin,China)Abstract:Laser radar has played an important role in various fields since it came into being.At first,the development course of laser radar technology is reviewed.And then,the basic working principle is expounded,and theapplications in the atmospheric sounding are listed.At last,the technology problems of laser radar are pointed out,and the development is prospected.Key words:laser radar;atmospheric sounding;application光电技术应用第37卷界上第一台基于 He-Ne 激光器的跟踪测量雷达。该型激光雷达基于时间飞行原理，其测距误差达0.6 m，测角误差为0.l mrad，主要用于武器装备测试结果的测量3。1969年7月，美国首次登月过程中，通过人造卫星激光测距机精确地测出地球测点与月球上反射器之间的距离。1970年，西尔瓦尼亚公司研制成第一台单脉冲激光雷达，其测距误差为0.15 m，测角误差为0.1 mrad，实现了目标的高精度测量。20世纪80年代，随着二极管阵列技术和固体激光器的出现，半导体激光雷达、固体激光雷达和 CO2激光雷达发展迅速，应用领域蓬勃发展4。1994年9月9日“发现号”航天飞机成功发射，该机载有Mie散射激光雷达完成了空间激光雷达技术实验，实现了人类历史上首次空基激光雷达大气探测。该事件作为激光雷达发展史上的里程碑节点，标志着激光雷达的发展由科研产品向实用商品化产品发展的新阶段，展示了在军事上和国民经济中的应用前景。德国科研人员于20世纪80年代末开展了有关机载激光雷达技术的研究课题。结果表明，机载激光雷达在地形地貌测量和制图方面具有巨大潜力和发展应用远景5。1995 年，Optech 公司推出了ALTM1020机载激光雷达和ALTM 1225机载激光雷达。该型号激光发生的频率由200Hz提高到5000Hz，飞行高度达1 000 m5。同时期，TopSys研发了基于光纤激光器的激光雷达6。奥地利 Riegl 公司从1996年开始研发了一系列可用于机载、车载和船载的二维激光扫描仪7。2004年推出的LMS-Q560激光雷达设备，作为世界上第一款商业数字化采集和处理激光全波形的二维激光扫描仪，能够实现对物体表面的细节、粗糙度变化的探测8。值得一提的是，该激光器对人和动物眼睛安全，不需要对输出功率进行调整，保证了测量高精度9。除主流机载、车载产品外，激光雷达在水下与海岸环境中有一定的应用。瑞典Saab公司于20世纪90年代研究了追踪潜艇的激光雷达系统，分别向瑞典海军和瑞典海岸线管理局提供两套HAWK Eye激光雷达系统，该系统是世界上首套用于水下探测的激光雷达系统。瑞典AHAB公司研发了HAWK Eye II机载激光雷达系统，该系统采用532 nm波长和近红外双激光器，完成海岸线测量。综合来看，国外激光雷达发展较早，具有先发优势，激光雷达种类相对丰富，能够完成多种场景下的复杂应用。1.2国内发展概况我国激光雷达领域发展较早，1966年，中科院研制出中国第一台红宝石激光器的激光雷达，该雷达基于Mie散射原理完成了对大气气溶胶参数的探测10。20世纪80年代，我国科研单位开始了机载激光雷达海洋探测系统的研制，而随后至 20世纪 90年代开始多个波长激光雷达探测技术研究11。1991年，中科院安徽光机所研发了L625激光雷达试验平合，大气温度、湿度、水汽、气溶胶等成分的高精度探测12。2000年，安徽光机所在之前工作的基础上，研发了L300双波长Mie散射激光雷达，完成了对于对流层大气溶胶的探测13。2012年，北京遥测技术研究所成功研发了大气探测激光雷达产品，能够实现复杂天气条件下的长时间探测，实现对大气气溶胶、云层、颗粒物等多种物质的复合探测14。2015年，西安理工大学激光雷达遥感研究中心研发了多套不同类型的多波长米散射激光雷达系统，实现了全天候的气溶胶探测15。