（物理电子学专业论文）基于虚拟仪器的差分吸收雷达数据采集系统研究.pdf

哈尔滨tq k 人学t 学1 学他论迁 摘要 随着科学技术的发展，环境问题越来越受到享1 会的关注。治理环境污染 的天键足能监测出污染物种类及来源。传统定点采集的监测方法不能很好地 反应污染物的时空分布及其来源，相反采用激光探测的手段就”j 以全方位多 角度全天候监测环境状况。激光探测是通过测量数据反演大气、海洋等情况， 所以数据采集的准确与否就直接影响我们雷达测量的精度。近年来p c 机应用 的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中最显著的一点就 是虚拟仪器概念的出现与发展。将虚拟仪器用r 激光雷达数据采集系统品著 提高激光雷达测量数据的准确性。 本论文主要是从激光在介质中的传输理论出发，在细致分析激光与物质 相互作用的基础上利用差分吸收原理，详细讨论了距离分辨和长程微分吸收 原理。利用激光雷达方程推导出凹波功率j 信噪比的计算公式，并利用m a t l a b 软件对其进行了详细的计算与讨论。利用l a b v i e w 编写了两套数据采集系统。 其一就是以示波器为基础的数据采集；其二就是以单独采集卡为基础的数据 采集。耵面一种适合于低重复频率的硬目标反射的数据采集，后面一种适合 于距离分辨的高重复频率大量数据采集，存这两种数据采集方案中本论文都 详细编写了数据采集、文件存储、数据分析与图形显示子程序。 实验巾设计、组装并调试了被动调q 的y a g 激光器，并对其输出能量与 波形进行了初步测试，此激光器主要是用于以后激光雷达回波采集的发射光 源的。另外本人利用l a b v i e w 进行了仿真分析实验。分别从采样率、数字滤波、 触发、同步与缓存、输入范围以及增益等方面进行r 详细的讨论分析。其巾 主要是进行了数字滤波的仿真实验，利用l a b v i e w 模拟产生带有各种噪声的信 号，通过改变各种滤波器参数柬选出对我们来说最合适的数字滤波器。 关键词虚拟仪器；回波探测；数据采集：信号处理 堕丝堡二些垒兰三兰竺! ! 兰竺鎏兰 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ep e o p l e t h i n km u c ho ft h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n tt h ep r e c o n d i t i o no fe n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o np r e v e n t i o ni s t h a tw ec a nd e t e c tt h ec o n t a m i n a t i o ns p e c i e sa n ds o n r c e t h et r a d i t i o u a lm e t h o do ff i x e d p o i n ta c q u i s i t i o nc a nn o tr e f l e c tt h ed i s t r i b u t i o n a n ds o u r c eo f p o l l u t i o n b u ti a s e rr e m o t es e n s i n gc a nd oi t b e c a u s ei nt h ei a s e r r a d a rw ei n v e r s et h ea t m o s p h e r eo ro c e a nc o n d i t i o nt h r o u g ht h em e a s u r e dd a t a ， t h ea c c u r a c yo fd a t aa c q u i s i t i o ni n f l u e n c et h em e a s u r e m e n tr e s u l to fl a s e rr a d a r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp c l a t e l y , v i r t u a li n s t r u m e n tm a k eg r e a tp r o g r e s s i nt h e l a s e rr a d a rw ei n c r e a s et h e a c c u r a c y o fd a t a a c q u i s i t i o nb yu s i n g v i r t u a l i n s t r u m e n t t h e p a p e ra n a l y z e t h er e s o l v e da n d l o n g r a n g e d i f f e r e n t i a l a b s o r p t i o n p r i n c i p l e o nt i l eb a s eo ft h el a s e rt r a n s m i s s i o nt h e