激光遙感技術(shù)及其應(yīng)用

1、激光遙感技術(shù)及其應(yīng)用王建宇中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，摘要：自從1960年人類(lèi)利用紅寶石研制出第一臺(tái)激光器以來(lái)，激光以其單色性、高亮度和良 好的方向性的特點(diǎn)，廣泛的運(yùn)用于測(cè)距，測(cè)速，大氣研究，海洋研究，軍事等領(lǐng)域。由于通 過(guò)激光技術(shù)既是一種主動(dòng)遙感技術(shù)，還可以同時(shí)獲得地球表明的空間特征和物理特性，具有 被動(dòng)光學(xué)遙感無(wú)法替代的作用。近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的水平不斷發(fā)展，激光技術(shù)被越來(lái)越 多地應(yīng)用在空間遙感中。本文將介紹激光技術(shù)在空間衛(wèi)星平臺(tái)和航空機(jī)載平臺(tái)中的主要應(yīng)用 和激光遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。遙感激光技術(shù)激光雷達(dá)激光雷達(dá)(lidar)是一種主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，是傳統(tǒng)的無(wú)線電或微波雷達(dá)(ra

2、dar) 向光學(xué)頻段的延伸。由于所用探測(cè)束波長(zhǎng)的縮短和定向性的加強(qiáng)，使激光雷達(dá)具有很高的空 間、時(shí)間分辨能力和很高的探測(cè)靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于對(duì)大氣、海洋、陸地和其他 目標(biāo)的遙感探測(cè)中。一、激光主動(dòng)遙感關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展光源的進(jìn)展CO2激光器是最早用于激光雷達(dá)的光源，輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高，連續(xù)輸出功率為數(shù) 十瓦至萬(wàn)瓦，脈沖輸出功率為數(shù)千瓦至105瓦，電光效率15%20%，為適應(yīng)空基雷達(dá)的需 要，目前CO2激光器向高可靠、小型化方向發(fā)展，進(jìn)展可喜。英國(guó)DERA研究的空腔波導(dǎo)集 成光學(xué)系統(tǒng)，美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御組織(BMDO)的超小型鎖模CO2激光雷達(dá)。Nd:YAG (Nd:YLF)是目前雷達(dá)中使用

3、最多的激光器，如果探測(cè)地物反射回波，激光器 工作在1064nm或1053nm波長(zhǎng)，如果探測(cè)地物熒光回波或用于水下探測(cè)，激光器工作532nm 或527nm波長(zhǎng),這些是激光三維掃描成像系統(tǒng)的常用光源。主要以二極管泵浦為發(fā)展主流。 Nd:YAG (Nd:YLF)激光器泵浦KTP或KTA晶體的參量振蕩器輸出1.5rm激光也應(yīng)用較多。鈦寶石激光器因具有波長(zhǎng)調(diào)諧功能，在激光雷達(dá)中得到新的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器像GaAs,因?yàn)樗w積小，重量輕，效率高也很受重視。其缺點(diǎn)是光束質(zhì) 量較差，功率有待提高。日本的專(zhuān)家提出采用摻鉺光纖激光器波長(zhǎng)1.5um1.6um,也是很有吸引力的。比如多 個(gè)光纖激光器輸出形成光束陣列(

4、不必使用分束器就能實(shí)現(xiàn)推帚式掃描)。釹：光纖激光器 的工作波長(zhǎng)1.06nm很受關(guān)注。NASA的學(xué)者研究二極管泵浦的Ho,Tm:YLF波長(zhǎng)2.0um激光器，這種光源對(duì)人眼更安全， 大氣散射更小，被稱(chēng)為“未來(lái)之光”。探測(cè)器的進(jìn)展為適應(yīng)光源的變革，除了經(jīng)典的光電倍增管，探測(cè)器的研究也有新的進(jìn)展。如果激光 是1064nm(1047nm)或532nm(523nm)，探測(cè)器為Si /APD，這是最成熟的器件；如果激光 波長(zhǎng)1.5 um -1.6um,探測(cè)器選InGaAs / APD如果激光波長(zhǎng)2.0um,探測(cè)器選InGaAsSb / APD。這些器件由單元器件，發(fā)展到線陣和面陣器件；工作模式由線性模式發(fā)展

5、到Geiger 模式。國(guó)際上主要的研究機(jī)構(gòu)有PerkinElmer公司和日本濱淞光子公司ICCD已經(jīng)直接用 于雷達(dá)回波探測(cè)。InGaAs和HgCdTe的焦平面器件被新型的激光成像遙感系統(tǒng)所采用。二、激光主動(dòng)遙感主要應(yīng)用領(lǐng)域一）激光遙測(cè)距離、速度、跟蹤最成熟和最經(jīng)典的測(cè)距方法是脈沖測(cè)距和相位測(cè)距。脈沖測(cè)距是通過(guò)直接測(cè)量激光脈沖的往返傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)距的。激光脈沖的往返傳播時(shí) 間由距離計(jì)數(shù)器測(cè)量。距離計(jì)數(shù)器的開(kāi)門(mén)信號(hào)為激光主波采樣信號(hào)，對(duì)應(yīng)的關(guān)門(mén)信號(hào)為激光 回波信號(hào),激光脈沖往返時(shí)間根據(jù)計(jì)數(shù)器在開(kāi)、關(guān)門(mén)信號(hào)之間及數(shù)值求的.由上述測(cè)量原理可知，時(shí)間間隔測(cè)量精度主要取決于距離計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率和主、回

