2.2.2　激光雷达系统

米散射激光雷达是应用最广，也是发展历史最久的一种激光雷达系统，主要利用气溶胶的后向米散射回波来探测气溶胶消光系数或后向散射系数的分布。这种激光雷达系统已被广泛应用到对流层和平流层气溶胶光学特性时空分布的测量中。这种弹性散射激光雷达还可用来测量烟雾和工业尘埃，为研究这些污染物的扩散规律提供了有效的实验手段。常用的激光波长为Nd：YAG的2倍频输出532nm绿光，探测范围可以从近地面至平流层30km高空，尤其是它能够在白天进行对流层中低层气溶胶的测量。此类激光雷达的缺点是回波方程中含有气溶胶后向散射系数和消光系数两个未知量，定量求解中必须预先假定这两个参数之间的关系。这种激光雷达技术发展比较早且比较成熟，系统结构简单，现在已向小型化和商品化发展，在大气环境及气溶胶相关的气候辐射等领域具有广泛用途。目前这类激光雷达正在向空间平台发展（机载及星载等），用于监测全球气溶胶和云的空间分布。散射激光雷达涉及激光、光学与机械、电子以及计算机控制等技术，一般由激光发射系统、光学接收系统和信号检测系统三部分组成，如图2-8所示。

2.2.2.1　激光发射系统

激光发射系统由脉冲激光器、光束准直器和光束发射器组成。脉冲激光器是决定激光雷达整体性能的关键单元之一，在米散射激光雷达中常使用固定波长的脉冲激光器。早期的米散射激光雷达多用红宝石或铷玻璃脉冲激光器，其发射波长分别为694.3nm、1064nm。这两种激光器虽然能够输出较大的单脉冲能量，但其脉冲重复频率难以提高。因此，20世纪80年代以来，这两种激光器很快被性能更为优越的Nd：YAG激光器所取代。

Nd：YAG脉冲激光器是一种固体激光器，其基波波长为1064nm。由于YAG激光器具有峰值功率高、光束性能好的特点，对其基波进行倍频和混频等非线性频率变换，能以很高的效率获得532nm的绿色可见光和355nm的紫外光。利用调Q技术，可将YAG激光器的脉冲宽度压缩到约10ns。目前，YAG激光器多用闪光灯激励，其单脉冲激光能量可达到或超过1J的水平，脉冲重复频率通常在10～100Hz范围。其缺点是体积、功耗较大，对于移动式激光雷达的Nd：YAG脉冲激光器则需要功率和体积均要小一些，且对结构的牢固性和工作的可靠性具有较高的要求。Nd：YAG脉冲激光器的最近发展是用半导体二极管激光代替传统的闪光灯作为激励源，使这类激光器变成所谓全固化激光器。和原来的闪光灯激励相比，半导体激光激励具有更高的转换效率、更高的脉冲重复频率、更小的体积和更高的可靠性，因此特别适用于各种小型化和移动式激光雷达。

发射激光束的高度准直性是激光雷达的主要特点之一，但目前大多数激光器输出光束的准直性并不能完全满足激光雷达的应用要求。例如，一光束直径约为10mm的激光束，如发射角为1mrad，则该光束在大气中传播100km后其光束直径将变为大约100m。激光雷达为了接收来自这100m直径范围大气的回波信号，其接收望远镜的视场必须调得比激光束的发散角更大。这样，激光雷达接收到的天空背景光的噪声将大大增加，从而降低了激光雷达的探测能力。因此，对大多数激光雷达的光束都需要采用光束准直器对其进行准直处理，以进一步提高发射激光束的准直度。

光束发射器的作用是将已经准直的激光束向所要求的方向发射。光束发射器主要由光学转折镜和相应的精密光学调节架组成。对光学转折镜的要求是能无畸变地折转能量密度很大的发射激光束。对于通常采用的90°转折来说，尺寸较大的光学玻璃或石英直角转折棱镜适合作转折镜；如需用平面反射镜，则要求其光学反射膜具有较高的强度。精密光学调节架的作用是准确地调节发射激光束的方向。调节架通常设有粗、微调机构，要求达到微弧度的角度调整精度。

2.2.2.2　光学接收系统

接收系统包括接收望远镜、窄带滤光器和光电探测器。

接收望远镜用于接收激光雷达回波信号，常用的是卡塞格伦望远镜和牛顿望远镜。其中牛顿式反射望远镜由球面镜和平面转折镜构成，而卡塞格伦式望远镜则由抛物面镜和双曲面镜构成。比较而言，牛顿式望远镜的结构和调整较为简单，而卡塞格伦式望远镜的结构和体积则要紧凑一些。不管哪种形式，作为激光雷达的接收望远镜，在其焦平面上均需设置一小孔光阑，以控制其接收视场。