o r yt h r o u g hm e d i a t o r u s i n g t h el a s e rr a d a r e q u a t i o n w ed e d u c et h e e q u a t i o n o fl a s e re c h o p o w e r a n d s i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) w ec a l c u l a t ea n dd i s c u s st h e mb yt h es o f t w a r eo f m a t l a b l a b v i e wi s g r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h et w od a t aa c q u i s i t i o n s u b s y s t e ma r ec o m p i l e db y t h el a b v i e w o n ei sv i r t u a lt d s 3 0 3 2d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m t h eo t h e ri sd a q d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m w eu s ev i r t u a lt d $ 3 0 3 2d a t a a c q u i s i t i o n o nh a r dt a r g e tr e f l e c t i o na n dl o wr e p e t i t i o n f r e q u e n c y ，b u tw eu s e d a qd a t aa c q u i s i t i o r ls y s t e m i nt h e t w od a t a a c q u i s ；, t i e n a n dp r o c e s s i n g s u b s y s t e m w eb o t hw r i t ed a t a a c q u i s i t i o n ，f i l em e m o r y ，d a t ap r o c e s s i n g a n d g r a p h i c a ld i s p l a ys u b p r o g r a m w e d e s i g n ，a s s e m b l ea n dd e b u ga np a s s i v eq s w i t c hy a gl a s e r b e s i d e sw e m e a s u r et h el a s e ro u t p u te n e r g y t h el a s e rw i l lb eu s e di nt h el a s e rr a d a r f h e p a p e r d o e se m u l a t i o n e x p e r i m e n tu s i n g l a b v i e ww ed od e t a i l e di n d i v i d u a l a n a l y s i sa b o u ts a m p l i n gr a t e ，d i g i t a lf i l t e r ，t r i g g e r ，s y n c h r o n i z i n g ，b u f f e rs t o r a g e ， i n p u tr a n g ea n dg a i n i n g t h ek e yw o r ki st h ee m u l a t i o ne x p e r i m e n tu s i n gd i g i t a l f i l t e rw es e l e c tt h es u i t a b l ed i g i t a lf i l t e rt h r o u g hs i m u l a t i n gt h es i g n a lw i t ha l l k i n d so fn o i s e k e y w o r d sv i r t u a li n s t r u m e n t ，e c h od e t e c t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g 塑! i 篓! 些叁兰! ：兰竺! 兰：篁堕兰 1 1论文背景 第1 章绪论 当前环境问题越柬越受到大家的关注，对于大气的探测就变得f i 趋重要。 由于激光雷达有很高的时间和空间分辨率和很高的探测灵敏度( 可以探测近 百公里高度处每立方厘米仅几个原子的稀疏犬气成分) 所以被广泛应用于对 大气、海洋、陆地和其它目标的遥感遥测中。其中差分吸收雷达更是具有高 的灵敏度而成为最有前途的激光雷达 ”。它在气象学、风速测量、气候变化、 奥氧层和环境污染等的监测当中发挥越来越重要的作用。