激光遙感技術(shù)及其應(yīng)用

1、激光遙感技術(shù)及其應(yīng)用王建宇中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，200083jywang摘要：自從1960年人類利用紅寶石研制出第一臺激光器以來，激光以其單色性、高亮度和良好的方向性的特點(diǎn)，廣泛的運(yùn)用于測距，測速，大氣研究，海洋研究，軍事等領(lǐng)域。由于通過激光技術(shù)既是一種主動遙感技術(shù)，還可以同時獲得地球表明的空間特征和物理特性，具有被動光學(xué)遙感無法替代的作用。近年來，隨著激光技術(shù)的水平不斷發(fā)展，激光技術(shù)被越來越多地應(yīng)用在空間遙感中。本文將介紹激光技術(shù)在空間衛(wèi)星平臺和航空機(jī)載平臺中的主要應(yīng)用和激光遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢。遙感 激光技術(shù) 激光雷達(dá) 激光雷達(dá)(lidar)是一種主動式的現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，是傳統(tǒng)的無

2、線電或微波雷達(dá)（radar）向光學(xué)頻段的延伸。由于所用探測束波長的縮短和定向性的加強(qiáng)，使激光雷達(dá)具有很高的空間、時間分辨能力和很高的探測靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于對大氣、海洋、陸地和其他目標(biāo)的遙感探測中。一、激光主動遙感關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展1）光源的進(jìn)展CO2 激光器是最早用于激光雷達(dá)的光源，輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高，連續(xù)輸出功率為數(shù)十瓦至萬瓦，脈沖輸出功率為數(shù)千瓦至105瓦，電光效率1520，為適應(yīng)空基雷達(dá)的需要，目前CO2 激光器向高可靠、小型化方向發(fā)展，進(jìn)展可喜。英國DERA研究的空腔波導(dǎo)集成光學(xué)系統(tǒng)，美國彈道導(dǎo)彈防御組織(BMDO)的超小型鎖模CO2激光雷達(dá)。Nd:YAG（Nd:YLF）是目前

3、雷達(dá)中使用最多的激光器，如果探測地物反射回波，激光器工作在1064nm或1053nm波長，如果探測地物熒光回波或用于水下探測，激光器工作532nm或527nm波長,這些是激光三維掃描成像系統(tǒng)的常用光源。主要以二極管泵浦為發(fā)展主流。Nd:YAG（Nd:YLF）激光器泵浦KTP或KTA晶體的參量振蕩器輸出1.5m激光也應(yīng)用較多。鈦寶石激光器因具有波長調(diào)諧功能，在激光雷達(dá)中得到新的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器像GaAs, 因?yàn)樗w積小，重量輕，效率高也很受重視。其缺點(diǎn)是光束質(zhì)量較差，功率有待提高。日本的專家提出采用摻鉺光纖激光器波長1.5um1.6um, 也是很有吸引力的。比如多個光纖激光器輸出形成光束陣列（

4、不必使用分束器就能實(shí)現(xiàn)推帚式掃描）。釹光纖激光器的工作波長1.06m很受關(guān)注。NASA的學(xué)者研究二極管泵浦的Ho,Tm:YLF波長2.0um激光器，這種光源對人眼更安全，大氣散射更小，被稱為“未來之光”。2）探測器的進(jìn)展為適應(yīng)光源的變革，除了經(jīng)典的光電倍增管，探測器的研究也有新的進(jìn)展。如果激光是1064nm(1047nm)或532nm(523nm)，探測器為Si APD，這是最成熟的器件； 如果激光波長1.5 um -1.6um, 探測器選InGaAs / APD；如果激光波長2.0um, 探測器選InGaAsSb / APD。這些器件由單元器件，發(fā)展到線陣和面陣器件；工作模式由線性模式發(fā)展到

5、Geiger模式。國際上主要的研究機(jī)構(gòu)有PerkinElmer公司和日本濱凇光子公司。ICCD已經(jīng)直接用于雷達(dá)回波探測。InGaAs和HgCdTe的焦平面器件被新型的激光成像遙感系統(tǒng)所采用。 二、激光主動遙感主要應(yīng)用領(lǐng)域 一）激光遙測距離、速度、跟蹤最成熟和最經(jīng)典的測距方法是脈沖測距和相位測距。脈沖測距是通過直接測量激光脈沖的往返傳播時間進(jìn)行測距的。激光脈沖的往返傳播時間由距離計(jì)數(shù)器測量。距離計(jì)數(shù)器的開門信號為激光主波采樣信號,對應(yīng)的關(guān)門信號為激光回波信號,激光脈沖往返時間根據(jù)計(jì)數(shù)器在開、關(guān)門信號之間及數(shù)值求的.由上述測量原理可知,時間間隔測量精度主要取決于距離計(jì)數(shù)器的時間分辨率和主、回波出發(fā)