6、波出發(fā)點(diǎn)的一致性。距離計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率由時(shí)標(biāo)振蕩器（晶振）頻率決定主、回波出發(fā)點(diǎn)的一致性取決于時(shí)間觸發(fā)方式和激光脈沖波形穩(wěn)定性。時(shí)間觸發(fā)方式主 要有恒定閾值觸發(fā)方式、恒比定時(shí)觸發(fā)方式和波型數(shù)字轉(zhuǎn)換方式三種。相位測(cè)距通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)光波在往返傳播過(guò)程中相位變化來(lái)測(cè)量光束的往返傳播 時(shí)間，其計(jì)算公式如下，R = C- = - （1）;為調(diào)制光波的相位變化（rad）, f為調(diào)2 2Rf 2 2兀制頻率（Hz） R為目標(biāo)至參考點(diǎn)距離（m）；c為光速（m/s）；力為調(diào)制波波長(zhǎng)（m）。相位位移是以2兀為周期變化的，因此有中=（N + ）. 2兀式中N為相位變化整周期數(shù);An _ 入為相位變化非整周期數(shù)

7、.R =砂+ n），式表明，只要測(cè)出發(fā)射和接收光波的相位差，即 可得到目標(biāo)距離.因此相位測(cè)距可理解為以調(diào)制光波半波長(zhǎng)為測(cè)量尺度”的距離測(cè)量方法。回波的多普勒頻移量揚(yáng)與目標(biāo)的徑向速度、成正比，因此，通過(guò)測(cè)量多普勒頻移可得 到目標(biāo)的徑向速度，激光多普勒頻移可通過(guò)光夕外差技術(shù)測(cè)得，其原理和相干測(cè)風(fēng)雷達(dá)相似。f =巴膈人近年來(lái)激光雷達(dá)借鑒了微波雷達(dá)的一些信號(hào)處理的方法，發(fā)展了脈沖壓縮和連續(xù)波調(diào)頻 等激光調(diào)制和信號(hào)處理的體制測(cè)距。由激光器分出一束寬脈沖光束，通過(guò)調(diào)制器將線性調(diào)頻的激光束發(fā)射出去，回波信號(hào)與 未經(jīng)調(diào)制的固定頻率本振光混頻后，經(jīng)匹配濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮，變成一個(gè)幅度增大的窄 脈沖，接下來(lái)和脈

8、沖測(cè)距同樣方法得到距離，它的特點(diǎn)是發(fā)射寬的光脈沖，回波處理后得到 的是窄的電脈沖，目的在于緩解探測(cè)能力和距離分辨率的矛盾；連續(xù)波調(diào)頻，是發(fā)射激光的 頻率隨時(shí)間是線性（三角形）變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的飛行，回波激光相對(duì)于本振激光就有了 頻率變化，兩者相干混頻，得到的中頻信號(hào)，中頻信號(hào)頻率跟距離成正比，由頻譜分析得到 距離和速度。圖1測(cè)距、測(cè)速和跟蹤綜合系統(tǒng)激光跟蹤時(shí)，光電探測(cè)器采用四象限結(jié)構(gòu)，即四塊性能相同的扇型光電二極管各占一個(gè) 象限拼成圓形結(jié)構(gòu)。當(dāng)回波光束的光斑均勻照射每一個(gè)象限時(shí)，方位和俯仰誤差信號(hào)為零; 當(dāng)光斑位置偏離時(shí)，給出相應(yīng)的方位和誤差信號(hào)，通過(guò)伺服系統(tǒng)調(diào)整接收望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)目

9、標(biāo)跟蹤。從雷達(dá)座上的經(jīng)緯刻度就能讀出目標(biāo)的方位角和俯仰角。美國(guó)機(jī)載門(mén)警TBM激光雷達(dá)采用了人眼安全的激光波長(zhǎng)。使用的是Nd： YAG激光泵浦KTP 0P0，它的輸出波長(zhǎng)為1.57um，脈沖能量為600mJ。激光接收機(jī)使用InGaAs APD和窄帶濾光 片。門(mén)警系統(tǒng)激光雷達(dá)負(fù)責(zé)導(dǎo)彈測(cè)距和跟蹤。由美國(guó)航空航天局Goddard空間飛行中心（GSFC）組織研發(fā)，于1996年11月7日升天的火星 勘探號(hào)（Mars Global Surveyor,MGS）宇宙飛船攜帶了一個(gè)遙感設(shè)備M0LA2。設(shè)備是一個(gè) 激光測(cè)高儀，其距離分辨率37cm，能夠以300m的間距分辨率探測(cè)火星表面的輪廓M0LA 一2系統(tǒng)的主要

10、技術(shù)參數(shù)為：軌道高度600km；重量25. 85kg；功耗34. 2W；激光器Nd： YAG1064nm；脈沖寬度5ns；單脈沖能量48mJ 10Hz；光束發(fā)散角0. 4mrad接收部分500mm卡塞格林望遠(yuǎn)鏡；視場(chǎng)角（F0V） 0. 85mrad；光電轉(zhuǎn)換器件硅雪崩光電二極管電路部分微處理器80C86：時(shí)鐘計(jì)數(shù)頻率100MHz：濾波通道寬度20ns、60ns、180ns、540ns；距離測(cè)量分辨率37. 5cm；數(shù)據(jù)率618bps（連續(xù)）精度指標(biāo)垂直分辨率37.5cm；絕對(duì)精度10m （取決于飛船軌道的重建精度）；二）大氣遙感激光雷達(dá)相對(duì)而言，激光雷達(dá)最適合用于對(duì)大氣的探測(cè)與研究。用于大氣遙

11、感的激光雷達(dá)是歷史 上出現(xiàn)最早的激光雷達(dá)。下面的表格給出了激光與大氣粒子相互作用的效應(yīng)，大氣雷達(dá)正是 利用這些效應(yīng)來(lái)工作的。表1激光與大氣介質(zhì)相互作用的典型截面數(shù)值與相應(yīng)可探測(cè)大氣成分（入。為入射波長(zhǎng)，入r為散射波長(zhǎng)）作用過(guò)程介質(zhì)類(lèi)型波長(zhǎng)關(guān)系作用截面（ccm2/sr）可探測(cè)大氣成份Rayleigh 散射分子入尸入010-27大氣密度、溫度Mie散射氣溶膠入尸入010-26-10-8氣溶膠、煙羽、云等Raman散射分子入rU10-30 （非共振）溫度、濕度（h2o）等高層金屬原子和離子Na+、共振散射原子、分子入尸入010-23-10-14K+、Ca+、Li 等熒光散射分子入rU10-25-10

