【《转动拉曼-米激光雷达系统与仿真分析》8600字】

转动拉曼-米激光雷达系统与仿真分析目录TOC\o"1-3"\h\u972转动拉曼-米激光雷达系统与仿真分析 146711.1转动拉曼-米激光雷达系统仿真 1259961.1.1激光雷达方程 1166761.1.2转动拉曼散射截面的仿真 4311191.1.3大气模型仿真 4193671.1.4回波信号信噪比 632071.1.5系统仿真结果 7268521.2转动拉曼-米激光雷达系统结构 12270131.1.1激光发射单元 1436851.1.2光学接收单元 14132241.1.3光学滤波单元 14121981.1.4信号探测与数据采集单元 15169051.3转动拉曼-米激光雷达系统校准 16232271.3.1系统光路准直校准 16144011.3.2双光栅光谱仪校准 17本章基于转动拉曼-米散射探测原理，建立仿真模型，分析不同系统参数和不同大气情况对激光雷达系统探测性能的影响，鉴于激光雷达探测反演精度主要受信号质量的影响，因此从系统信噪比角度来对系统性能进行评估。然后说明了实验室设计的转动拉曼-米激光雷达系统结构。另外，讨论了激光雷达系统的校准方法，用于定期检验其是否符合设计指标，保证系统接收回波数据的准确可靠性。1.1转动拉曼-米激光雷达系统仿真系统仿真模型是建立在激光雷达方程的基础上，对实际系统探测能力进行模拟计算。激光雷达方程中的输入参数包括与被测目标有关的后向散射参数、与激光的大气传输环境有关的大气消光参数以及激光雷达系统本身的系统参数。1.1.1激光雷达方程激光雷达系统的回波方程称为激光雷达方程，它描述了激光发射、激光与大气相互作用以及接收大气回波信号的过程和相关参数之间的关系。激光回波信号的功率的简化形式可以表示为： (1.1)由上式可以看出，从距离处接收到的回波功率由4个因子组成。第一个因素总结了激光雷达系统的性能，第二个因素描述了依赖于探测高度的测量几何影响。这两个因素完全由激光雷达系统决定。关于大气的信息以及所有可测量的量都包含在式(1.1)的后两个因子中。是距离处的后向散射系数，它表示大气将光散射回其入射方向的能力。是传输项，描述了从激光雷达到距离来回过程中光的损失。系统参数项具体的表达式为 (1.2)式中，P0为单脉冲的平均功率，为光速，为脉冲宽度。为单脉冲能量，为激光脉冲在固定时间所照射散射体的长度，因子的出现是由于激光雷达在后向散射过程中发生明显的“折叠”。A为望远镜的有效接收面积。为系统的总体效率，包括所有光学元件效率及探测器效率。激光雷达系统主要设计参数为望远镜面积和激光能量，还可通过优化系统效率来提高激光雷达信号强度。测量几何项可以表示为： (1.3)为主要由激光束截面和望远镜接收视场不完全重叠而导致的几何因子，代表系统本身几何参数对回波信号接收的影响，上式分母中距离的平方是因为系统只能接收散射光在望远镜接收立体角内的部分，接收立体角由望远镜有效接收面积和散射体的距离决定。后向散射系数是影响激光雷达信号强度的主要因子。它描述了有多少光散射回激光雷达望远镜中，散射角θ=180°。大气透过率的表达式为： (1.4)大气透过率通过对激光传输路径上的大气消光系数求积分来确定，其取值范围在0到1之间。上式中第一项代表波长为的激光出射后传输至距离处的损失，第二项代表波长为的后向散射光返回至接收端的过程中的损失。对于弹性米散射而言，散射波长不发生改变，即。消光系数包含了大气气溶胶和分子的光散射作用对于光传输的衰减作用，对于某些特定波长，还会包含一些大气成分对于光子的吸收作用。