沙姆激光雷達(dá)

特點(diǎn)

? 真正的遙感

? 距離分辨率

? 3m到3km

? 高靈敏度

? 高速:＞3kHz

? 遠(yuǎn)距離大氣系統(tǒng)

? 短距離工業(yè)系統(tǒng)

? 高分辨率: ＜1cm

? 關(guān)于昆蟲(chóng)的*的數(shù)據(jù)

? 顆粒物、氣溶膠和氣體廓線

應(yīng)用場(chǎng)景

? 安防

? 環(huán)境監(jiān)測(cè)

? 質(zhì)量控制

? 動(dòng)物群和植物

一、簡(jiǎn)介

沙姆激光雷達(dá)系統(tǒng)是真正的遠(yuǎn)程和便攜系統(tǒng)，它具有xxx的時(shí)間和空間分辨率，它可以為用戶(hù)提供實(shí)的大氣條件的測(cè)量結(jié)果和定量分析。即使在非常晴朗的條件下（0.15 km-1）高靈敏度的系統(tǒng)也能夠生成可探測(cè)的大氣信號(hào)。系統(tǒng)采用高度模塊化設(shè)計(jì)，利用*的波長(zhǎng)、極化和探測(cè)器配置組合，可以使系統(tǒng)適合一系列不同的應(yīng)用，比如從大氣中氣體濃度和氣溶膠測(cè)量到農(nóng)業(yè)中空中動(dòng)物群如昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)的監(jiān)測(cè)。

利用SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)可以在幾公里范圍內(nèi)高速測(cè)量污染物和氣溶膠，并且能夠準(zhǔn)確地找到污染源，有時(shí)即使污染源存在時(shí)間很短也沒(méi)有問(wèn)題；定量和主動(dòng)測(cè)量在城市環(huán)境監(jiān)測(cè)中是非常有價(jià)值的。

下面對(duì)沙姆激光雷達(dá)技術(shù)，以及該創(chuàng)新的激光雷達(dá)的一些新的應(yīng)用進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

二、技術(shù)原理

傳統(tǒng)激光雷達(dá)是基于激光束的飛行時(shí)間原理，即在大氣中發(fā)射一個(gè)光脈沖，大氣的反向散射是時(shí)間可分辨的（通常通過(guò)復(fù)雜的單光子計(jì)數(shù)器件），從而得到被測(cè)信號(hào)的距離分辨率。而 SPLR 3500的激光雷達(dá)系統(tǒng)采用了沙姆原理，即距離的分辨率是激光束在大氣中成像的結(jié)果，因而SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)就可以利用連續(xù)（CW）二極管激光器，這樣可以很大地降低了激光雷達(dá)系統(tǒng)的體積和功耗，一個(gè)車(chē)載電池就可以保證激光雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)。

SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)基于沙姆原理，一次曝光就可以成像整個(gè)激光束背散射信號(hào)。如圖1所示，探測(cè)器上一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)*的探測(cè)空間范圍。這個(gè)成像原理使得激光雷達(dá)的空間分辨率和距離具有一個(gè)確定的函數(shù)關(guān)系，而時(shí)間分辨率是由探測(cè)器的采集速率決定的。在近距離測(cè)量時(shí)，SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)脈沖系統(tǒng)高的空間分辨率，而在遠(yuǎn)距離二者的空間分辨率則相當(dāng)。

圖1. SPLR 3500沙姆激光雷達(dá)系統(tǒng)光束在探測(cè)器上成像示意圖

三、應(yīng)用

? 粒子和氣溶膠

由于米氏散射（Mie Scattering）產(chǎn)生大的可探測(cè)的背向散射信號(hào)，SPLR 3500激光雷達(dá)特別適合大氣中攜帶的粒子，就是所謂的氣溶膠的測(cè)量。人們對(duì)氣溶膠的許多特性都感興趣，比如濃度、尺寸、形狀和化學(xué)組分等；利用SPLR 3500激光雷達(dá)，通過(guò)調(diào)整波長(zhǎng)和極化的組合，用戶(hù)就可以得到這些特性。