激光雷达是通过测 量的数据来反演大气或海洋等状况的，所以数据采集的准确与否就直接影响 测量结果的准确性。本论文主要是利用图形化编程工具l a b v i e w 编写数据采 集、存储、分析与显示程序。 近来p c 机迅速普及以及计算速度急剧提高，促进了测试测量和自动化系 统的革新，其中最显著的一点就是虚拟仪器的出现与发展，它在提高测量精 度和系统性能，降低成本方面做出了巨大贡献。现在越来越多的人将虚拟仪 器用于激光雷达系统当中，本文就是尝试将它用于激光雷达的数据采集系统 当中。虚拟仪器大体上可以分为两大类。一类就是将传统模块化仪器通过某 种连接方式扩展到计算机，另一类就是在一些插入式板卡的基础上通过一些 应用软件程序而形成的虚拟仪器。本论文分别从这两个方面对激光雷达的数 据采集系统进行了初步研究。 简言之，本论文研究的目的就是尝试着将虚拟仪器用于激光雷达的数据 采集系统当中，使用l a b v i e w 图形化编程的方式，实现对仪器的控制与数据采 集以及分析与图形显示。 1 2 仪器发展概述 仪器是我们认识自然、社会乃至人本身的工具。先进的仪器往往能发现 本质现象，做出一流成果。 仪器的发展大致经历了以下四个过程：模拟仪器、数字仪器、智能化仪 器和虚拟仪器【羽。 第1 弋模拟仪器 坠堡堡：! 些垒兰! 兰些! ：兰堡丝兰 它是在模拟电子基础卜实现的 拟示波器等，这类仪器功耗比较大 已经渐渐地被新的仪器所取代。 第二代数字仪器 用指针等方j 显示。如针式万用表、模 而且容易受到干扰且准确度不好，现在 它是住数字电子的基础上发展起来的，数字化仪器在目f ； 应用很普遍， 如数字力+ 用表、频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转换为数字信号的测 量，并数字显示。它般还提供一些用来和计算机进行连接的接i 如r s 2 3 2 、 g p i b 等，这样就能方便测量结果的分析。 第三代智能化仪器 这类仪器一般是模块化仪器，它除了能进行测量之外还具有分析测量数 据的功能，因为它内置微处理器。例如我们现在所使用的t d s 3 0 3 2 b 、6 8 4 a 等示波器都是智能化仪器。它某个方面功能很强大但是缺乏灵活性。 第四代虚拟仪器 虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念 的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。我们将在第四章详细讨 论虚拟仪器的强大功能。 用于虚拟仪器的计算机平台有v x i 、p x i 、p c i 等。v x i 和p x i 这两类 总线不仅以速度快而著称，而且有严格的机械标准和电气规则。它们的屏蔽 性能比较好，适合于工业环境使用。虚拟仪器有两类，早期的虚拟仪器就是 在t l p 公司丌发了h p i b ( 也就是后来的g p i b ) 后，些火的仪器厂商纷纷 接受此标准，并将他们生产的仪器都配上标准的g p i b 接口，这样就将传统 的仪器扩展到计算机从而构成最早的虚拟仪器。例如在雷达当中我们就使用 带有分段内存的仪器，例如t e kr t d 7 2 0 a ，它能在5 微秒的时f f l j 内分别保 存1 0 2 4 个事件，在快速脉冲后就可以通过g p i b 把数据上传i j j 。 另一类虚拟仪器就是在插入式板号的基础上发展起来的，本文所研究的 主要是用于处理快速脉冲的瞬时数字化仪，这类板卡配合l a b v i e w 等图形化 编程语占就可以构成功能很强大的虚拟仪器。生产这类板卡的公司主要有 n i 、a d l i n k 和g a g e 等，目前采样率最快的采集卡就是g a g e 生产的， 它可以达到2 g s s ，不过它是8 位的采集卡，位数和采样率同州都做的最好 的也是g a g e 公司的，目前它可以做到1 4 位，4 0 0 m s s ，当然它的价格足最 贵的。目前性价比最高的就是台湾的a d l i n k ( 凌华) 公司生产的d a q 。与 l a b v i e w 集成度最高的是n i 公司，l 产的高速数字化仪。目前的数据采集卡大 概最好可以做到以下标准8 位2 g s s ，1 2 位5 0 0 m s s ，1 4 位4 0 0 m s s ，1 6 何 喻尔滨j ：业人学丁学坝i 学位论文 l5 m s s 2 4 位5 0 0 k s s ，这些卡一般都带有内存和触发于系统的，现在它们 般做到2 通道同步采集，最多能做到4 通道同步采集。 1 3激光差分吸收雷达国内外发展状况 1 3 1 国外研究现状 _ 二t 世纪五十年代美国人就提出激光差分吸收雷达( d i a l ) 设想。 国外7 0 年代就已经丌始c 0 2d i a l 系统的研究。 8 0 一9 0 年代研究工作进入高潮，美国不惜巨资进行该领域的研究。 1 9 9 0 美国国际空间研究会光电系统实验室和美国陆军杜韦实验室研制了 能进行定量探测污染物浓度的车载c 0 2d i a l 系统( 4 台可调偕t e ac 0 2 激光 器) 外场试验已经测到1 k m 处浓度o 0 2 m g m 3 n s f 6 气体，数据采集处理系统 可以做到在1 0 s 的时问内，画出l 1 k m 范围的s f 6 气体的实时浓度分布图，距 离分辨为2 0 m 。 