将式(1.2)~(1.4)代入到式(1.1)中，得到更通用的激光雷达方程： (1.5)式(1.5)为激光雷达通用方程，后向散射系数与消光系数都与激光波长有关，这种波长依赖性是由散射粒子的大小、形状和折射率等决定的。不同类型的激光雷达可根据实际情况，对式中后向散射系数项或大气透过率项进行改动。由于大气分子的转动拉曼散射光十分微弱，激光雷达信号接收系统采用光子计数模式，同时为方便比较拉曼通道与弹性米通道回波信号，在激光雷达方程中使用回波光子数来描述接收到的光信号。将回波功率与积分时间（为系统距离分辨率）的乘积为回波光能量，除以单光子能量即可计算得到回波光子数。弹性散射信号的回波光子数可以表示为： (1.6)纯转动拉曼散射的回波光子数可表示为： (1.7)其中，S为激光雷达接收的单脉冲回波光子数，气溶胶用下标a代表，分子用m代表。为普朗克常数，为光速。由于空气中N2和O2占主要部分，因此在计算分子转动拉曼后向散射系数时主要考虑N2和O2两种主要气体，为大气分子数密度，代表N2或O2在大气气体中所占比例，代表接收的不同拉曼谱线的光学效率，是转动量子数为Ji的N2或O2分子的纯转动拉曼微分后向散射截面。1.1.2转动拉曼散射截面的仿真同核双原子分子在基态振动能级中的转动能量为： (1.8)其中，代表N2或O2，和代表转动常数和离心畸变常数。Stokes转动拉曼散射光的频移为： (1.9)anti-Stokes转动拉曼散射光的频移为： (1.10)纯转动拉曼光谱单支谱线的微分后向散射截面计算公式为： (1.11)其中，代表与核自旋有关的统计权重因子；表示激光发射波长的波数；为分子偏振强度的各向异性参量；为玻尔兹曼常数；为大气温度；可表示为：对于斯托克斯谱线： (1.12)对于反斯托克斯谱线： (1.13)这些物理常数的具体数值见表1.1。表1.1转动拉曼散射频移和后向散射系数计算所需物理常数分子偶数奇数N21.98957631O21.437680101.1.3大气模型仿真本章中仿真使用的大气分子模型如下： (1.14)为分子后向散射系数，单位为km-1sr-1，为分子消光系数，单位为km-1，波长单位为nm，探测高度单位为km。大气气溶胶模型为： (1.15)各参数单位与式(1.14)中相同。为气溶胶激光雷比，本章仿真中，假设激光雷达比为50sr。根据式(1.14)~(1.15)计算得到的大气分子、气溶胶以及二者之和的大气总消光系数廓线如图1.1所示。图1.1大气分子、气溶胶以及两者之和的消光系数模型仿真转动拉曼信号时需要已知大气温度和大气分子数密度，因此利用美国标准大气模型中的温度廓线，如图1.2(a)所示，大气分子数密度可以由下式计算得到：(1.16)其中，P为大气气压，可由标准大气模型获得。代表了通用气体常数，为阿伏伽德罗常数，值为。由此可以仿真计算大气分子数密度，如图1.2(b)所示。图1.2(a)大气温度和(b)大气分子数密度垂直廓线1.1.4回波信号信噪比光子计数模式下，探测到的光子数近似满足泊松分布，泊松分布的方差与期望相等，因此实际探测到的光子数标准差就是光子数的平方根。单位时间输出脉冲信号主要包括探测到的有效回波信号，大气背景光噪声和探测器暗电流噪声。在实验测量中最终得到的是信号光，背景光及暗电流的总和。可以利用整体信号减去背景噪声信号作为纯净的回波信号： (1.17)其中，对于和可表示为： (1.18)式中，为大气背景辐射光亮度，白天仿真取0.149，为光信号接收通道的滤波带宽，为光信号接收通道的光学效率，为探测器量子效率，为望远镜接收视场角。