波長(zhǎng)相關(guān)的背散射截面可以對(duì)不同的粒子進(jìn)行分類(lèi)，因?yàn)樵谔囟ǖ淖V段采用兩個(gè)或者多個(gè)波長(zhǎng)的組合方法，氣溶膠會(huì)呈現(xiàn)很大的不同。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)中大氣衰減系數(shù)（extinction coefficient km-1）是另一個(gè)非常感興趣的重要參數(shù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)方程衰減系數(shù)可以用來(lái)計(jì)算大氣中的微粒物（PM）。

PM2.5和PM10通常用來(lái)分類(lèi)大氣中粒子的尺寸和濃度，因?yàn)樗鼈兛赡鼙晃塍w內(nèi)對(duì)人類(lèi)健康造成危害。PM 的測(cè)量通常需要在城市的不同地方進(jìn)行，這就會(huì)在定量性和空間上由于相對(duì)低的信息價(jià)值限制了測(cè)量效率。

“分析城市氣溶膠，包括PM10和PM2.5，合理的監(jiān)測(cè)方法應(yīng)該能夠確定工業(yè)輻射源，這是對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)保xxx的貢獻(xiàn)（在城市功能區(qū)）。如果主動(dòng)的監(jiān)測(cè)能夠與中心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連并能快速地減少污染源，這樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際利用就會(huì)很大地?cái)U(kuò)展了，這將改善現(xiàn)有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的效率。”

SPLR 3500激光雷達(dá)一個(gè)應(yīng)用案例如圖2所示，這里激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)挪威的一個(gè)高速公路的上方，每個(gè)經(jīng)過(guò)的車(chē)輛都會(huì)有粒子排放物，并且能夠被激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)到，同時(shí)標(biāo)記在圖中，激光雷達(dá)也能夠顯示排放物隨時(shí)間被風(fēng)吹走延光束的變化， 在圖中大約 80 秒后，強(qiáng)烈的陣風(fēng)導(dǎo)致的測(cè)量湍流。正是由于高時(shí)間和空間分辨率，SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到高速公路上每個(gè)經(jīng)過(guò)的車(chē)輛，這對(duì)于傳統(tǒng)脈沖激光雷達(dá)是不可能做到的。

圖2.時(shí)間-距離激光雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)一條高速公路測(cè)量的時(shí)間-距離信號(hào)，單獨(dú)車(chē)輛的排放監(jiān)測(cè)。

? 氣體濃度

在差分吸收激光雷達(dá)（DIAL）測(cè)量時(shí)，需要調(diào)諧激光波長(zhǎng)到氣體的已知吸收線，通過(guò)記錄不同波長(zhǎng)的響應(yīng)來(lái)計(jì)算特定氣體的濃度。從記錄的吸收譜就可能計(jì)算出氣體的濃度，溫度和壓力。然而DIAL 對(duì)激光光源提出了特殊的要求，即必須是可調(diào)諧的窄譜段連續(xù)高功率激光器。盡管如此，SPLR 3500激光雷達(dá)給出了O2（在760nm）和 CO2(在1.57um)濃度的測(cè)量結(jié)果。這個(gè)測(cè)量給出了幾公里距離的空間可分辨的氣體濃度。

圖3.左圖給出沙姆激光雷達(dá)進(jìn)行DIAL測(cè)量的 CO2 的3個(gè)吸收峰，右圖給出估算的濃度隨距離的變化。

? 空中動(dòng)物群監(jiān)測(cè)