6、點(diǎn)的一致性。距離計(jì)數(shù)器的時間分辨率由時標(biāo)振蕩器（晶振）頻率決定主、回波出發(fā)點(diǎn)的一致性取決于時間觸發(fā)方式和激光脈沖波形穩(wěn)定性。時間觸發(fā)方式主要有恒定閾值觸發(fā)方式、恒比定時觸發(fā)方式和波型數(shù)字轉(zhuǎn)換方式三種。相位測距通過強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)光波在往返傳播過程中相位變化來測量光束的往返傳播時間，其計(jì)算公式如下，(1)；為調(diào)制光波的相位變化（rad），為調(diào)制頻率（Hz） 為目標(biāo)至參考點(diǎn)距離（m）；c為光速(m/s) ；為調(diào)制波波長（m）。相位位移是以為周期變化的，因此有式中N為相位變化整周期數(shù);n為相位變化非整周期數(shù).,式(1)表明,只要測出發(fā)射和接收光波的相位差,即可得到目標(biāo)距離.因此相位測距可理解為以調(diào)制光

7、波半波長為“測量尺度”的距離測量方法?；夭ǖ亩嗥绽疹l移量與目標(biāo)的徑向速度成正比，因此，通過測量多普勒頻移可得到目標(biāo)的徑向速度，激光多普勒頻移可通過光外差技術(shù)測得，其原理和相干測風(fēng)雷達(dá)相似。近年來激光雷達(dá)借鑒了微波雷達(dá)的一些信號處理的方法，發(fā)展了脈沖壓縮和連續(xù)波調(diào)頻等激光調(diào)制和信號處理的體制測距。由激光器分出一束寬脈沖光束，通過調(diào)制器將線性調(diào)頻的激光束發(fā)射出去，回波信號與未經(jīng)調(diào)制的固定頻率本振光混頻后，經(jīng)匹配濾波器對信號進(jìn)行壓縮，變成一個幅度增大的窄脈沖，接下來和脈沖測距同樣方法得到距離，它的特點(diǎn)是發(fā)射寬的光脈沖，回波處理后得到的是窄的電脈沖，目的在于緩解探測能力和距離分辨率的矛盾；連續(xù)波調(diào)頻，

8、是發(fā)射激光的頻率隨時間是線性（三角形）變化，經(jīng)過一段時間的飛行，回波激光相對于本振激光就有了頻率變化，兩者相干混頻，得到的中頻信號，中頻信號頻率跟距離成正比，由頻譜分析得到距離和速度。調(diào)制器激光器發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)光電探測器（或混頻器）前放中放信息處理角度誤差伺服系統(tǒng)目標(biāo)顯示距離支路速度支路激光束控制角度顯示 圖1 測距、測速和跟蹤綜合系統(tǒng)激光跟蹤時，光電探測器采用四象限結(jié)構(gòu)，即四塊性能相同的扇型光電二極管各占一個象限拼成圓形結(jié)構(gòu)。當(dāng)回波光束的光斑均勻照射每一個象限時，方位和俯仰誤差信號為零；當(dāng)光斑位置偏離時，給出相應(yīng)的方位和誤差信號，通過伺服系統(tǒng)調(diào)整接收望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤。從

9、雷達(dá)座上的經(jīng)緯刻度就能讀出目標(biāo)的方位角和俯仰角。美國機(jī)載門警TBM 激光雷達(dá)采用了人眼安全的激光波長。使用的是Nd：YAG激光泵浦KTP 0PO，它的輸出波長為1.57 m，脈沖能量為600mJ。激光接收機(jī)使用InGaAs APD和窄帶濾光片。門警系統(tǒng)激光雷達(dá)負(fù)責(zé)導(dǎo)彈測距和跟蹤。由美國航空航天局Goddard空間飛行中心(GSFC)組織研發(fā)，于1996年11月7日升天的火星勘探號(Mars Global Surveyor,MGS)宇宙飛船攜帶了一個遙感設(shè)備MOLA一2。設(shè)備是一個激光測高儀，其距離分辨率37cm，能夠以300m的間距分辨率探測火星表面的輪廓。MOLA一2系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：軌