北京遥测技术研究所开展了激光雷达相应的军事应用，应用于天基、舰载、无人机等平台，实现对地基激光武器的攻击告警，保护己方卫星，监测海上态势和防护。当前，我国激光雷达研究主要以中科院大气所、中科院上海光机所、中科院安徽光机所、西安理工大学16、大连理工大学17等科研单位为主，其中大气激光雷达相关产品的精度具备国际先进水平，综合多种激光雷达设备来看，与西方发达国家间的整体技术差距在逐渐缩小。2大气探测激光雷达基本原理及应用2.1激光雷达探测基本原理激光雷达与传统雷达工作原理相似。激光器发射脉冲激光由空中入射到待测物体上引起散射后，一部分光波会返到激光雷达接收器中。光电探测器通过光电倍增管或光电二极管实现光信号到电信号的转变，同时由相应的计时器记录下脉冲激光信号由发射到接收的时间T，最终得到激光雷达到目标物的距离R，有下式54第6期董宗戈等：大气探测激光雷达技术发展综述R=CT/2（1）式中，C代表介质中的光速。激光雷达相邻脉冲激光的最大距离分辨率为R=C/2*(tL+tN+tW)（2）式中，tL代表单个激光脉冲的长度；tN代表光电探测器的时间常数；tW代表激光与待测物体的碰撞时间常数。对于Q-开关的Nd:YAG激光器，脉冲常数为10ns，光电探测器电子器件的时间常数stN为50200 ns，激光与待测物体间碰撞时间常数tW较小，通常忽略不计。2.2大气激光雷达探测技术应用大气探测激光雷达属于激光雷达分支，按照原理可分为Mie散射（30 km以下地空大气）、Rayleigh散射（3070 km高空的大气）、Raman散射（大气湿度、温度及污染物）、差分吸收（大气中臭氧及微量气体）和共振荧光（大气中80110 km金属原子）等若干种类18-19。2.2.1大气气溶胶探测激光雷达应用于大气气溶胶探测时，主要以单波长或多波长Mie散射激光雷达为主，技术比较成熟。单波长Mie散射激光雷达主要探测大气气溶胶光学特性，包括散射系数、消光系数及雷达比。而多波长Mie散射激光雷达除了具备单波长激光雷达的特性，亦可以得到粒谱分布和气溶胶消光系数。大气气溶胶探测激光雷达为研究激光在大气中的传输特性、大气环境湍流等提供了重要的科学依据。Mie散射激光雷达在反演气溶胶参数时，需对大气状态做出假设，因此具有反演精度不高的局限性20。当前，在Mie散射激光雷达的基础上发展了高光谱分辨率激光雷达技术，实现大气气溶胶的高精度检测。该探测技术主要基于大气分子引起的Rayleigh 散射光谱宽度为千兆赫兹（GHz）量级，而气溶胶散射谱宽为100 MHz量级，因此可通过高光谱分辨率分光器分离 Mie 散射和 Rayleigh 散射光谱。该方法不需要假设大气状态参数，因此具有较高精度，从而实现了高精度的气溶胶探测。2.2.2大气温湿度探测激光雷达实现大气温湿度的探测方法主要包括 Rayleigh 散射法密度法，高光谱分辨率 Rayleigh散射法，转动Raman散射法和差分吸收法。Rayleigh散射法主要应用于对流层顶部和平流层的大气温度探测，该方法通过激光雷达探测大气分子密度变化，从而实现大气方程反演温度21。回转Raman散射激光法主要利用大气分子引起的非弹性散射的转动Raman谱线的强度随温度变化，从而实现反算出大气温度廓线。与Rayleigh散射信号相比，Raman散射信号强度较弱，因此需要实现强背景噪音下的微弱信号提取。该方法能够在夜间实现30 km高度范围内的大气温度探测，而白天高精度温度探测需进一步研究与提高。2.2.3大气风场探测激光雷达完成大气风场探测主要基于多普勒雷达法和相干多普勒法22。该两种方法均通过频移变化来测量大气中风场的有关性质，其基本原理为分子运动会造成多普勒效应，利用少量颗粒的后向散射信号，检测大气中风速、紊流等相关量，最终实现风场的实时探测。大气风场探测激光雷达以车载形式为主。刘秉义等成功研制的车载测风激光雷达，能够实现风廓线和三维大气风场的探测，完成高时空分辨率的大气风场测量23。试验结果表明，车载激光雷达风场探测数据与传统探空气球风廓线测量结果相同，具有相同的准确性。胡琦等通过激光雷达实现对某机场附近的风场情况探测，完成了对波动风场的预测24。该方法通过模拟仿真风场的三维数据，得到风场的径向数据信息，通过激光雷达仿真大气中的风切边数据，实现对大气风场中的探测、识别和预报等工作25。