1 9 9 2 美国马晕兰科学技术公司研制采用单台快速可调谐下e ac 0 2 激光器 的d i a l 系统，他们做了“根据c 0 2 激光差分雷达的回波信号推断6 e 溶胶光谱 结构的试验测量”等方面的工作，为c 0 2d i a l 系统的测量提供了基本数据。 1 9 9 2 年德国的r o b e r tl a n g e 和m i c h a e lf i e d l e r 使用基于移动c 0 2d i a l 对 多种气溶胶进行了模拟计算1 4 j 1 9 9 4 年s r ii n t e r n a t i o n a l 中心的l e w i s 等人，在捷变频c 0 2d i a l 的研究中 使用a t - g p i b 将t e kr t d 7 1 0 a ( 1 0 0 m h z ，1 0 位) 与计算机相连接，进而将实验 数据上传到计算机，用c c + + 编程分析实验数据【s 】。 1 9 9 5 年，c a r l i s l e 等人研制了能进行定量探测污染物浓度的车载c 0 2d i a l 系统，并进行了外场试验1 6 1 。浚雷达系统装有4 台可调谐t e a c 0 2 激光器，最 强的1 0 p ( 2 0 ) 支输出能量1 2 j ，脉宽13 0 n s ，重复频率2 0 h z 。该雷达系统能够距 离分辨在9 。1 l a m 光潜区有特征光谱的化学挥发气体s f 6 。 1 9 9 7 年j u r g e n 等人使用l a b v i e w 软件对d o p p l e r 激光雷达进行丁模拟 j 1 9 9 8 年美国空军研究实验室等单位的d a n i e le s e n f t 等人在c 一13 5 e 飞机 上采用重复频率为3 0 赫兹的捷变频c 0 2 激光器与4 0 c m 直径接受望远镜对大气 污染进行了探测，在他们实验当中，使用了v m e ，b a s e d 的系统在6 0 m s a s ，1 2 位高速数字化仪的基础上建立了高速数字采集和实时信号分析与显示的 l a p s 子系统i 。 堕丝竺三些叁兰! 耋丝! ：兰：些尘兰 1 9 9 8 年德因的u l r i c hp a n n e 在激光远距离传感文中洋细报道r d i a l 仵 环境监测中的应用，文章中提到很多用于环境监测的激光光源以及传感器t 他们对距离分辨d i a l 进行了形象的模拟如图l ，l 9 1 d i s t a n o er b 图1 ，l 激光筹分吸收雷达原理图 1 9 9 9 年美国空军菲利普实验室报道了机载相干c 0 2 激光d i a l 系统的设 计方案，2 0 0 0 年报道了浚雷达试验结果良好i l 。 俄罗斯的k d k h r 一1 n 型激光报警系统是第一种服役的激光系统，系统安 装在自行履带车上，对某些污染物能探0 1 t 1 3 7 k m ，可在1 分钟内连续自动监 测3 6 0 度水平范围，但具体探测方法未见报道j 。 德国h u n g r a i n 公司研制的v t b 1 型遥测传感器也已实用化，系统使用两 台u 在9 1 1 微米| u j 约4 0 个频率卜调节c 0 2 激光器利用差分吸收原理工作【l “。 兰 m 竺l燃一警八铸兰川丛=l +引翱地一 -，【 营目尝一鼍彗8卫g n 泞尔演t 业人学t 学坝f 学位论史 在2 0 0 5 年4 月的激光聚焦世界杂志当中我们看到，一些人采用g a g e 公刮 ! 二产的高速数字化仪来研究云层等的后向散射信号。如图1 2 。 图1 2j h 丁人气探测的脉冲激光雷达示意图 这种研究后向散射信号的方法，由于它是建立在p c i 传输总线的基础上 所以能通过d m a 通道快速将数据传到计算机内存，进而存盘或分析。它比早 先的g p i b 式的分析数据的方法要先进很多。 1 3 2 国内研究现状 我国从7 0 年代起丌始了激光遥测大气的研究中国科学院大气物理研究 所、中科院空问物理所、安徽光机所、清华大学环境科学系、中国环境科学 院等单位都采用改进的红宝石激光雷达进行大气气溶胶和烟云的探测。 19 7 9j i 海华东师范大学利用双端长程吸收c 0 2 激光遥测仪进行了乙烯监 测实验距离1 2 0 0 米，最小可探测浓度为5 0 p p m 。 1 9 8 4 防化院进行了c 0 2 激光传输的初步试验探索。 哈工大光电子研究所“九 ”期问研究的可调谐高重复率小型t e ac 0 2 激 光器也为d i a l 打下峰实基础，同时我们在微弱信号外差探测技术、信号采集 处理等方而也积累了经验，为完成相干探n c 0 2d i a l 系统的研究奠定了峰实 的基础。 2 0 0 3 电子科技大学电子工程学院的易翔于蔚然利用v c + + 6 0 建立了激 光雷达系统的仿真软件，该软件列+ 以模拟各种环境与系统参数来刺激光雷达 的性能进行测试1 1 3 1 。 