10、道高度600km；重量2585kg；功耗342W；激光器Nd：YAG1064nm；脈沖寬度5ns；單脈沖能量48mJ 10Hz；光束發(fā)散角04mrad接收部分500mm卡塞格林望遠(yuǎn)鏡；視場角(FOV) 085mrad；光電轉(zhuǎn)換器件硅雪崩光電二極管電路部分微處理器80C86：時鐘計(jì)數(shù)頻率100MHz：濾波通道寬度20ns、60ns、180ns、540ns；距離測量分辨率375cm；數(shù)據(jù)率618bps(連續(xù))精度指標(biāo)垂直分辨率375cm；絕對精度<10m (取決于飛船軌道的重建精度)； 二）大氣遙感激光雷達(dá) 相對而言，激光雷達(dá)最適合用于對大氣的探測與研究。用于大氣遙感的激光雷達(dá)是歷史上出現(xiàn)最

11、早的激光雷達(dá)。下面的表格給出了激光與大氣粒子相互作用的效應(yīng)，大氣雷達(dá)正是利用這些效應(yīng)來工作的。表1 激光與大氣介質(zhì)相互作用的典型截面數(shù)值與相應(yīng)可探測大氣成分（0為入射波長，r為散射波長）作用過程介質(zhì)類型波長關(guān)系作用截面（cm2/sr）可探測大氣成份Rayleigh散射分子r010-27大氣密度、溫度Mie散射氣溶膠r010-26-10-8氣溶膠、煙羽、云等Raman散射分子r010-30（非共振）溫度、濕度（H2O）等共振散射原子、分子r010-23-10-14高層金屬原子和離子Na+、K+、Ca+、Li等熒光散射分子r010-25-10-16污染氣體(SO2, NO2, O3, I2)吸收效

12、應(yīng)原子、分子r010-21-10-14痕量氣體(O3, SO2, NO2)等多普勒效應(yīng)原子、分子r0風(fēng)速風(fēng)向2.1 Mie散射激光雷達(dá)和氣溶膠探測大氣中的各種固態(tài)和液態(tài)氣溶膠粒子,包括塵埃、煙霧、云層等與激光的相互作用主要表現(xiàn)為Mie散射。 Mie散射的特點(diǎn)是散射粒子的尺寸與入射激光波長相近或比入射波長更大。 Mie散射的輻射波長與入射波長相同,散射過程中沒有光能量的交換,稱為彈性散射。散射過程中,粒子將入射光向四周的散射并不是均勻的,粒子越大,向前散射大光越多而后向散射光越少。大氣探測激光雷達(dá)的回波就是這種后向散射光所形成。 Mie散射的截面與許多因素有關(guān),如散射粒子的尺寸、形狀、組成等,與

13、入射光波長的關(guān)系也不固定(通常可認(rèn)為1-2次方成反比),這些都使得Mie散射截面的理論處理較為復(fù)雜。Mie散射激光雷達(dá)是一種用于探測30km以下低空大氣中的塵埃、云霧等氣溶膠粒子的激光雷達(dá)。大氣中的這些氣溶膠粒子對激光的散射機(jī)制為Mie散射, Mie散射具有較大的散射截面,使Mie散射激光雷達(dá)的回波信號通常較大。1992年出現(xiàn)的一種微脈沖激光雷達(dá)是對流層Mie散射激光雷達(dá)的新發(fā)展。該激光雷達(dá)由美國NASA研制,現(xiàn)由美國SESI公司批量生產(chǎn)。其特點(diǎn)該為采用低能量(微焦?fàn)柤?、高重復(fù)率(千赫茲)、全固體化脈沖激光器,并采用收、發(fā)公用光學(xué)系統(tǒng)。該激光雷達(dá)不僅實(shí)現(xiàn)了小型化、自動化、高可靠,而且達(dá)到了人

14、眼安全標(biāo)準(zhǔn),缺點(diǎn)是不具備掃描功能。 Mie散射激光雷達(dá)用得最多、最成熟工作波長是532nm/1064nm, 2004年美國科學(xué)家建立了基于Nd:YAG激光器泵浦甲烷的stokes頻移1543nm的Mie散射激光雷達(dá)，它的優(yōu)點(diǎn)在于人眼安全，易于將Mie散射和Rayleigh散射分開，利于探測大顆粒子。Mie散射用于云層的探測,云頂高和云層厚的測量，對于沙塵的探測比較擅長。 22 Rayleigh散射激光雷達(dá)和中層大氣探測Rayleigh散射 大氣分子對激光束的散射截面與波長的四次方成反比，稱之為Rayleigh散射，散射波長與Mie散射相同。Rayleigh散射激光雷達(dá)主要用于中、高層大氣的探測