12、-16污染氣體(so2, no2, o3, I2)吸收效應(yīng)原子、分子入尸入010-21-10-14痕量氣體（o3, so2, no2多普勒效應(yīng)原子、分子入之入0風(fēng)速風(fēng)向2.1 Mie散射激光雷達(dá)和氣溶膠探測(cè)大氣中的各種固態(tài)和液態(tài)氣溶膠粒子，包括塵埃、煙霧、云層等與激光的相互作用主要表 現(xiàn)為Mie散射。Mie散射的特點(diǎn)是散射粒子的尺寸與入射激光波長(zhǎng)相近或比入射波長(zhǎng)更大。 Mie散射的輻射波長(zhǎng)與入射波長(zhǎng)相同，散射過(guò)程中沒(méi)有光能量的交換，稱(chēng)為彈性散射。散射過(guò) 程中，粒子將入射光向四周的散射并不是均勻的，粒子越大，向前散射大光越多而后向散射光 越少。大氣探測(cè)激光雷達(dá)的回波就是這種后向散射光所形成。Mi

13、e散射的截面與許多因素 有關(guān)，如散射粒子的尺寸、形狀、組成等，與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系也不固定（通?？烧J(rèn)為1-2次 方成反比），這些都使得Mie散射截面的理論處理較為復(fù)雜。Mie散射激光雷達(dá)是一種用于探測(cè)30km以下低空大氣中的塵埃、云霧等氣溶膠粒子的 激光雷達(dá)。大氣中的這些氣溶膠粒子對(duì)激光的散射機(jī)制為Mie散射，Mie散射具有較大的散 射截面，使Mie散射激光雷達(dá)的回波信號(hào)通常較大。1992年出現(xiàn)的一種微脈沖激光雷達(dá)是對(duì)流層Mie散射激光雷達(dá)的新發(fā)展。該激光雷達(dá) 由美國(guó)NASA研制，現(xiàn)由美國(guó)SESI公司批量生產(chǎn)。其特點(diǎn)該為采用低能量（微焦?fàn)柤?jí)）、高重 復(fù)率（千赫茲）、全固體化脈沖激光器，并采用收、

14、發(fā)公用光學(xué)系統(tǒng)。該激光雷達(dá)不僅實(shí)現(xiàn)了 小型化、自動(dòng)化、高可靠，而且達(dá)到了人眼安全標(biāo)準(zhǔn)，缺點(diǎn)是不具備掃描功能。Mie散射激光雷達(dá)用得最多、最成熟工作波長(zhǎng)是532nm/1064nm, 2004年美國(guó)科學(xué)家建 立了基于Nd:YAG激光器泵浦甲烷的stokes頻移1543nm的Mie散射激光雷達(dá)，它的優(yōu)點(diǎn)在 于人眼安全，易于將Mie散射和Rayleigh散射分開(kāi)，利于探測(cè)大顆粒子。Mie散射用于云層的探測(cè)，云頂高和云層厚的測(cè)量，對(duì)于沙塵的探測(cè)比較擅長(zhǎng)。2 Rayleigh散射激光雷達(dá)和中層大氣探測(cè)Rayleigh散射大氣分子對(duì)激光束的散射截面與波長(zhǎng)的四次方成反比，稱(chēng)之為Rayleigh散射，散射波 長(zhǎng)

15、與Mie散射相同。Rayleigh散射激光雷達(dá)主要用于中、高層大氣的探測(cè)。Rayleigh散射激光雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn):大的激光雷達(dá)配置;短的工作波長(zhǎng);小的接收視場(chǎng)和 光束發(fā)散;嚴(yán)格的發(fā)射和接收準(zhǔn)直；光子計(jì)數(shù)檢測(cè)方式;低空強(qiáng)回波干擾抑制；檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍 擴(kuò)展。主要應(yīng)用:分子密度廓線的探測(cè);溫度廓線的探測(cè)；中層大氣重力波的探測(cè)。v,zP（R） - R 2分子密度N（R）= 式中P（R）表示激光雷達(dá)接收到高度R處的回波功率，KK 。-T2（R）表示所有與激光雷達(dá)參量有關(guān)的常數(shù)。該常數(shù)對(duì)某指定的激光雷達(dá)而言為定值，且在整個(gè)探 測(cè)過(guò)程中保持不變。bm為大氣分子的Rayleigh散射截面，在激光波長(zhǎng)確定的情況下，

16、可視 為常數(shù)。2.2 Raman激光雷達(dá)和大氣組分探測(cè)相對(duì)于Mie散射和Rayleigh散射，Raman散射強(qiáng)度弱很多，Raman散射的波長(zhǎng)不同于散 射波長(zhǎng)，與散射氣體的種類(lèi)有關(guān)，因此它可以用來(lái)區(qū)分成份；Raman激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù):很強(qiáng)的Mie-Rayleigh散射抑制，減小其對(duì)回波的干擾;高的 光譜分辨能力，以利于和其他氣體區(qū)分出來(lái)。主要用途:濕度廓線（接收水汽振動(dòng)Raman散射回波）的探測(cè);溫度廓線的探測(cè)（接收氧 氣和氮?dú)廪D(zhuǎn)動(dòng)Raman散射回波）；氣壓和大氣密度，近距離大氣污染氣體的探測(cè)等。2.3差分吸收激光雷達(dá)和大氣微量組分探測(cè)激光脈沖在大氣層中行進(jìn)一方面被氣溶膠和氣體分子散射，另一方面