为探测器在采样积分时间内的暗计数，为探测器的暗计数速率。夜间探测模式下，可近似为零。在假定各噪声相互独立的情况下，根据误差传递理论，有效回波信号的标准差为： (1.19)因此，单脉冲回波信号信噪比可表示为： (1.20)由于大气分子转动拉曼散射信号非常微弱，因此常采用累积多组脉冲光的回波信号的方式来提高信号的信噪比。由于各组激光脉冲的回波信号之间相互独立，假设累积多组回波信号期间对应的大气状态不变，则累积组脉冲信号（累积时间与重复频率的乘积）后的回波信号的标准差为： (1.21)对应的累积后的回波信号信噪比为： (1.22)对于模拟模式下，接收信号为电压形式，对应的信噪比可用下式计算： (1.23)式中，为探测器输出的平均信号电流，为接收的大气背景辐射光由探测器转换成的电流，为探测器自身的暗电流，为电子电荷，为光电倍增管（Photomultipliertube，简称PMT）的电子频带宽度，为PMT的噪声指数，为累加脉冲数。1.1.5系统仿真结果仿真计算中所使用的系统参数和探测参数设置如表1.2所示。选择的参数主要为了满足同时探测对流层温度和气溶胶的需求。表1.2激光雷达系统仿真参数参数类型参数值发射系统发射激光波长532nm单脉冲激光能量200mJ激光重复频率20Hz脉冲宽度8ns接收系统望远镜有效接收孔径0.4m望远镜视场角0.9mrad望远镜反射率0.92光电探测器量子效率0.3光电探测器暗计数速率100s-1米通道半宽度1nm拉曼通道半宽度0.65nm探测参数米通道垂直分辨率1.5m拉曼通道垂直分辨率30m此外，由于实际的拉曼接收通道具有一定的带宽，接收光谱不是只有单个谱线，在仿真模拟时，需要将接收的分子所有拉曼谱线考虑进去，主要是N2和O2。如图1.3为仿真计算中使用的拉曼光谱效率，以及利用式(1.11)计算的不同温度下N2和O2各个转动量子数谱线的微分后向散射截面。图中可以看出，纯转动拉曼谱线的分布随着温度的变化而变化，因此选取高低阶不同转动量子数的拉曼散射信号来模拟测量大气温度，并且高低阶信号中分别包含了对称分布的正反Stokes转动拉曼谱线，以达到加强拉曼接收信号的信噪比的目的。图1.3中，两条红色曲线为低阶拉曼通道中的以N2分子转动量子数J=6的Stoke谱线和J=8的anti-Stokes谱线为中心波长的光谱透过率曲线；两条蓝色曲线为高阶拉曼通道中的以N2分子转动量子数J=12的Stoke谱线和J=14的anti-Stokes谱线为中心波长的光谱透过率。其中，四个部分的透过率具有相同的带宽，均为0.65nm(FWHM)。图1.3仿真中采用的拉曼通道光谱透过率曲线以及对应532nm入射的氮气、氧气分子转动拉曼微分后向散射截面如图1.4(a)为利用表1.2中的参数计算得到的米通道和高低阶拉曼通道的单脉冲回波光子数。米散射信号比拉曼散射信号大约3个数量级。在实际测量中常采用累积多个脉冲回波信号以满足信噪比要求。仿真中累积1000个脉冲的米信号用来数据处理，相应的累积时间为50s；拉曼信号则由20000个脉冲累积得到，相对应的累积时间为16.7min。多个脉冲累积后的信噪比如图1.4(b)所示。从图中可以看出，夜间探测信噪比较白天显著增大。由于米信号具有较强的回波强度，白天探测能力下降的较少。高低阶拉曼通道由于信号本身较弱，白天易受背景光干扰，导致信噪比迅速下降。