15、。Rayleigh散射激光雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn):大的激光雷達(dá)配置;短的工作波長;小的接收視場和光束發(fā)散;嚴(yán)格的發(fā)射和接收準(zhǔn)直;光子計(jì)數(shù)檢測方式;低空強(qiáng)回波干擾抑制;檢測動態(tài)范圍擴(kuò)展。主要應(yīng)用:分子密度廓線的探測;溫度廓線的探測;中層大氣重力波的探測。分子密度式中P(R)表示激光雷達(dá)接收到高度R處的回波功率，K表示所有與激光雷達(dá)參量有關(guān)的常數(shù)。該常數(shù)對某指定的激光雷達(dá)而言為定值，且在整個探測過程中保持不變。sm為大氣分子的Rayleigh散射截面，在激光波長確定的情況下，可視為常數(shù)。2.2 Raman激光雷達(dá)和大氣組分探測相對于Mie散射和Rayleigh散射，Raman散射強(qiáng)度弱很多，Raman散射的

16、波長不同于散射波長，與散射氣體的種類有關(guān)，因此它可以用來區(qū)分成份；Raman激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù):很強(qiáng)的Mie-Rayleigh散射抑制，減小其對回波的干擾;高的光譜分辨能力，以利于和其他氣體區(qū)分出來。主要用途:濕度廓線(接收水汽振動Raman散射回波)的探測;溫度廓線的探測（接收氧氣和氮?dú)廪D(zhuǎn)動Raman散射回波）;氣壓和大氣密度，近距離大氣污染氣體的探測等。2.3 差分吸收激光雷達(dá)和大氣微量組分探測激光脈沖在大氣層中行進(jìn)一方面被氣溶膠和氣體分子散射，另一方面還被大氣物質(zhì)吸收，而本系統(tǒng)所提取的信息正是表現(xiàn)為被測氣體對激光脈沖能量的吸收。在差分吸收探測系統(tǒng)中，既利用氣溶膠和氣體分子散射而形成的回波，

17、又利用氣體吸收而獲得被測氣體的信息。其吸收信號的強(qiáng)弱反映了被測氣體濃度的大小。為了盡量排除其他各種因素的影響，以獲得準(zhǔn)確被測氣體的吸收信息，在該系統(tǒng)中采用兩束波長相近的發(fā)射激光束。其中一波長選在被測氣體吸收譜峰的中心，吸收較強(qiáng)；另一波長選在吸收譜峰的外邊，使其受到的吸收較小，比較兩種回波的差異，通過數(shù)值分析得到被測氣體的濃度。 差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn): 雙波長發(fā)射,雙波長接收;目前國際上已有基于鈦寶石激光器和染料激光器的差分吸收雷達(dá)探測SO2, NO2, O3，以及基于Ho,Tm:YLF2.0m激光器探測CO2氣體，都取得了較大成功。軍事上用來測生化毒劑。大氣激光雷達(dá)的一個發(fā)展趨勢是，利用共

18、同的激光器和共同的望遠(yuǎn)鏡,同時利用多種激光大氣效應(yīng)，從回波中分離提取多種信號，獲得多個大氣信息，可稱之為綜合性大氣激光雷達(dá)。2005年德國的科學(xué)家提出四維綜合性激光大氣雷達(dá)（Mie散射測氣溶膠，Rotational Raman散射測溫度，差分吸收測水汽）如下圖所示。 三） 激光測風(fēng)雷達(dá)31 相干多普勒（光外差）激光雷達(dá)相干探測采用種子注入、半導(dǎo)體激光泵浦Tm,Ho:YLF激光器，工作波長2.05um,探測器InGaAsSb四元雪崩二極管，相干外差鑒頻。氣溶膠的后向散射光頻率為，作為參考信號的本振光頻率為（即發(fā)射光頻率），氣溶膠的后向散射光與本振光同時投射到光電二極管表面，產(chǎn)生相干疊加（混頻），