2 0 0 4 中国科学院安徽光学精密机械研究所的胡顺星等人在光学学报卜报 道了l 6 2 5 差分激光雷达探测对流层臭氧，文中对差分吸收雷达系统以及其原 理都进行了简要介绍，他们只简要报道了数据采集和控制部分用到了前置放 大器、多通道光子计数器、光丌关控制器、频率分配器、光电倍增管、门控 延时器和计算机软硬件但是他们没有详细报道使用何种数据采集系统f j 。 另外，科技部、中固科学院共同赞助，由安徽光学精密机械研究所承担 的奥运科技项目大气污染监测车载激光雷达电取得了显著进展【i 5 1 。 综匕所述，儿乎在所有的d i a l 都包括一个数据采集与控制子系统，但 是他们都没有详细报道其采集与控制子程序。总结一下在激光雷达叫波信号 数据采集的研究当中，目前主要有两种方法。一种就是将传统仪器通过g p i b 扩展到计算机进而分析实验数据，另外一种就是使用快速数字化仪和 l a b v i e w 等图形化软件通过利用计算机硬件的资源来构成高效的测试仪器。 在环境的研究当中，根据研究对象的不同选择不同的激光波长组成d i a l ， 目前常用j ：环境研究的主要有t e ac 0 2 激光器( 8 1 2 u m ) 和y a g ( 1 0 6 u m ) 为基础的o p o ( 3 5 u r n ) 。 1 4 课题来源及本论文的主要工作 本课题来源为自选课题。 本论文的研究内容主要由咀下几个部分组成： l 、激光差分吸收雷达回波信号的理论研究。 2 、回波信号功率和信噪比计算公式的推导。 3 、利用m a t l a b 等1 具对回波功率和信噪比进行计算与讨论。 4 、两类基于虚拟仪器的激光回波信号数据采集系统的设计。 5 、l a b v i e w 图形化语言编程进行数据采集、文件存储、结果分析并图形 显示计算结果。 6 、设计、组装和调试了被动调q 的y a g 激光器，并对其输出激光能量和 波形进行了简单测试。数据采集仿真方面，我们主要利用l a b v i e w 编程模拟产 牛带有各种噪声的回波信号，通过数字滤波器柬研究。 竺! ：堡! 些垒兰! ! 兰堡! 兰丝篁兰 第2 章激光差分吸收雷达原理与回波信号计算 2 1 引言 激光探测污染气体浓度是激光探测大气污染的一个重要方面。虽然这一 领域只有近二二十多年的发展历史，但是已在监测大气污染的时宁分布和研究 大气污染扩敖规律等方面显示出很大优越性。因此各国竞相丌展研究，不断 取得进展，并在实际工作中逐步获得应用。可以期望随着激光技术的迅速发 展，探测原理的同臻完善，激光探测污染物气体浓度将在大气环境科学中f i 益发挥其独特作用。 目前，激光探测污染物气体浓度的探测原理，主要有微分吸收原理和喇 曼散射原理。另外还有共振散射原理和荧光辐射原理，但是它们仅用于探测 高层大气中某些成分的浓度本章只讨论最有前途的用于差分吸收雷达的微 分吸收原理。激光探测污染气体浓度的差分吸收原理，是利用波长与待测污 染气体分子中心吸收谱线( 带) 重合的激光光束在大气介质中传输时受到该 污染气体分子的强烈吸收衰减，于是根据激光被衰减的程度便可以确定待测 污染气体的浓度。为减小大气中其他气体分子和气溶胶的衰减以及仪器参数 等对探测精度的影响，还需要选取另一个波长略偏离待测污染气体吸收谱线 中心的激光作为参考光束。由于激光探测污染气体浓度时，采用波长相差极 微的双波长激光，因此这一激光探测原理称为微分吸收原理( 或差分吸收原 理) ，相应的激光雷达称为微分吸收激光雷达( 或差分吸收激光雷达) f l ， 图2 1 某污染物吸收谱线示意图 图2 1 就是我们差分吸收雷达 ：作的基础 在本章中我们都简称激光雷达。由于污染气体分子都具有丰富的吸收光 - 米 一徽一位一坤 ，fl _ 呈 二ij-1 m们川，l f l j ，l 一 黜 竺垒鎏! ：些垒兰! ! 兰竺：! ；兰篁丝兰 谱线，波长范围从紫外至红外波段，所以根据微分吸收原理司探测多种污染 气体浓度，探测灵敏度较高，是很有发展前途的一种探测方法。微分吸收原 理包括距离分辨微分吸收原理和长程微分吸收原理，前者可获得污染7 i 体浓 度的空间分布，后者只能获得激光传输路径 二污染气体的平均浓度【j 7 1 。 差分吸收雷达的回波信号可大体分为三类：角物反射、地物反射和距离 分辨。相对应的有两种回波信号理论即长程微分吸收原理和距离分辨微分吸 收原理8 1 。本章主要从这两种理论出发，通过激光雷达方程详细推导r 叫波 信号功率与信噪比公式，并利用m a t l a b 软件对其进行了计算。详细分析差分 吸收雷达回波信号的回波功率、信噪比和探测概率i l 。 2 2差分吸收雷达原理 雷达的回波信号都是建立在配合目标或者是被测物质反射或散射的基础 上才能测得到的，所以有必要简要介绍一下激光在空气中传播时所涉及的 些基本概念。由于激光在空气中传播是激光与空气中物质相互作用的过程， 所以会产生各种线性或非线性效应，因为本章主要涉及到散射的计算，所以 我们在此仅简要介绍一下散射的基本概念。 光散射的基本物理过程可简述如下，大气中气溶胶粒子和大气分子等散 射体，在光的照射下，由于照射光振荡电磁场的作用，散射体产生极化而感 应出振荡的电磁多极子。放射体电磁多极子产生的电磁振荡，便向各个方向 辐射出电磁波，形成光散射过程。 散射相位函数：是介质的一个重要参数，它反应了介质的散射特性。其 定义为在某个给定方向上、单位立体角内散射的能量和在所有方向上平均的 单位立体角中的散射的能量之比【2 叫。