能见度激光雷达探测实验的设计

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　　摘  要：针对培养激光雷达人才的需要，我们从中国科学技术大学地球和空间科学学院实验教学中心的实际情况出发，详细设计了能见度激光雷达探测实验，包括激光雷达系统操作安全知识，能见度激光雷达系统结构和组成和能见度激光雷达基本原理和数据反演方法。通过该项实验有利于学生掌握激光雷达的基本知识和培养基本动手操作能力，为学生将来进行更复杂的激光雷达系统科研工作打下坚实的基础。
　　关键词：激光雷达;能见度;探测实验
　　中图分类号：TN958.98 文献标志码：A 文章编号：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
　　随着综合国力的提升，国家在科学研究和教育方面的投入逐渐增加，空间探测是各大国竞争的重要方向，其对于了解邻近空间环境极其重要。空间探测包含各个方面，包括卫星载荷高能粒子探测、空间磁场探测、电离层参数探测、大气参数探测等等。近几年来，我国在空间探测方面发展迅速，特别是激光遥感方面。激光遥感是进行大气参数探测的重要手段，时空分辨率高的是激光遥感的特色，它可以弥补卫星探测、地基单点探测的不足。伴随着激光技术的发展进步，激光雷达的发展由于雨后春笋，迎来井喷式发展。国内多家单位都大力推进激光雷达的研制，但侧重方向各有不同，我们中国科学技术大学在中高层大气激光探测发展方面在国内处于领先地位，至今，已研制了多台用于中高层大气参数探测的激光雷达系统，例如：双波长瑞利-钠激光雷达，用于探测30-70km高度大气温度和70-120km高度钠原子密度[1];钠测温测风激光雷达，用于探测80-105km高度大气温度、风速和钠原子密度[2];臭氧探测激光雷达，用于探测5-50km高度臭氧数密度的分布[3];瑞利测风激光雷达，用于探测15-60km高度大气风场[4];1550nm红外波段量子探测激光雷达，用于探测对流层大气气溶胶分布、风速和能见度等[5，6]。这些激光雷达的观测结果一方面在中高层大气动力学和气候研究中发挥着重要作用，另一方面，在研究生培养教育方面发挥着关键作用。
　　激光雷达是一种先进的光学遥感设备，从硬件系统組成方面来说，它是一种集光学、电子学、机械和控制于一体的综合型探测设备，整个系统结构复杂，涉及的知识面广，要掌握激光雷达系统中关键内容，对于学生能力要求比较高。在实际科学研究过程中，我们发现通常一名研究生新生至少需要培训1-2年才能对激光雷达系统熟悉，然后可以上手进行相关的实验操作，否则会经常出现实验错误，导致关键设备的损坏，例如几万到几百万的激光器等，甚者影响人生安全，例如烧伤肌肤，打坏眼睛，伤害和损失巨大。然而，激光雷达的高速发展需要更多的这方面的人才，作为一所双一流建设高校，我们应在激光遥感人才培养上走在前列并发挥好引领作用。
　　中国科学技术大学地球和空间科学实验教学中心成立于2004年，是学院教学研究的重要组成部分之一。2012年申请并获批为省级实验教学示范中心建设单位。实验教学中心分为物理型和化学型2个分中心。物理型分中心服务于固体地球物理、空间物理、大气物理三个专业的本科生和研究生实验教学。化学型分中心服务于地球化学，环境科学两个专业的本科生和研究生教学。空间物理专业开设的实验课程为空间探测实验课程。主要目的为培养学生了解用于研究空间物理问题的主要仪器设备的工作原理，实际操作过程，及设备所采集数据的处理方法。近年来，我们地球和空间科学学院自主研制了各种类型的空间物理研究设备，包括空间载荷高能粒子探测装置，空间等离子体诊断装置和激光雷达系统。其中激光雷达是我们学院进行科学研究的重要设备，都等到研究生阶段再培养学生对其了解和动手操作基本能力，浪费了宝贵的研究生期间的科研时间。因此，我们提出把激光雷达探测实验作为实验中心需要开设的重点实验。但是，用于科研的激光雷达设备系统组成相对复杂，对于没有激光雷达基础的学生来说不易掌握。在复杂的科研激光雷达系统上直接进行实验不切实际。为此，我们有必要设计一种简单的激光雷达的探测实验，一方面既包含了常见激光雷达所需的基本知识，另一方面系统结构又不是很复杂，便于低年级的学生掌握理解。我们提出能见度激光雷达探测实验作为本科生或低年级研究生实验的重要部分。因此，本文从实验教学中心基本情况出发，详细介绍能见度激光雷达探测实验的设计，逐步介绍该探测实验的关键知识点的开展，最后给出对实验开展的未来发展的改进方向。 　　2 能见度激光雷达实验设计