19、然后輸出差頻為的射頻電信號及直流分量，經(jīng)過中頻放大器和鑒頻器，最后獲得所需的多普勒頻移大氣氣溶膠的后向散射和本振光均為平面/相干/偏振光，且相互平行并垂直投射到光電探測器表面，則混頻后的電場為根據(jù)光電探測器的平方律特性，探測器的輸出電流為：，它是若干個光波周期求平均，上式所表示的差頻后電流信號，進(jìn)中頻放大器放大后可濾去支流分量，并獲得中頻電流信號，于是，再經(jīng)過鑒頻器最后可獲得多普勒頻移接收望遠(yuǎn)鏡濾光片光混頻器本振激光中頻放大器鑒頻器多普勒頻移氣溶膠后向散射光32 非相干多普勒（光譜分析）激光雷達(dá)直接探測采用種子注入、半導(dǎo)體激光泵浦Nd:YAG激光器三倍頻355nm。接收到的回波采用雙F-P干涉

20、儀利用雙邊緣方法確定Rayleigh散射頻移， 探測器采用光電倍增管，并且比較兩個通道信號的大小；采用條紋圖象檢測技術(shù)確定接收到的回波Mi散射多普勒頻移， 條紋圖像技術(shù)通過多通道CCD探測器采樣接收信號的有用光譜間隔，通過計(jì)算光譜峰偏移獲取多普勒頻移。（1）雙邊緣技術(shù)圖2 F-P干涉儀結(jié)構(gòu)兩個F-P干涉儀透過率曲線的中心頻率位于Rayleigh散射譜的兩翼，在無多普勒頻移時，落入兩個信號通道的強(qiáng)度相同；在有多普勒頻移時，兩個通道的信號強(qiáng)度發(fā)射變化，一個變大，一個變小，比較它們的大小，將兩個通道信號之差除以兩個通道之和就可以得到多普勒頻移量。為了得到上述的頻譜結(jié)構(gòu)，可以采用如圖3所示的F-P干涉

21、儀結(jié)構(gòu)。將干涉儀分割成兩部分，它們的腔長存在著一個微小的差別，以形成中心頻率上的差異，然后在光出射端，將這兩路光束分別照射不同的探測器。由于兩個平板固定在一個極板上，消除了由于振動和熱效應(yīng)引起的兩個通道中心頻率間隔的漂移。F-P干涉儀的一個平板上鍍同種厚度的薄膜，另一個平板上鍍兩種厚度的薄膜。（2）干涉條紋圖像技術(shù)Fizeau 干涉儀也由兩塊光學(xué)平板組成，但彼此之間以一定的微小楔角分開，形成楔楔形空氣隙。入射光在通過兩個平板間楔形空氣隙后，沿楔角方向產(chǎn)生干涉條紋，如圖5。Fizeau楔角干涉條紋強(qiáng)度分布可以采用函數(shù)描述，即式中，R為平板內(nèi)表面的反射率，為相位因子，它與平板間隔及入射光頻率之間的

22、關(guān)系為，可見干涉條紋的空間位置與回波光頻率有關(guān)，當(dāng)發(fā)生多普勒頻率移動時，干涉條紋的空間位置隨之發(fā)生移動，可由干涉條紋移動量反演風(fēng)速。干涉儀要放置在恒溫裝置中。歐空局（ESA）已經(jīng)全面啟動全球第一臺星載測風(fēng)激光雷達(dá)計(jì)劃（ADM-Aeolus計(jì)劃），計(jì)劃2008年發(fā)射， ESA的直接探測激光雷達(dá)準(zhǔn)備采用條紋圖像技術(shù)，準(zhǔn)備采用三倍頻的Nd：YAG，平行平面FP標(biāo)準(zhǔn)具和Si-CCD探測器。NASA最近的趨向是采用混合技術(shù)測量全球風(fēng)場，即利用相干技術(shù)測量低空大氣風(fēng)場，利用直接探測技術(shù)測量中高空大氣風(fēng)場，混合激光雷達(dá)測量大氣風(fēng)場對激光器件和接收光學(xué)的要求將更加嚴(yán)格。四）海洋激光雷達(dá)及其在海洋探測中的應(yīng)用激

23、光海洋探測的物理機(jī)制,一般基于瑞利散射、米散射、拉曼散射、熒光、光譜吸收等。41激光測量淺海深度水深測量一般基于淺海、島礁或者船之無法到達(dá)的海域。機(jī)載海洋激光雷達(dá)可以快速掃描,獲得淺海地貌,測量效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲納測量。另外淺海水深測量由于水下目標(biāo)探測密切相關(guān),利用水深測量技術(shù)可以對水下目標(biāo)(如潛艇、水雷等)進(jìn)行探測。假如海表和海底返回脈沖的時間將額為,則水深就可表示為海表脈沖返回信號通常利用紅外光精確定位,一般利用Nd:YAG的1.064m激光測量,這種技術(shù)已經(jīng)較為成熟,水深獲取的關(guān)鍵是精確測量海底脈沖的目標(biāo)532nm返回信號。影響水深測量的因素很多,除了激光發(fā)射功率、光學(xué)接收效率、視場角匹配。