无论我们是计算前向散射还是后向散 射，是计算单次散射还是多次散射，是计算回波能量中多次散射的影响，还 是脉冲宽度中多次散射的影响等，我们都必须得用到散射相位函数这个参数。 大气中的散射分为以下几种【2 i j ： l 、分r 散射 分予散射又称瑞利( r e i l i g h ) 散射，它是一种弹性散射，当分子收到光 照射时，将诱发偶极矩，并向周围空间发射与入射光频率相同的辐射，其强 度与入射光波长、空气折射率和散射角有关。当入刳光为偏振光，散射角为e 时，散射截面为： 坠! ：堡三些垒兰! 三：丝! ! 兰堡篁兰 口( 口) = 1 石2 ( ”l3 2 ) 3 2 4 引| p ( p ) t 2 - 1 ) lj p ( 口) = ( 1 十c o s l 0 ) ( 2 - 2 ) 式中n s 大气分予数密度 p ( 0 ) 一一为散射相位函数。 式2 1 表明，分子散射截面与光波长的四次方成反比。因此波长较长的光 在大气中由散射造成的衰减较小。另外e 式表明当散射角0 为0 时，散射函数 最大，此时为后向散射。这种后向散刳将影响激光探测系统的信噪比，对于 用非线性相位共轭补偿激光大气传输的应用，后向散射将引起寄生振荡，消 耗主激光器的注入能量。为了解决这问题，可以采用距离选通以及探测光 与探测系统或相位共轭系统分离的办法。 2 、微粒散射 当大气中的散射粒子半径r 增大到一定程度列，应用m i e 在1 9 0 8 年提出的 球形分子散射理论，称为米散刺：米散射用散射效率因子鼠，吸收因子o ， 衰减因子包三个参数描述，其中：o ， 晓= o o + 0 。 ( 2 - 3 ) 米散射前后不对称，而且随尺度参数x 的增大前后向散射不对称愈来愈明显。 当x 2 0 时，放射主要集中在2 度内，称为前回峰散射效应或简称米效应。 3 、大气气溶胶散射 大气中气溶胶是种形态多变的粒子，其尺度从o 0 2 - - 2 p , m 的凝结核到 厘米量级的雪片冰雹，同一种类的气溶胶具有一定的尺度分布。其形状不一 定是球体，但由于粒子的取向是随机的，它们的行为平均说来类似于等效球 形，在气溶胶粒子的尺度分布和折射率系数为已知时，散射系数，吸收系数 和衰减系数可用理论计算。但由于气溶胶粒予的尺度分布是经验性的，而且 难以实时获得，因此计算结果并不严格与实际相符，激光在地面和宅中传输 时，散射系数是高度的函数，一般来浇，分子和气溶胶的散射系数随高度都 服从负指数分布。大气气溶胶粒子的尺度分布函数可以通过光学粒子计数器、 竺垒堡! ；些垒兰兰竺! 兰竺塞兰 多级碰撞器等实日、j 测量得到。 关于气溶胶尺度分前i 目前已有许多函数式，它们分别是：( 1 ) 负指幂谱 h 似= c r l 。；( 2 ) 修l f ，谱： ( r ) = 甜。e x p ( b r 4 ) ；( 3 ) 对数一态谱： m ，= 蒜= 志e x p 一等上】 沼t ， ”) 5 面。丽一丽j “叫 式中r b a r 几何平均半径 口几何标准偏差 n 一一单位体积的粒子数 实验表明对数正态谱能更好地近似实际的大气气溶胶粒子尺度涪。 米散射相位函数如下： 州，= 淼若胁，迎掣半s ， 式中i 似，m ，护) 、i ，幢，肌，口) 光强度函数 n ( r 1 粒子的尺度分布函数 r l , r 2 粒子尺度的下、上限 屈，( 旯) 体散射系数 差分吸收雷达的最基本的原理如_ f 图 蹭鸬 图2 - 2 同波l 乜压与距离关系示意图 图2 2 的两支曲线代表两支不同的激光谱线，我们通过对这两支衄线的比 对就可以得出想要测的结果。 0 波电膻 一一一一 哈尔演t 业人学t 学坝 j 学位沦艾 2 2 1长程微分吸收原理 长程微分吸收原理根据工作方式的不同，可分为两类。一类跃程微分吸 收原理是以角反射体( 或平面镜) 作为合作目标，激光雷达发射连续或脉冲 激光，根据激光往返传输过程中被待测污染气体吸收衰减的程度，确定激光 传输路径上污染气体的平均浓度。由于激光探测时，需在离激光雷达一定距 离处放置人工角反射体作为合作目标，因此也称为双端长程微分吸收原理。 这类长程微分吸收原理对激光雷达的发射功率要求不高，若激光雷达的性能 优异，则可获得较高的探测灵敏度，即使激光雷达的性能一般，也易f 满足 实际探测的需要。因此在技术上较易实现，但因受角反射体合作目标的限制， 探测范围比较有限。另一类长程微分吸收原理，是以地物等漫反射作为合作 目标物，激光雷达发射连续或脉冲激光，可单点探测激光传输路径上待测污 染气体的平均浓度，因此也称为单端长程微分吸收原理。这类长程微分吸收 原理虽较为实用，但由于激光雷达所接受地物漫反射回波信号，一般比角反 劓体的激光信号小几个数量级，这就对激光功率和接受望远镜的孔径等要求 较高，探测灵敏度也相应下降。不过若激光雷达用弱信号检测的外差探测技 术，则可使信噪比增大几个数量级，从而使探测灵敏度大为提高【2 。 由于激光雷达所接受反射体反射的信号，要比气溶胶和大气分予后旬散 射四波信号大几个数量级，因此长程微分吸收原理与距离分辨微分吸收原理 相比，具有对激光雷达技术性能要求不高，或激光雷达性能优异，则具有较 高探测灵敏度等优点，这也是长程微分吸收原理在7 0 年代至8 0 年代初获得较 大进展的主要原因。