　　对于没有任何激光雷达知识基础的学生来说，实验课是帮助他们了解激光雷达基本知识的重要途径。下面我们将针对能见度激光雷达系统完成实验设计，图1给出能见度激光雷达探测实验的设计框图，主要分为三大部分教授同学们激光雷达探测实验的知识点。
　　第一部分，激光雷达系统操作安全知识。这是进行能见度激光雷达探测实验之前必须掌握的重点知识，这不仅关乎仪器的安全，更关乎做实验的同学人员安全。激光雷达系统是光机电一体化的设备，系统中用到的激光器会输出激光功率很高，单脉冲峰值功率高达MW量级，如果不小心打到人员人眼上或皮肤上，会造成不可恢复性伤害。因此，需告诫同学们在实验前带上防护镜，实验过程中不能直视激光方向，身体的任何部位不能在激光传播方向穿过。激光雷达需要用到220V强电，操作人员需注意电力安全。激光雷达设备中的各个部件都非常昂贵，对于每个部件都必须按照规程进行操作，操作不当会直接导致设备的损坏，实验无法开展。系统接线需小心谨慎，反复确认，注意正负极和火线零线。先开制冷，预热足够时间的情况下，才开始打开设备。不能随意触碰脆弱的电子学设备，防止静电击坏。身体部位不能随意触碰光学器件的表面，造成光学表面污染。
　　第二部分，能见度激光雷达系统硬件组成。能见度激光雷达系统组成简化示意和实物分别如图2和图3所示，系统包含三大部分：发射机，接收机和采集控制部分。其中发射机由激光光源，扩束镜和发射耦合光路组成。能见度激光雷达系统激光光源是由激光器实现，广泛用于能见度探测激光器是532nm激光器。激光器的关键指标有激光波长，激光发散角，激光能量，功率稳定性，指向稳定性等等。532nm激光是Nd：YAG激光器二倍频产生，倍频晶体的效率是影响系统发射能量的高低，通常需在观测前优化倍频晶体效率达到最大。扩束镜在激光雷达系统中起到降低功率密度和改善激光发散角的作用，其常见结构类型有反射式扩束镜、伽利略透射式扩束镜和开普勒透射式扩束镜反射式扩束镜没有色差，不受波长的影响，但安装调整难度比较大。伽利略透射式扩束镜体积小，调整安装方便，被广泛使用。开普勒透射式扩束镜在中间位置由实焦点，可以在焦点处增加小孔改善光斑，但高能量时容易击穿空气，且相同倍数下体积比伽利略式大，安装调整方便。扩束镜倍数由目镜和出射镜的焦距确定，扩束的倍数决定了扩束后的发散角和扩束后的光斑大小。调整和检测扩束镜是否到最优指标的直接方法是在调整过程中测量近处和远场光斑大小。发射耦合光路的由一系列反射镜和光束分离部件组成，如何通过调整耦合光路改变光束的指向，从而使得发射光轴和接收光轴一致，这是激光雷达实验获取有效回波信号的关键一环，这里涉及了光束发散角和后面接收视场角的概念理解。接收机主要组成包括接收望远镜，后继光路和光电探测。常见的望远镜结构类型有透射式望远镜，牛顿反射式望远镜和卡塞格林反射式望远镜。望远镜的反射或投射效率，工作波长，面型精度和焦距是关键的参数。望远镜的接收视场的是激光雷达的重要概念，表示了望远镜接收回波信号的立体角范围，其可由望远镜焦点处设置的小孔光阑除以望远镜焦距来确定。调节望远镜的接收视场通过调整小孔光阑的大小来实现。望远镜回波信号可通过空间直接传输和光纤传输两种方式耦合到后续光路中（后继光路）。后继光路的主要作用是对望远镜接收的回波信号进行耦合过渡到光电探测并对背景信号，常见的耦合光路结构，背景信号抑制的关键器件及其基本原理是需要了解的基本内容。