17、還被大氣物質(zhì)吸 收，而本系統(tǒng)所提取的信息正是表現(xiàn)為被測(cè)氣體對(duì)激光脈沖能量的吸收。在差分吸收探測(cè)系 統(tǒng)中，既利用氣溶膠和氣體分子散射而形成的回波，又利用氣體吸收而獲得被測(cè)氣體的信息。 其吸收信號(hào)的強(qiáng)弱反映了被測(cè)氣體濃度的大小。為了盡量排除其他各種因素的影響，以獲得 準(zhǔn)確被測(cè)氣體的吸收信息，在該系統(tǒng)中采用兩束波長(zhǎng)相近的發(fā)射激光束。其中一波長(zhǎng)選在被 測(cè)氣體吸收譜峰的中心，吸收較強(qiáng)；另一波長(zhǎng)選在吸收譜峰的外邊，使其受到的吸收較小， 比較兩種回波的差異，通過(guò)數(shù)值分析得到被測(cè)氣體的濃度。差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)：雙波長(zhǎng)發(fā)射,雙波長(zhǎng)接收；目前國(guó)際上已有基于鈦寶石激光器和染料激光器的差分吸收雷達(dá)探測(cè)SO2,

18、no2, o3,以及 基于Ho,Tm:YLF2.0 u m激光器探測(cè)CO2氣體，都取得了較大成功。軍事上用來(lái)測(cè)生化毒劑。大氣激光雷達(dá)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是，利用共同的激光器和共同的望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)利用多種激 光大氣效應(yīng)，從回波中分離提取多種信號(hào)，獲得多個(gè)大氣信息，可稱(chēng)之為綜合性大氣激光雷 達(dá)。2005年德國(guó)的科學(xué)家提出四維綜合性激光大氣雷達(dá)（Mie散射測(cè)氣溶膠,Rotational Raman 散射測(cè)溫度，差分吸收測(cè)水汽）如下圖所示。L1PMT2PMT3Rotational Raman 2telEEinr sign sis:telEEinr sign sis:三）激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)3.1相干多普勒（光外差）激

19、光雷達(dá)相干探測(cè)采用種子注入、半導(dǎo)體激光泵浦Tm,Ho:YLF激光器，工作波長(zhǎng)2.05um，探測(cè) 器InGaAsSb四元雪崩二極管，相干外差鑒頻。氣溶膠的后向散射光頻率為v s，作為參考信號(hào)的本振光頻率為v L （即發(fā)射光頻率）， 氣溶膠的后向散射光與本振光同時(shí)投射到光電二極管表面，產(chǎn)生相干疊加（混頻），然后輸 出差頻為v -v的射頻電信號(hào)及直流分量，經(jīng)過(guò)中頻放大器和鑒頻器，最后獲得所需的多S L普勒頻移Av大氣氣溶膠的后向散射和本振光均為平面/相干/偏振光，且相互平行并垂直投射到光 電探測(cè)器表面，則混頻后的電場(chǎng)為E（t） = E 0 cos（2兀v 了 -甲） + E0 cos（2兀v 了 +

20、甲）根據(jù)光電探測(cè)器的平方律特性，探測(cè)器的輸出電流為：i = a0E2（t），它是若干個(gè)光 波周期求平均，i = a02E2 + 2E2 + EoEcos2兀（v, v）t + （中，f）上式所表示的差頻后電流信號(hào)，進(jìn)中頻放大器放大后可濾去支流分量，并獲得中頻電流信號(hào)，i = a0E“Ecos2兀（v，v）t + （R 一甲）于是，再經(jīng)過(guò)鑒頻器最后可獲得多普勒頻移Av =v，-v氣溶膠后向氣溶膠后向多普勒頻移.鑒頻器2非相干多普勒（光譜分析）激光雷達(dá)直接探測(cè)采用種子注入、半導(dǎo)體激光泵浦Nd:YAG激光器三倍頻355nm。接收到的回波 采用雙F-P干涉儀利用雙邊緣方法確定Rayleigh散射頻移，

21、探測(cè)器采用光電倍增管，并且 比較兩個(gè)通道信號(hào)的大??；采用條紋圖象檢測(cè)技術(shù)確定接收到的回波Mi散射多普勒頻移， 條紋圖像技術(shù)通過(guò)多通道CCD探測(cè)器采樣接收信號(hào)的有用光譜間隔，通過(guò)計(jì)算光譜峰偏移獲 取多普勒頻移。（1）雙邊緣技術(shù)Fabry-PerFabry-Perot etalcn圖2 F-P干涉儀結(jié)構(gòu)兩個(gè)F-P干涉儀透過(guò)率曲線的中心頻率位于Rayleigh散射譜的兩翼，在無(wú)多普勒頻移時(shí)， 落入兩個(gè)信號(hào)通道的強(qiáng)度相同；在有多普勒頻移時(shí)，兩個(gè)通道的信號(hào)強(qiáng)度發(fā)射變化，一個(gè)變 大，一個(gè)變小，比較它們的大小，將兩個(gè)通道信號(hào)之差除以兩個(gè)通道之和就可以得到多普勒 頻移量。為了得到上述的頻譜結(jié)構(gòu)，可以采用如圖3

22、所示的F-P干涉儀結(jié)構(gòu)。將干涉儀分割 成兩部分，它們的腔長(zhǎng)存在著一個(gè)微小的差別，以形成中心頻率上的差異，然后在光出射端， 將這兩路光束分別照射不同的探測(cè)器。由于兩個(gè)平板固定在一個(gè)極板上，消除了由于振動(dòng)和 熱效應(yīng)引起的兩個(gè)通道中心頻率間隔的漂移。F-P干涉儀的一個(gè)平板上鍍同種厚度的薄膜， 另一個(gè)平板上鍍兩種厚度的薄膜。（2）干涉條紋圖像技術(shù)Fizeau干涉儀也由兩塊光學(xué)平板組成，但彼此之間以一定的微小楔角分開(kāi)，形成 楔楔形空氣隙。入射光在通過(guò)兩個(gè)平板間楔形空氣隙后，沿楔角方向產(chǎn)生干涉條紋，如圖5。Fizeau楔角干涉條紋強(qiáng)度分布可以采用函數(shù)描述，(1Fizeau楔角干涉條紋強(qiáng)度分布可以采用函數(shù)描