不过，长程微分吸收原理无法探测污染气体浓度的空蒯 分布，从而限制了这一探测原理的进。步发展。目f ； ，对于可调谐脉冲激光 器输出的激光能量仍较低，难以采用距离分辨微分吸收原理时，依然可采用 长程微分吸收原理，以便探测更多种类的污染气体浓度，弥补距离分辨微分 吸收原理的不足“。 2 2 2 距离分辨微分吸收原理 根据距离分辨微分吸收原理探测污染气体浓度时，是以不同距离处的气 济胶和大气分子作为散射体的，获得激光雷达与不同距离散射体之间污染气 体的积分浓度。然后将污染气体积分浓度划距离作微商运算，便可进一步获 得激光传输路径e 的污染物气体浓度的分却。因此，距离分辨微分吸收原理 可获得污染气体浓度的空间分布，这对大气环境峪测和_ 人气污染扩散规律的 研究具有较大使用价值。近年来，随着各种性能优异的可调谐脉冲激光器的 小断问世距离分辨微分吸收原理已成为目前激光探测污染气体浓度的主要 发展方向。 首先，根据激光雷达所接收大气回波的信噪比，分析激光雷达发射能量 与探测灵敏度和探测距离的关系。在大气回波信号上叠加的噪声包括信号 噪声、天守背景辐射噪声、暗电流噪声和热噪声1 2 4 1 等。若以光电倍增管作为 光电探测器，则在一般情况下( 必要时采耿技术措施) 暗电流噪声和热噪声 可以忽略。于是电压信噪比可表示为 s = 式中i 。为平均信号电流 ( 2 6 ) l 为天空背景辐射噪声产生的平均电流 e 为电予电荷 为激光雷达接收部分电子系统的频带宽度 波氏为矗时的和，可分别表示为 卜堕掣 ( 2 们 如 i h = 4 q ，z ( 凡) 女。( 九) b ( 气) a ( 2 - 8 ) 式中b ( 矗) 为天空背景辐射光谱亮度单位为瓦( 厘米2 球面度埃) 五为激光雷达接收系统滤光器的带宽 n ，为激光雷达接收望远镜的1 芏体视场角，它与平面视场角只之问 有关系式： q ，一丢衫 ( z 9 ) 由此可求解平均信号电流的解析表达式： 垒些! ! 些! ；! 兰型兰：! 竖璧兰 ：一 盟竺匝竺鲨坠竺丛 ( 2 一1 0 ) 式可推得激光雷达发射能量e 0 ( 九) 与电雎信噪比昙的关系式： 卧f 丛下笺竺吐坐幽i 。， ( 沁高面薷 在背景辐射可以忽略的简化条件下( 如夜间探测时) 则有信噪比极限式： ：f 坐掣4 e a f r 卜一m ) 毋 协 l k 。l 2 j 1 l 南j 由此可见，若能提高激光雷达的发射能量、接收孔径和光电探测器的灵 敏度，并在满足探测要求的前提下降低电子放大显示系统的频带宽度，特有 利于提高信噪比的极限值。各种噪声对大气回波电压的干扰，可由电压信噪 比表征。对于紫外和可见光波段，一般采用光电倍增管作为光电探测器，其 晴电流噪声较小，对大气回波电压的干扰噪声主要来自信号噪声和天空背景 辐射噪声。 大气回波波形的接收放大和数据处理系统等均存在一定误差，从而给大 气回波电压和探测阳j 距带来相对误差。若激光雷达接收放大系统的幅度和扫 描时间( 即探测斜距) 的标定不够精确，其增益和扫描速度的稳定度欠传， 以及其动态范围、频带宽度和扫描线形程度等不能满足要求，均可使大气日 波电压和探测1 自j 距产生误差。激光能量龄测刁：准，将影响大气回波电压的精 度。而数据处理系统的频带宽度和采样精度等达不到要求，也会在大气回波 波形转换成数码时，使大气回波电压和探测问距产生误差。若重复测量取平 均值则可以提高精度。差分吸收雷达性能指标如下： 1 、充填系数v ( r ) 2 、激光能量的稳定性 激光能量的稳定性直接影响仪器常数的稳定性，即使激光能量可进行监 测，也希望激光能量的起伏不要太大，使大气回波幅度不致逸出所要求的【：、 下限。 3 、接受系统的线性动态范围 光电探测器和电子放大显示系统的动态范围，直接影响激光大气回波波 形的质量。电子放大显示系统的线性动态范围：一般应大于光电探测器的线 性动态范围。 4 、仪器常数 5 、大气吸收效应 6 、空间分辨率 堕尘鎏三些叁兰：兰竺! ；兰堡堡兰 r = 吖并了c t ( 2 - 1 3 ) 另外一个指标就是上面提到的信噪比。 2 3回波信号计算 在气溶胶正常含量以及光学路径有限的条件下，大气光学厚度一般1 i 太 大，因此气溶胶的光散射为一次散射。当利用激光雷达探测气溶胶时，激光 雷达的发散角和接受视场角均很小，这时被激光所照射的气溶胶粒子数以及 位于接受视场角内可能产生多次散射的气溶胶粒子数都较少，从而使气溶胶 的散射更易满足一次散射。本文是在大气比较干燥稀薄，及光学厚度和接受 视场角都比较小的前提下进行的计算。及我们只考虑大气的单次散射，运用 激光雷达方程对雷达的回波功率等进行计算。我们使用激光雷达参数如j 、 表2 一i 筹分吸收雷达参数 雷达参数大气参数 发射波长1 0 6 4 1 a m背景消光系数 脉冲宽度 5 0 n s 天空背景辐射光谱亮度l o 。6 w e r a 2 球 重复频率 2 0 h z面度埃 发射光束发散角 o 2 m r a d 大气光散射参量1 0 。8 厘米“球面度。