系统的有效探测距离一般是通过信噪比为10的位置来判定的。米通道夜间探测高度达30km以上，白天降至21km；低阶和高阶拉曼通道夜间探测高度分别为29km和24km，白天两通道探测高度下降至9km和6km。图1.4米通道、高低阶拉曼通道的(a)单脉冲回波光子数与(b)夜间和白天的信号信噪比针对一台搭建完成的激光雷达系统，分析不同激光器能量、累积脉冲数和气溶胶浓度环境下的系统信噪比，用于评估系统的整体探测性能，为之后系统改进或调试提供理论依据。由于白天拉曼信号微弱且受噪声扰动较大，仅对夜间探测模式进行分析，计算所用到各项系统参数是基于图1.4对应参数而改变的。（1）激光脉冲能量改变激光脉冲能量，其它系统参数保持不变。图1.5给出激光脉冲能量分别取50mJ、100mJ、150mJ、200mJ和250mJ时的米通道和高低阶拉曼通道的信噪比。米通道探测高度均在30km以上；拉曼通道中，高阶的信噪比低于低阶通道，所以拉曼测温探测能力主要取决于高阶通道信噪比，250mJ的激光能量下探测高度达25km，50mJ的激光能量下探测高度仅为19km。如图所示，信噪比和有效探测高度随着激光能量的增加而增加，但其增长速度随激光能量的持续增大而慢慢变缓，系统探测性能达到一定水平后，激光能量的增大不再对系统探测能力有明显提升作用。因此在系统设计时，可以综合其它因素（如成本），选择的参数只要满足设计需求即可。图1.5不同激光脉冲能量下的米通道、高低阶拉曼通道的仿真结果（2）累积脉冲数（累积时间）图1.6中计算了不同累积脉冲数（累积时间）下的信号信噪比。其中米通道累积脉冲数分别取200(10s)、1000(50s)、1800(1.5min)、2600(1.17min)和3400(1.83min)；拉曼通道累积脉冲数分别取4000(3.33min)、12000(10min)、20000(16.67min)、28000(23.33min)和36000(30min)。可以看到系统信噪比随着累积脉冲数的增加而增大，与激光能量的变化规律类似，信噪比及有效探测高度的提升速度并非随累积脉冲数而线性增长，提升速度呈现出先增大又缓慢减小的趋势。而且过多的累积脉冲数会降低系统的时间分辨率，大气变化迅速，过长的时间分辨率不利于观测气溶胶的时空动态变化，因此要根据需要选择合适的累积时间。图1.6不同累积脉冲数（累积时间）下的米通道、高低阶拉曼通道仿真结果（3）气溶胶浓度气溶胶浓度对系统探测能力的影响也非常明显，当大气中含有较多浓度的气溶胶时，在增强的散射和吸收效应下回波信号迅速衰减，从而致使信噪比下降。为了模拟实际大气环境，在仿真中假定气溶胶粒子主要汇聚于5km以内，且气溶胶浓度随高度指数衰减，5km以上仍用标准大气模型来模拟。因此，以近地面标准大气模型气溶胶后向散射系数为基准，选择不同倍数（1倍、6倍、12倍、18倍和24倍）的后向散射系数，得到5种不同大气环境情况下的气溶胶消光系数，如图1.7所示，并计算出气溶胶光学厚度（AerosolOpticalDepth，简称AOD）分别为0.25、0.87、1.50、1.08和1.62，是通过探测范围内的气溶胶消光系数的积分获得。图1.8给出了这5中不同大气环境下的激光雷达系统各通道回波信号信噪比。从仿真结果可以看出，回波信噪比会随着气溶胶含量的增加而迅速减小，有效探测距离也随之大打折扣，尤其是拉曼通道，当气溶胶光学厚度达到1.62时，高阶拉曼通道有效探测高度降至8km。