23、述，(1-勺1 2 R cos) + R 2式中，為平板內(nèi)表面的反射率，4為相位因子，它與平板間隔d及入射光頻率v之間的關(guān)系為= 4兀dv /C，可見(jiàn)干涉條紋的空間位置與回波光頻率有關(guān)，當(dāng)發(fā)生多普勒頻率移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的空間位置隨之發(fā)生移動(dòng)，可由干涉條紋移動(dòng)量反演風(fēng)速。干涉儀要放置在恒溫裝置 中。Zercdur Ep&?ing光束準(zhǔn)直處嚀標(biāo)準(zhǔn)具洲科Zercdur Ep&?ing光束準(zhǔn)直Fi崩m(xù)干樣僅結(jié)構(gòu)筒圖歐空局（ESA） 已經(jīng)全面啟動(dòng)全球第一臺(tái)星載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)計(jì)劃（ADM-Aeolus計(jì)劃）， 計(jì)劃2008年發(fā)射，ESA的直接探測(cè)激光雷達(dá)準(zhǔn)備采用條紋圖像技術(shù)，準(zhǔn)備采用三 倍頻的Nd： YAG

24、，平行平面FP標(biāo)準(zhǔn)具和Si-CCD探測(cè)器。NASA最近的趨向是采用 混合技術(shù)測(cè)量全球風(fēng)場(chǎng)，即利用相干技術(shù)測(cè)量低空大氣風(fēng)場(chǎng)，利用直接探測(cè)技術(shù) 測(cè)量中高空大氣風(fēng)場(chǎng)，混合激光雷達(dá)測(cè)量大氣風(fēng)場(chǎng)對(duì)激光器件和接收光學(xué)的要求 將更加嚴(yán)格。四）海洋激光雷達(dá)及其在海洋探測(cè)中的應(yīng)用激光海洋探測(cè)的物理機(jī)制,一般基于瑞利散射、米散射、拉曼散射、熒光、光譜吸收等。 4.1激光測(cè)量淺海深度水深測(cè)量一般基于淺海、島礁或者船之無(wú)法到達(dá)的海域。機(jī)載海洋激光雷達(dá)可以快速掃 描,獲得淺海地貌，測(cè)量效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲納測(cè)量。另外淺海水深測(cè)量由于水下目標(biāo)探測(cè)密切相 關(guān)，利用水深測(cè)量技術(shù)可以對(duì)水下目標(biāo)（如潛艇、水雷等）進(jìn)行探測(cè)。假如海表和海

25、底返回脈 沖的時(shí)間將額為，則水深就可表示為h = d海表脈沖返回信號(hào)通常利用紅外光精確2 n定位，一般利用Nd:YAG的1.064um激光測(cè)量，這種技術(shù)已經(jīng)較為成熟,水深獲取的關(guān)鍵是精 確測(cè)量海底脈沖的目標(biāo)532nm返回信號(hào)。影響水深測(cè)量的因素很多，除了激光發(fā)射功率、光 學(xué)接收效率、視場(chǎng)角匹配。還有以下因素對(duì)目標(biāo)信號(hào)帶來(lái)嚴(yán)重干擾：（1）不同水質(zhì)得到的波形是不同的，消除海水中強(qiáng)烈的海水后向散射一直是激光雷達(dá)測(cè)深技 術(shù)中所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。淺?；蜓匕端蚋缓黝?lèi)海洋微生物，不僅水體散射增強(qiáng)，而且浮游 植物的存在也吸收了更多的入射光能量，使得散射信號(hào)往往比目標(biāo)發(fā)射信號(hào)大。因此，淺海深 度測(cè)量必須首先對(duì)

26、海水的后向散射進(jìn)行抑制。一般采用光電探測(cè)器的變?cè)鲆娣椒?，?duì)淺水層 后向散射信號(hào)采用小增益放大，而對(duì)海底或目標(biāo)發(fā)射信號(hào)采用大增益放大。（2）海水的衰減系數(shù)大，目標(biāo)信號(hào)與海表信號(hào)強(qiáng)度差5-7個(gè)量級(jí)，而一般數(shù)字化儀的動(dòng)態(tài)范 圍為2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此對(duì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行壓縮，才能保證對(duì)目標(biāo)信號(hào)的有效采集。（3）太陽(yáng)背景等雜散光對(duì)測(cè)量造成嚴(yán)重影響,強(qiáng)烈的背景光還會(huì)造成光電探測(cè)器的疲勞。因 此一般采用窄帶濾光片濾除背景光。2海洋Raman激光雷達(dá)水是一種似冰的四面體結(jié)構(gòu)，相似水分子的氧原子之間存在一氫原子形成氫鍵，由氫鍵 構(gòu)成的四面體結(jié)構(gòu)的族團(tuán)不斷地生成與消失，隨著溫度升高四面體結(jié)構(gòu)組團(tuán)的濃度極少，單 個(gè)

27、水分子增多.水的O-H鍵Raman譜隨溫度而變化或發(fā)生頻移，在此基礎(chǔ)上可通過(guò)測(cè)量海水激 光Raman散射譜測(cè)量海水溫度。激光Raman散射測(cè)量海水溫度的物理基礎(chǔ)可概述為：1）水是由帶氫鍵的族團(tuán)即大分子和沒(méi)有氫鍵的單分子組成2）這兩種分子結(jié)構(gòu)的濃度是海水溫度的函數(shù)3）大分子與單分子OH鍵拉曼頻移是不同的.4）通過(guò)拉曼頻移譜可測(cè)量水中大分子和單分子濃度關(guān)系，可反演海水溫度 利用激光Raman散射譜分析法提取海水溫度信息主要采用以下手段；1）雙色比法2）解卷積法3）函數(shù)擬合法4.3Brillouin散射激光測(cè)量海洋聲速拋面聲場(chǎng)預(yù)報(bào)對(duì)于海軍具有直接的指導(dǎo)意義,對(duì)確定潛艇運(yùn)動(dòng)和探測(cè)潛艇位置具有重要作用,