1 接受孔径4 0 c m 雷达接受带宽 5 0 m h z 接受视场角1 m r a d 相干滤光片带宽 1 n m 光电探测器效率 o 0 4 光电探测器增益2 5 0 接受光学透过率0 5 雷达重叠因子 l 分别对该雷达的回波功率和信噪比计算如下： i 、回波信号功率计算( 利用雷达方程) 计算激光回波功率首先要用到比耳定律即 郴) = 竿一 _ i l l ( 7 ( ，) d r (2。)0 lj 哈尔滨t 业人学t 学坝l 学位论史 这就是公认的b e e r 定律 f ( r ) 2 c r ( r ) d r ( 2 - 15 ) 光学厚度 a ( r ) = 口。，( r ) + a 。( r ) ( 2 1 6 ) 一大气消光系数等于散射系数加吸收系数 要想精确测量大气的背景消光系数比较困难，它与天气状况有密切关系 般情况我们使用经验公式： m = 蛩( 割5 ”略“ 沼 式中圯水平能见度取公罩为单位 由式2 - 1 7 可知只要知道水平能见度就可以算出不同波长在低层大气中 的消光系数。 表示激光雷达回波信号强度与各种因素关系的数学表达式称为激光雷达 方程。大气探测激光雷达的回波信号强度与许多种因素有关，大致可以分二i 类。首先，大气探测激光雷达必须利用一种大气与激光相互作用机制来产生 激光雷达回波；同时，不管采用哪种回波机制，激光雷达的发射光和回波光 在大气中束回传播将受到大气的衰减。另一方面，激光雷达的回波强度还与 许多激光雷达配置和技术方面的因素密切相关。因此，可将大气探测激光雷 达方程写成如下形式： 刖) = 半朋，耻x p 【- 2 “础瑚 协1 8 ) 式中p ( r ) 激光雷达接收到来自r 到月+ 月高度大气段回波信号 只发射激光束的功率 c 激光雷达的校证常数 r 探测距离 a 接受望远镜的收光面积 ( 五，冠) 大气中某种被探测组分的后向散刺系数 仃( 五，r ) 大气总的消光系数。 哈尔滨业人学1 学倾卜学位论文 为了更清楚看出各种因素对激光雷达回波信号的影响，我们可以将式 2 - 1 8 改写为两项相乘的形式，即，( 矗) ：a b 。其中a - 旦堑掣为仪与激光 r 。 雷达参数相关的量，我们称之为雷达项；b = ( a ，r ) e x p 2 仃( z ，r ) 积】为仅 与大气参数相关的量，我们称之为大气项。 在雷达项a 中激光发射功率只和接受望远镜面积a 对激光雷达回波信号 的影响是很明显的，它们越大激光雷达接受到的回波功率就越大。这就是通 常将乘积只a ( 单位为w m 2 ) 称为激光雷达质量因子的原因。艘表示探测 1 的距离分辨，其最小值取决于发射激光的脉冲宽度f ，即r 。= 三o f ，c 为 2 光速。对大多数目前用于激光雷达的脉冲激光器而言，f 约为5 0 n s 这个量级 的，所以出。约为几米量级。因此在实际应用中氏。往往是由回波信号检 测电路中的采样率决定的。雷达项中c = g - g 节，其中g 为重叠因子即表示发 射激光束与接受望远镜视场的重合程度，q 为接受光学系统的透过率，7 7 为 光电探测器的效率。 在大气项b 中，后项散射系数卢( a ，只) ( 单位为c m j “) 表示距离r 处 大气对激光的散射能力它可以进一步写成风五，r ) = n ( r ) 口) ，其中，( r ) 为被探测大气组分的密度( 单位为c m 一) ，盯m ) 为被探测大气组分的后向散 射截面( 单位为侧2 s “) 。( 丑，r ) 是激光雷达方程中代表回波产生机制的量， 表示回波信号的强度与被探测大气组分的密度和其后向散射截面成正比。这 也是从激光雷达回波中能够反演被探测大气组分的密度的原因。 我们取水平能见度为2 0 公罩，计算大气背景消光系数与激光波长的关系 图2 3 横轴单位是微米，纵坐标为背景消光系数。通过计算我们可以知 道当取能见度为2 0 公县，激光波长为10 6 微米时，背景消光系数为o0 6 9 ， 但是激光波长为1 0 6 微米的时候消光系数为o 0 0 l8 0 。 图2 - 4 可以看出，距离分辨测量回波信号时衰减很快，我们为了清楚地 分辨回波信号，选用不同的距离段进行计算回波信号，不同距离段之间相差 达两个数量级之多。 里! 尘! ! 些全兰! 兰竺! 兰竖坠兰 能一e 望山2 0 0 啦r l l 背射潲光乐教与趴离咒糸 图2 - 3 人气背景消光系数与激光波k 的关系示意图 2 68l o 擀捌垂聋( 米) 鬻俐艇鬻( 米) 图2 - 4 波k 为10 6 微米能址度2 0 公里距离分辨同波功率示意幽 _ 55 445 米微 5 k2嫂t触 2 55 ! 0 b 5 4 3 2 1 o o o 0 n o 0 彝僻掣晖皑粒 ，f1；一 ， 一 矿l“，ii“i鲥；蚶，丢 喻尔演丁业人学t 学顺f j 学位论文 2 、接收机输出信噪比【2 6 式中f 一一信号电流 s n r ：。：! 二：一 2 e a f f 。+ v ( r 五) 2 = 爿q ，z ( 五) ( 五) n ( x ) a x ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 】) 厂k 陋4 e a f 千j 本一2 2 ) f s ：i a e o 1 0 f 4 本秒) ，并且要同时分 析或显示某些数据。采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。 下面将分三种