图1.7不同大气环境下气溶胶消光系数仿真结果图1.8不同气溶胶浓度情况下的米通道、高低阶拉曼通道仿真结果综分析，激光雷达系统探测性能是受多种因素共同影响的结果，实际激光雷达信号的影响成分复杂多变，系统设计需要综合考虑这些影响因素，且要为系统设计指标留有富余的变化范围。1.2转动拉曼-米激光雷达系统结构图1.9和1.10给出了北京理工大学激光雷达实验室自行研制的一台转动拉曼-米激光雷达系统结构原理图和实物图。系统主要由五大单元组成，分别为激光发射单元、光学接收单元、光学滤波单元、信号探测与数据采集单元和控制及显示单元。图1.9转动拉曼-米激光雷达系统结构其工作过程为：激光器发出532nm激光脉冲首先经过扩束器，再经导光镜两次折转后，以与望远镜同轴的角度垂直进入大气。同时，发出触发指示给数据采集卡，使其开始采集信号。望远镜将收集到的散射光信号聚焦到视场光阑后，由光纤输送至双光栅光谱仪对米信号和转动拉曼信号进行高精度的分光，分光后的高低阶拉曼信号分别进入PMT1和PMT2，米信号进入PMT3。光电倍增管完成信号光电转换，由双通道光子计数卡和模拟/数字卡进行采集，最后在计算机上显示并保存数据。图1.10转动拉曼-米激光雷达系统实物工作图1.1.1激光发射单元激光发射单元包括激光器、扩束器和导光镜。激光器采用高效率、长寿命、高光束质量的Nd:YAG激光器，基频为1064nm，由倍频可获得波长为532nm，355nm和266nm激光。在四个波长中，最大波长1064nm对应最小的散射截面，而处于紫外波段的355nm和266nm波长则具有较大的散射截面。但大气对紫外光的散射和吸收最强烈，紫外波长易对有机气溶胶产生荧光，一般只用反斯托克斯拉曼谱线，另外紫外波长转动拉曼谱线间隔较窄，对分光要求高，同时倍频过程中的能量损耗使得这两个波长的激光具有较低的输出脉冲能量。综合考虑上述因素，本系统选用532nm波长激光作为探测光源。扩束器将激光器发射出的初始激光光束扩束至直径符合要求并同时压缩发散角，以获得准直光束，提高远距离处激光探测性能。导光镜用来折转光路，使出射激光光束与望远镜同轴，从而降低系统的探测盲区高度。1.1.2光学接收单元光学接收单元包含有反射望远镜和可调视场光阑。接收望远镜选用的是口径大的反射式接收望远镜，以便接收到微弱的转动拉曼信号。另外，需要选择合适的视场角，以减小天空背景光、系统探测盲区和几何因子的影响范围。转动拉曼-米激光雷达系统中采用可调式视场光阑来调节望远镜的接收视场，可调视场角介于0.1mrad和1.5mrad之间。光阑越大，接收视场越大，进入视场的背景光也越强，因此可以在不同天气或实验环境下，通过调节光阑来控制接收视场角，使激光雷达尽可能多的接收有效后向散射信号，减小天空背景噪声。1.1.3光学滤波单元光学滤波单元中的核心器件为双光栅光谱仪，直接关系到整个激光雷达系统的探测能力和精度。双光栅光谱仪用来对弹性信号和高低阶转动拉曼散射信号进行高精度分光和提取。考虑综合考虑不同转动量子数下的后向散射光强度和对温度的敏感性，选择转动量子数6和12对应的波长作为双光栅单色仪低阶和高阶拉曼通道的中心波长。为了增强信号信噪比，同时接收与斯托克斯谱线对称分布的转动量子数为8和14的反斯托克斯散射光。这4条光谱线对应的波长分别为533.69nm、535.05nm、530.32nm和528.98nm。由于选用的低阶拉曼散射与弹性散射之间的波长差仅1.7nm，高低阶转动拉曼谱线之间波长差也仅为1.3nm，因此分光光谱仪不仅需要对强弹性散射光进行抑制，也需要较高的光谱分辨率。