采用SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行空中動(dòng)物群的研究，特別是在昆蟲(chóng)學(xué)研究方面的應(yīng)用是一個(gè)創(chuàng)新性的工作。通常的方法是設(shè)置陷阱，幾天之后回來(lái)手工收集昆蟲(chóng)和計(jì)數(shù)，采用 SPLR 3500 激光雷達(dá)就可以遠(yuǎn)距離非破壞地觀察和一個(gè)區(qū)域的昆蟲(chóng)?，F(xiàn)在用激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)你感興趣的區(qū)域，這樣你就可以在幾公里的距離范圍內(nèi)距離可分辨地實(shí)時(shí)觀察昆蟲(chóng)活動(dòng)。取決于具體地方，你可以觀察成百上千的昆蟲(chóng)在白天飛過(guò)激光束，從而獲得它們的飛行方向，尺寸和種類(lèi)等信息。

測(cè)量系統(tǒng)具有kHz的采樣速率，由于經(jīng)過(guò)激光束的昆蟲(chóng)翅膀的擺動(dòng)，所以測(cè)得的動(dòng)物群的信號(hào)需要進(jìn)行調(diào)制，如圖 4 所示。調(diào)制譜含有個(gè)體的*信息如翅膀擺動(dòng)頻率、身體、翅膀尺寸以及諧振的其它信息。利用這些信息就可能對(duì)觀察的昆蟲(chóng)進(jìn)行分類(lèi)。人們對(duì)昆蟲(chóng)的行為模式感興趣，SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)在某個(gè)地方用來(lái)研究昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類(lèi)和蝙蝠的動(dòng)態(tài)行為。

圖4.采用SPLR 3500沙姆激光雷達(dá)觀察昆蟲(chóng)的兩個(gè)案例，xxx上一排圖給出由于翅膀擺動(dòng)導(dǎo)致光截面的變化引起的調(diào)制信號(hào)的變化，中間一排圖給出的是觀察目標(biāo)的距離積分信號(hào)，xxx下面一排圖則是頻率分析，它給出了觀察的諧振成分。

四、SPLR 3500配置

? 波長(zhǎng)

SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)激光波長(zhǎng)范圍是由硅探測(cè)器的響應(yīng)決定的。可采用的xxx短波長(zhǎng)是 400nm，xxx長(zhǎng)波長(zhǎng) 1050nm；通常有如下不同波長(zhǎng)的高功率二極管激光器可選： 405nm, 450nm, 520nm, 532nm, 635nm, 650nm, 780nm, 808nm, 830nm, 850nm, 935nm, 980nm 。

? 偏振

SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)可以提供正交偏振配置，即在發(fā)射器上安裝同樣波長(zhǎng)的兩個(gè)二極管激光器，使它們的偏振方向相互垂直。探測(cè)器配有偏振濾光片，其偏振方向保證探測(cè)器只能探測(cè)到 P-偏振光，和S-偏振光相比，P-偏振光具有更高的探測(cè)效率。這種配置比如可以從昆蟲(chóng)群中識(shí)別雨滴，或者在大氣中識(shí)別固體和液體氣溶膠。

? 探測(cè)器

探測(cè)器的選擇是根據(jù)針對(duì)特定應(yīng)用的激光器來(lái)確定的。根據(jù)感興趣的波長(zhǎng)和偏振的選擇，采用定制的濾光片組可以xxx化地改善激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

五、總結(jié)

SPLR 3500沙姆激光雷達(dá)系統(tǒng)具有*性，它不是工作在段脈沖的時(shí)域，它的距離信息是由幾何光學(xué)獲得的，與傳統(tǒng)脈沖高功率激光雷達(dá)相比，沙姆激光雷達(dá)系統(tǒng)體積小，*，速度快（kHz）。

*的設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行定制和調(diào)制，它既可以測(cè)量幾十米距離的目標(biāo)，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離公里級(jí)別測(cè)量并具有亞厘米的分辨率。

SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)Υ髿庵辛Ｗ?，氣溶膠，氣體等，或者其它媒體如水或者石油中的粒子進(jìn)行高時(shí)間分辨率和空間分辨率進(jìn)行測(cè)量。