激光雷达光学接收系统中窄带滤光器的作用是仅让工作波长的回波光顺利通过而尽量抑制其他各种波长的背景光或杂散光。激光雷达常用的窄带滤光器为干涉滤光片。干涉滤光片是在玻璃基片上交替镀一层不同种类和结构的光学薄膜做成的，能通过光的干涉作用形成良好的带通特性。干涉滤光片的主要指标为透射波长、透射率、透射带宽和带外抑制等。一般激光雷达的使用要求为：透射带宽3～5nm，透射率50%～70%，带外抑制10-4～10-5。

干涉滤光片通常用于垂直入射的平行光束。用于倾斜入射会使透射波长向短波方向移动，用于非平行光束会造成波长紫移和带宽增加。因此，在激光雷达接收望远镜的焦平面后要加上一块准直透镜，将发散光束变为平行光束，再由干涉滤光片进行滤光。经过滤光片后的激光雷达回波信号光，由光电探测器进行光电转换，将光信号变为电信号。光电倍增管具有高增益、低噪声的优点，响应带宽从紫外到近红外光波段，目前仍是激光雷达主要采用的光电探测器。

2.2.2.3　信号检测系统

信号检测系统的作用是将经过光电转换后的电信号进行一系列的放大、采样和累加平均处理，使之成为一种反映回波信号强度随探测高度（距离）而变化的激光雷达回波，并用适当方式将其显示出来。激光雷达的信号检测系统通常由信号放大器、显示器、信号采样平均器和微机等组成。

信号放大器的作用是将来自光电探测器的微弱信号放大到一定的幅度，以适应信号采样平均器的工作要求，通常称为前置放大器。由于激光雷达的回波都是快速变化的信号，因此，用于激光雷达的前置放大器除要求具有一定的增益（10～100倍）外，对其噪声特性有较高的要求。为了进一步降低激光雷达系统的引入噪声，要求将前置放大器尽量靠近光电探测器安装，尽量缩短两者之间的连接电缆。

显示器常用于按强度-时间的形式来实时显示激光雷达回波信号，可使用示波器来担任，直接显示来自前置放大器的激光雷达回波。由于从显示器上可清楚地看出激光雷达回波的特征和变化，因此对监视激光雷达的工作状态和指导激光雷达的整机调整都非常有效。

信号采样平均器用来对前置放大器输出的回波信号进行采样和记录，并对在一段时间内所获得的回波信号进行累加平均。激光雷达所用的采样平均器有两种：模拟采样平均器和光子计数采样平均器。

2.2.2.4　模拟采样平均器

在一些低空探测激光雷达中，由于探测高度不高，因此所获回波信号较强，表现为具有一定幅度的电压和电流随时间的变化，称为模拟信号。对这种信号的检测，可用较为简单的模拟采样平均器来进行。模拟采样平均器的主要部分为A/D转换器，将来自前置放大器的回波电信号经采样、量化处理后储存起来。在低空探测激光雷达中，通常采用采样频率为10MHz以上的A/D转换器，以保证激光雷达较高的低空探测分辨率。用于激光雷达的采样平均器还必须具有触发采样和信号累加功能。当激光器发射一个光脉冲时，信号采样平均器进行一次触发连续采样并记录结果。当发射下一个脉冲时，在进行本次触发采样的同时，将新采样结果与原有采样结果按采样点的顺序进行累加和平均。通过多次这样的触发采样和累加平均，最后得到激光雷达的原始回波数据。

2.2.2.5　光子计数器

在高空探测激光雷达或是某些回波机制效率很低的低空探测激光雷达中回波信号很弱，呈现出随时间离散分布的光脉冲信号，每个光脉冲信号对应于光信号中的一个光子。此时，信号的强弱由光脉冲信号在时间上分布的密集程度表示。对于这种在时间上离散的微弱光脉冲信号，有效的检测方法是光子计数。用于激光雷达的光子计数器是一种多通道式的光子计数器，其工作原理与模拟采样平均器类似，只是将模拟采样平均器中的采样量化变成了采样计数，因此也可称为光子计数采样平均器。在大多数激光雷达的信号检测系统中都配置了一台微机，它的主要作用为控制回波信号的检测、回波数据的自动采集、激光雷达的自动调整以及在工作空隙对回波数据进行反演处理。图2-9为2007年12月在合肥董铺岛利用上述米散射激光雷达结合Fernald算法的反演结果，发射激光波长532nm，空间精度30m。