该激光雷达系统中使用的双光栅单色仪的结构如图1.11所示。工作原理是：散射光由光纤输送至焦平面1，然后通过透镜1进行准直后到达闪耀光栅1，然后经过衍射，被分成高低阶斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光以及弹性散射光五路信号，不同波长的光通过准直透镜1聚焦到焦平面1的不同位置处并由光纤分别导出。其中，弹性信号接入到PMT3，其它拉曼信号再由光纤传送至第二光栅系统，经光栅2衍射后，使两组高阶和两组低阶拉曼信号分别会聚于一点并由光纤导出到PMT1和PMT2中，实现高低阶拉曼信号的高精度分离和提取，并达到抑制弹性光进入拉曼通道的目的。图1.11双光栅单色仪的结构示意图1.1.4信号探测与数据采集单元信号探测与数据采集单元包括以下几部分：光电倍增管、信号放大器和数据采集卡。激光雷达通常采用脉冲激光进行远程探测，探测时间较短，受大气衰减作用回波信号偏弱，且探测距离跨度很大使得回波信号具有动态范围大的特点，因此在光电倍增管选用时，需要综合考虑响应速度、灵敏度、线性范围等参数。通过光电倍增管后的弹性散射光被转换为µA量级的微弱电流，通过连接电流放⼤器再经负载电阻可输出mV级连续电压，然后导入A/D卡中转化为数字信号。由于转动拉曼信号比弹性信号弱得多，使用双通道光子计数卡进行信号采集。光子计数卡根据设定的电压阈值对单光子脉冲信号进行鉴别，与阈值相比，PMT以高于其值的脉冲电压输出时，可认为该信号为有效的回波信号，反之，视为噪声。1.3转动拉曼-米激光雷达系统校准由北京理工大学激光雷达实验室设计的转动拉曼-米激光雷达系统主要用于夜间对流层大气气溶胶和温度的探测，由于系统长时间运作，各个部件受到外部环境的影响可能发生改变，从而导致探测性能变化，因此需要定期对激光雷达系统进行校准。1.3.1系统光路准直校准激光雷达系统光路的准直性是保证系统能探测到远距离信号的必要条件，扩束器用于将初始激光光束扩束至直径符合要求，同时压缩发散角使光路准直。扩束器中的光学器件对环境比较敏感，在长时间工作下器件可能发生改变，导致发射系统发散角改变。测量发散角的方法是利用两块平面反射镜将由导光镜导出的光束两次反射至地面，由于光束发散角较小，需要尽量远的测量距离。然后选取近场和远场两个位置，确定这两个位置处的光斑直径，并测量两者之间的距离，从而粗略估计光束发散角。若两个位置光斑大小相差较大，说明系统发散角发生变化，然后通过调整扩束器的扩束倍数，重复上述工作，直至近场与远场位置处的光斑大小基本相同，计算得到的发散角符合要求。图1.12显示的是测量发散角外场实验工作图，其中只给出一块平面反射镜场景。图1.12测量发散角外场实验工作图为了使出射光束与望远镜同轴，我们采用三块45°导光镜将光路折转后导出。由于系统所用激光脉冲能量较强，导光镜固定部件随时间可能老化松动，在高能量密度激光作用下，导光镜可能会发生小角度偏移，从而改变光路，导致与望远镜共轴性变差，接收信号受到影响。因此，我们采用能量较小355nm连续激光器，激光从侧边入射到导光镜然后被反射到墙面，如图1.13(a)所示，标记实验前的光斑位置，然后打开激光雷达系统大能量激光器开始工作，经过2~3小时后观察光斑位置是否发生改变。2019年12月19日经过实验测量，发现第一块导光镜反射到墙面上的光斑在1.5小时后左移约1mm，从2019年12月26日晚激光雷达观测数据也可以看到在2个小时内米散射原始信号探测高度逐渐下移，如图1.1