28、 實(shí)時(shí)海洋邊界層聲速拋面的測(cè)量對(duì)研究海洋混合層和內(nèi)波過(guò)程有重要作用，可以了解海洋混 合層物理參數(shù)的季節(jié)性變化、動(dòng)力參數(shù)變化.Brillouin散射是一種具有頻率偏移的非彈性散射，Brillouin散射頻移可表示為： vB =半打（S, T, P）sin（），式中n為海水折射率，電為海中聲速，力為入射激光波長(zhǎng)，0 九2A為散射角。Brillouin散射頻率一般在7-8GHz以內(nèi)，帶寬500MHz.對(duì)Brillouin散射頻移的測(cè)量一般借助于F-P干涉儀，但F-P干涉儀受接收視場(chǎng)角較小， 對(duì)環(huán)境影響敏感等限制，影響B(tài)rillouin散射頻移的測(cè)量精度。Brillouin散射也可以用來(lái) 測(cè)鹽度4.4

29、海洋Rayleigh激光雷達(dá)散射實(shí)質(zhì)上是水分子本身的散射，水分子處于隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不同運(yùn)動(dòng)速度的水分子 其散射光的多普勒頻移也不盡相同.這種水分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的散射光，其總的效果即是多 普勒展寬，溫度越高，分子平均熱運(yùn)動(dòng)速度越快，多普勒展寬越多。也就是說(shuō)散射回波相對(duì) 于發(fā)射激光因海水的熱運(yùn)動(dòng)而展寬；要從海水多普勒展寬中測(cè)量海水溫度，測(cè)量系統(tǒng)必須具 有很高的光譜分辨率。v 7.16 X 10-7 v, Avj和廣分別表示頻譜展寬和海水溫度do V M d通過(guò)高溫原子濾波器的光信號(hào)與通過(guò)低溫原子濾波器的光信號(hào)均與Rayleigh散射的光譜 積分成正比，其光譜面積可近似看作接收信號(hào)的光子數(shù)，采用兩

30、信號(hào)面積的比值可以獲得海 水溫度。在海洋激光遙感系統(tǒng)中，目前發(fā)展最成熟的品種是海洋測(cè)深系統(tǒng)。如optech公司與 日本海岸警衛(wèi)隊(duì)簽署協(xié)議，2003年為其研制生產(chǎn)增強(qiáng)型的激光測(cè)深系統(tǒng)SHQALS-1000O目 前的SHQALS系統(tǒng)的測(cè)量精度已完全能夠達(dá)到國(guó)際海道測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一級(jí)測(cè)量精度 指標(biāo)要求，測(cè)量速率為1000Hz，測(cè)量深度為0.1 50米，掃描寬度為航行高度的0.85倍。其他類(lèi)型的海洋激光遙感系統(tǒng)離實(shí)用還有明顯距離。五）熒光激光雷達(dá)5.1激光測(cè)量海洋表層葉綠素濃度海洋葉綠素濃度測(cè)量與估計(jì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力，全球通量和眾多海洋現(xiàn)象研究密切相關(guān)，也 是海洋學(xué)家十分關(guān)注的問(wèn)題之一.當(dāng)激光照射海水中

31、的葉綠素時(shí)，其激發(fā)的熒光量與其在海 水中的葉綠素濃度有關(guān).因此，直接在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量葉綠素分子的激光誘導(dǎo)熒光可以獲得葉綠素 分子濃度.5.2海面油膜激光熒光測(cè)量海面油膜的形成有兩種機(jī)制:由于海底油氣藏的微滲漏而形成的油膜；由于海面船之油 泄漏等形成的海面油污染.熒光的產(chǎn)生是由于一個(gè)熒光物質(zhì)的分子吸收了一個(gè)光子，然后發(fā) 射出另一個(gè)能量較小的光子.熒光譜分為激勵(lì)熒光譜和發(fā)射熒光譜.不論激勵(lì)熒光譜還是發(fā) 射熒光譜都直接同物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)相關(guān),因此物質(zhì)的熒光譜是物質(zhì)分析的一個(gè)重要手段；各 類(lèi)油的熒光衰減時(shí)間譜差別很大，也是一種很好的標(biāo)識(shí)特征。機(jī)載的激光雷達(dá)將短波激光束 打到海面上，探測(cè)油膜的發(fā)射熒光譜和熒光衰

32、減時(shí)間譜，從而確定油的種類(lèi)，油膜的厚度。 5.3激光油氣探測(cè)海洋油氣資源遙感遙測(cè)的主要方法是探測(cè)芳烴化物或烴類(lèi)指示物的高靈敏度熒光。探測(cè) 激光激發(fā)的烴類(lèi)指示物熒光主動(dòng)系統(tǒng)采用光譜探測(cè)方法，以激光為激發(fā)光源、光多通道分析 儀即高速光子計(jì)數(shù)器為探測(cè)手段，利用近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),來(lái)進(jìn)行海洋有 機(jī)物、海面油污染、海底油苗或烴類(lèi)指示物等激光激發(fā)熒光光譜及熒光衰減譜的研究以達(dá)到 對(duì)不同熒光物質(zhì)區(qū)分探測(cè)的目的，特別是標(biāo)志海底油氣藏的油苗或烴類(lèi)指示物于海面油污染 及其它有機(jī)物質(zhì)的區(qū)分識(shí)別.這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用于海油氣資源的快速遙測(cè)，解決海洋地 球物理勘探的一些困難，具有顯著的應(yīng)用前景。觸甕舊;.