光电探测主要完成对光回波信号的转换，将光信号转换成电信号，从而可以供后续采集装置进行采集。常见的光电探测器有光电倍增管，雪崩光电二极管和电荷耦合器件（CCD），不同的探测器工作波段和适用范围有所不同。采集控制部分完成对激光雷达回波信号的采集和对整个激光雷达系统的协同控制。激光雷达的采集方式可分为两大类，一类是模拟采集，一类是光子计数采集。这两种方式如何进行距离分辨探测的是需重点掌握的内容。两种方式常用的器件是采集卡和光子计数卡。采集装置的信号由计算机记录到存储磁盘介质上。能见度激光雷达系统设计的控制主要包括时序的控制，同学们应了解激光雷达系统的工作时序关系，包括激光器的闪光灯信号，激光器的Q开关信号，光脉冲信号和采集装置的触发信号的工作关系。
　　第三部分，能见度激光雷达数据反演方法。在进行数据反演之前，我们必须使学生先对能见度激光雷达的基本原理充分了解。能见度激光雷达的基本工作原理如下：
　　能见度激光雷达基于光的米（Mie）散射理论，系统向大气中发射532nm激光，当与激光作用的粒子尺度大于0.1时，激光与大气中粒子相互作用的散射光认为是米散射，米散射信号为各个方向，由光学望远镜接收大气粒子后向散射回波信号，根据Klett积分方法反演獲得大气消光系数。激光雷达接收的回波信号光子数可表示为：
　　其中，P0为发射激光功率，τ为激光脉冲宽度，c为光速，λ为发射激光波长，ΔR为回波信号积分距离，R为距离，A为望远镜接收面积，O（R）为距离R处的充填系数，β（R，λ）为后向散射系数，η为发射接收效率，α（r）为消光系数，
　　为大气双程透过率。
　　上述激光雷达存在两个未知量，消光系数量和后向散射系数量，如何求解激光雷达方程是激光雷达探测大气参数的关键。为求解以上方程，前人的研究结果上表明，后向散射系数和消光系数存在以下指数关系，
　　其中k为与气溶胶粒子和激光波长有光的常数，一般情况下0.67≤k≤1。在波长为532nm时，k可取1。系数常数可取为50。Klett给出消光系数的后向积分表达式为：
　　
　　以上是激光雷达测量大气能见度的基本原理。激光雷达采集到的回波信号是经过转换后存储到文件中的数字化的信号。通常文件信息中包含系统参数信息，高度信息，和对应高度的回波信号数值。回波信号中既包含有用的回波信号，也包含有各种背景噪声，如天空背景噪声，探测器暗电流噪声和电路噪声。因此，在进行数据反演之前，需进行回波信号的预处理。这里学生应掌握预处理的基本步骤，包括回波信号的时间和空间积分，扣背景处理，和数据平滑。时间积分主要是在时间上进行累加或平均，空间上积分主要是按照一定距离范围进行累加或平均处理。扣背景处理可选取回波信号文件中较远处无有效回波的一段距离平均值作为背景扣除，消除背景偏移的影响。数据平滑是对回波信号的噪声起伏进行平滑，平滑方法很多，包括三角形滤波方法，矩形滤波方法，汉宁窗滤波方法和小波滤波方法等等，学生们可自行实验各种滤波方法，比较各种平滑方法的区别和优缺点。在进行数据平滑之后，有公式（2）计算得到消光系数。再根据公式（3）计算得到能见度。 　　3 結束语
　　本文根据中国科学技术大学地球和空间科学学院教学科研发展需要，从实验教学中心的基本情况出发，详细进行了能见度激光雷达探测实验的设计。实验从激光雷达操作安全知识、激光雷达系统组成和能见度激光雷达反演方法三个方面，逐点详细描述实验过程中所涉及的关键注意事项、硬件知识和理论知识。着重介绍了能见度激光雷达的发射机、接收机和采集控制部分的主要部件，能见度激光雷达的基本原理，回波信号的预处理，消光系数反演方法，根据消光系数计算能见度方法。能见度激光雷达系统是一种昂贵的光学系统，在实际的激光雷达系统上进行实验操作耗材成本很高，也缺乏容错能力，下一步我们将考虑将虚拟现实技术引入激光雷达探测实验中，学生们先在虚拟环境完成能见度激光雷达探测实验的各项操作，然后再进行实物仪器的实验操作。
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