33、X電源觸甕舊;.X電源5.4植被和水體污染的探測(cè)森林和植被的激光遙測(cè)，預(yù)測(cè)病蟲(chóng)害，預(yù)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量，受過(guò)病蟲(chóng)害的作物和健康的作 物其熒光譜有區(qū)別；激光誘導(dǎo)水體熒光探測(cè)可以用來(lái)測(cè)量水污染，回波熒光強(qiáng)度反映污染程 度，熒光譜可分辨污染源種類(lèi)。5.5金屬礦藏的激光探測(cè)kasden等于1981年在已知具有二氧化鈾離子成2表面礦化區(qū)用地基激光雷達(dá)進(jìn)行了熒 光研究.所用發(fā)射系統(tǒng)主要為閃光燈泵浦染料激光器，工作波長(zhǎng)425nm，線寬3nm，輸出脈沖 能量35mJ,脈寬175ns.接收系統(tǒng)18cm反射望遠(yuǎn)鏡即可變通濾波器/單色儀/ PMT探測(cè)器， 可探測(cè)光譜490-600nm,探測(cè)距離32-40m.總體來(lái)說(shuō)，激光

34、熒光雷達(dá)發(fā)展難度大，難點(diǎn)在于信號(hào)弱，干擾多而強(qiáng)，各類(lèi)物質(zhì)熒光譜 很復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累不足（需要建立各類(lèi)物質(zhì)熒光譜的數(shù)據(jù)庫(kù)）。因此這類(lèi)熒光遙感系 統(tǒng)大都沒(méi)有進(jìn)入實(shí)用階段。六）成像激光雷達(dá)凝視成像與距離選通激光雷達(dá)如果使用擴(kuò)束激光（寬波束）發(fā)射光學(xué)天線，使目標(biāo)均勻照射，采用CCD相機(jī)或焦平面 陣列探測(cè)器接收，很容易獲得目標(biāo)的圖像，而目標(biāo)的距離通過(guò)激光調(diào)制波的相位來(lái)測(cè)量，即 構(gòu)成非掃描成像激光雷達(dá)。在距離選通中,照象機(jī)的快門(mén)打開(kāi)的時(shí)間對(duì)于照射物體的激光發(fā) 射時(shí)間是延時(shí)的，并且在很短的時(shí)間內(nèi)打開(kāi)，在這段時(shí)間內(nèi)激光從物體反射回來(lái).選通開(kāi)關(guān)僅 對(duì)激光脈沖反射光到達(dá)接收器時(shí)才打開(kāi).距離選通排除了后向散射光

35、.這種方法，在于攝取到 達(dá)相機(jī)的從物體反射回的光，并能屏蔽返回光中的散射光子.距離選通的成像系統(tǒng)采用脈沖 激光器和能使像增強(qiáng)的選通ICCD器件或增強(qiáng)型焦平面器件.同步掃描激光成像系統(tǒng)激光器輸出光束（窄波束）在靶面上以一維或二維的方式掃描.采用一維掃描方式，通 過(guò)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)獲得二維信息，探測(cè)器是線陣器件.在光柵掃描方式中，光束沿二維掃瞄.探測(cè) 器采面陣器件。三維成像系統(tǒng)條紋管成像激光雷達(dá)，使用脈沖激光器和時(shí)間分辨的條紋管接收器.激光束偏離軸線形 成一個(gè)扇形光束，然后使得從光電陰極發(fā)出的光電子加速、聚焦、偏離.沿著垂直于扇形光束 的軸上加一個(gè)掃描電壓來(lái)及時(shí)控制光束，這樣就能得到每一個(gè)激光脈沖的距離

36、一方位圖像， 采用傳統(tǒng)的CCD技術(shù)對(duì)這些距離一方位圖像進(jìn)行數(shù)字存儲(chǔ)，使系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率與平臺(tái)的 前進(jìn)速度同步。推帚式式激光成像，激光束被分束器分成多束，或叫陣列激光束，由飛行器實(shí)現(xiàn)一維掃 描，由陣列激光束和陣列探測(cè)器本身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)另外一維掃描，這種方案,要采用激光分束器和 多路回波并行接收技術(shù)。沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的掃描部件，其機(jī)械和光學(xué)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，機(jī)械失效的危險(xiǎn)更 ??；推帚式激光掃描成像系統(tǒng)可在提高激光單脈沖能量的同時(shí)使激光器重復(fù)頻率大大降低; 同時(shí)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)多種地面采樣圖案，因而可以實(shí)現(xiàn)遙感時(shí)的非均勻測(cè)量，這對(duì)未來(lái)的 自適應(yīng)對(duì)地觀測(cè)三維成像中特別有用。并且掃帚式激光雷達(dá)成像技術(shù)特別適合與推帚式光

37、 電、光譜成像等技術(shù)的匹配和圖像的配準(zhǔn)。下圖是美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的推帚式成像系統(tǒng)。CollimatedTransmit and目前成像激光遙感系發(fā)展較快，品種較多，大多在機(jī)載航空領(lǐng)域內(nèi)使用。比 如美國(guó)的optech公司ALTM3100EA,飛行高度80 3500m,最大掃描頻率70Hz,發(fā) 射激光重復(fù)頻率30kHz-100kHz，最大偏轉(zhuǎn)25，主要用來(lái)地形測(cè)繪，已經(jīng)商業(yè) 化銷(xiāo)售多臺(tái)。七）激光雷達(dá)新體制7.1相共陣激光雷達(dá)是通過(guò)一組激光束的相位分別進(jìn)行控制和波束合成，實(shí) 現(xiàn)無(wú)機(jī)械掃描的一種體制.通過(guò)調(diào)節(jié)從各個(gè)相控單元（移相器）輻射出的光波之間的相 位關(guān)系，使其在設(shè)定方向上彼此同相，產(chǎn)生相互加強(qiáng)的

38、干涉，干涉的結(jié)果是在該方向上產(chǎn)生 一束高強(qiáng)度光束，而在其他方向上從各相控單元射出的光波都不滿足彼此同相的條件，干涉 的結(jié)果彼此相抵消。因此，輻射強(qiáng)度接近零。組成相控單元在計(jì)算機(jī)的控制下，可使一束或 多束高強(qiáng)度光束的指向按設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)空域掃描。美國(guó)自20世紀(jì)70年代初開(kāi)始研究激光相控陣技術(shù)并首次用鉭酸鋰晶體制成 移相器陣列（46元），實(shí)現(xiàn)一維相控陣以來(lái)，并制成以液晶為基礎(chǔ)的二維光學(xué)相控 陣樣機(jī)，陣面4cmX4cm,包括1536個(gè)移相器單元.存在的技術(shù)難題主要是制造工 藝不成熟、光束偏轉(zhuǎn)范圍還比較?。◣锥龋?、控制效率低（10%）.但人們希望，相控 陣技術(shù)的突破將對(duì)高性能激光雷達(dá)乃至光電傳感器

39、系統(tǒng)產(chǎn)生革命性影響7.2合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)，一般激光發(fā)射源與接收裝置同在一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。在平臺(tái) 的運(yùn)動(dòng)工程中，在某個(gè)位置用小孔徑天線發(fā)射光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射，并對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行 采樣，探測(cè)器接收來(lái)自目標(biāo)的散射光的強(qiáng)度和相位信息，完畢后移動(dòng)到下一個(gè)位置在進(jìn)行同 樣的探測(cè)，如此進(jìn)行下去直到平臺(tái)移動(dòng)整個(gè)合成孔徑長(zhǎng)度，得到一組回波數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)回波 進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，可以得到高分辨率目標(biāo)圖像。相位信息一般采用外差探測(cè)。回波信號(hào)有 一定的時(shí)間延時(shí)，相對(duì)于參考光有一個(gè)附加相位，附加相位包含了距離信息，在探測(cè)器上參 考波和回波混頻得到一個(gè)輸出拍頻脈沖電流，如果在合成孔徑長(zhǎng)度內(nèi)發(fā)射M個(gè)激光脈沖，實(shí) 際探測(cè)器輸

40、出M個(gè)拍頻電流，每個(gè)拍頻與距離單元相對(duì)應(yīng)。對(duì)這些采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅立葉 變換并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，便可得到目標(biāo)區(qū)域的高分辨率圖像。國(guó)際上從事這項(xiàng)研究的機(jī) 構(gòu)有：Naval research laboratory和 Lincoln laboratory 以及 communications research laboratory，合成孔徑雷達(dá)目前還不夠成熟，工程上還需要在以下技術(shù)上繼續(xù)努力：（1）性能優(yōu)良的激光器，尤其重要的是它的時(shí)間相干性要求很高（激光輸出頻譜很純）。（2）運(yùn)載平臺(tái)的高穩(wěn)定性，合成孔徑雷達(dá)采用外差探測(cè)，微小的位置偏差或振動(dòng)造成 嚴(yán)重的相位差。（3）激光發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如何控制光束

41、指向，在掃描模式上合成孔徑雷達(dá)怎樣快速 改變光束方向。（4）更有效的成像算法，對(duì)各種由系統(tǒng)不穩(wěn)定性帶來(lái)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償?？垢蓴_技術(shù)，如何減小散斑噪聲，如何減小大氣對(duì)光波相干性的干擾。美國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)展了激光合成孔徑雷達(dá)概念，并進(jìn)行了原理試驗(yàn)。試驗(yàn)研究采用重 復(fù)頻率100Hz的TEA CO2相干脈沖激光器，脈寬為150ns，峰值功率為100kw，以單模工作， 而且頻率可調(diào)。三、激光主動(dòng)遙感的發(fā)展趨勢(shì)1）進(jìn)一步借鑒微波雷達(dá)遙感的概念、方法相對(duì)于激光雷達(dá)而言，微波雷達(dá)的發(fā)展更成熟、使用面更廣，因此，微波雷達(dá)的概念、 信號(hào)處理的方法對(duì)激光雷達(dá)的發(fā)展具有借鑒作用如前文提到的相控陣、合成孔徑等概念就

42、直 接取之于微波雷達(dá)；連續(xù)波調(diào)頻和脈沖壓縮等信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的方法正在被激光雷達(dá)所采 用；甚至在海洋激光雷達(dá)中，發(fā)射時(shí)將微波信號(hào)加載到激光上，接收到回波后在通過(guò)光電器 件變成微波信號(hào)加以處理?？傊磥?lái)微波雷達(dá)的技術(shù)和思想進(jìn)一步滲透激光遙感領(lǐng)域。2）與其他遙感手段的配合、融合，發(fā)揮遙感系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢(shì)激光主動(dòng)遙感與微波遙感、紅外遙感之間相比各有優(yōu)勢(shì)，微波波束的發(fā)散角大，激光發(fā) 散角小，因此，激光的精度和角分辨率高，而微波的搜索能力強(qiáng)；微波雷達(dá)的電磁干擾敏感， 探測(cè)地空目標(biāo)時(shí)，回波信號(hào)就被地面的雜波所淹沒(méi)，激光雷達(dá)電磁抗干擾能力強(qiáng)；它們之間 存在著互補(bǔ)性。激光高度計(jì)就和微波SAR合在一起用；未來(lái)的預(yù)警系統(tǒng)傾向于激光主動(dòng)遙 感和紅外系統(tǒng)組合使用，先用紅外系統(tǒng)大面積搜索，一旦發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)則通知激光雷達(dá)跟蹤、 測(cè)速、測(cè)距；比如夜晚沒(méi)有光源照明，熱紅外成像不能將目標(biāo)和環(huán)境區(qū)分開(kāi)來(lái)，如果和激光 主動(dòng)遙感相配合可以很好地解決這一問(wèn)題。3）新技術(shù)和新器件不斷面世，不斷改善激光雷達(dá)的性能。激光光源的不斷進(jìn)步，比如光纖激光器的功率的提高，陣列半導(dǎo)體激光器的性能的提高， 激光穩(wěn)頻技術(shù)的改進(jìn)；InGaAs和HgC