24、還有以下因素對目標(biāo)信號帶來嚴(yán)重干擾:(1) 不同水質(zhì)得到的波形是不同的,消除海水中強(qiáng)烈的海水后向散射一直是激光雷達(dá)測深技術(shù)中所面臨的關(guān)鍵問題。淺海或沿岸水域富含各類海洋微生物,不僅水體散射增強(qiáng),而且浮游植物的存在也吸收了更多的入射光能量,使得散射信號往往比目標(biāo)發(fā)射信號大。因此,淺海深度測量必須首先對海水的后向散射進(jìn)行抑制。一般采用光電探測器的變增益方法,對淺水層后向散射信號采用小增益放大,而對海底或目標(biāo)發(fā)射信號采用大增益放大。(2) 海水的衰減系數(shù)大,目標(biāo)信號與海表信號強(qiáng)度差5-7個量級,而一般數(shù)字化儀的動態(tài)范圍為2-3個數(shù)量級,因此對信號的動態(tài)范圍進(jìn)行壓縮,才能保證對目標(biāo)信號的有效采集。(3

25、) 太陽背景等雜散光對測量造成嚴(yán)重影響,強(qiáng)烈的背景光還會造成光電探測器的疲勞。因此一般采用窄帶濾光片濾除背景光。42 海洋Raman激光雷達(dá)水是一種似冰的四面體結(jié)構(gòu),相似水分子的氧原子之間存在一氫原子形成氫鍵,由氫鍵構(gòu)成的四面體結(jié)構(gòu)的族團(tuán)不斷地生成與消失,隨著溫度升高四面體結(jié)構(gòu)組團(tuán)的濃度極少,單個水分子增多.水的O-H鍵Raman譜隨溫度而變化或發(fā)生頻移,在此基礎(chǔ)上可通過測量海水激光Raman散射譜測量海水溫度。 激光Raman散射測量海水溫度的物理基礎(chǔ)可概述為：1) 水是由帶氫鍵的族團(tuán)即大分子和沒有氫鍵的單分子組成2) 這兩種分子結(jié)構(gòu)的濃度是海水溫度的函數(shù)3) 大分子與單分子OH鍵拉曼頻移是

26、不同的.4) 通過拉曼頻移譜可測量水中大分子和單分子濃度關(guān)系,可反演海水溫度利用激光Raman散射譜分析法提取海水溫度信息主要采用以下手段;1) 雙色比法2) 解卷積法3) 函數(shù)擬合法4.3 Brillouin散射激光測量海洋聲速拋面聲場預(yù)報(bào)對于海軍具有直接的指導(dǎo)意義,對確定潛艇運(yùn)動和探測潛艇位置具有重要作用,實(shí)時海洋邊界層聲速拋面的測量對研究海洋混合層和內(nèi)波過程有重要作用,可以了解海洋混合層物理參數(shù)的季節(jié)性變化、動力參數(shù)變化. Brillouin散射是一種具有頻率偏移的非彈性散射, Brillouin散射頻移可表示為: ，式中為海水折射率, 為海中聲速, 為入射激光波長, 為散射角。 Bri

27、llouin散射頻率一般在7-8GHz以內(nèi),帶寬500MHz.對Brillouin散射頻移的測量一般借助于F-P干涉儀,但F-P干涉儀受接收視場角較小,對環(huán)境影響敏感等限制,影響B(tài)rillouin散射頻移的測量精度。Brillouin散射也可以用來測鹽度4.4 海洋Rayleigh激光雷達(dá)散射實(shí)質(zhì)上是水分子本身的散射，水分子處于隨機(jī)熱運(yùn)動狀態(tài)，不同運(yùn)動速度的水分子其散射光的多普勒頻移也不盡相同這種水分子隨機(jī)運(yùn)動產(chǎn)生的散射光，其總的效果即是多普勒展寬，溫度越高，分子平均熱運(yùn)動速度越快，多普勒展寬越多。也就是說散射回波相對于發(fā)射激光因海水的熱運(yùn)動而展寬；要從海水多普勒展寬中測量海水溫度，測量系統(tǒng)必

28、須具有很高的光譜分辨率。, 和分別表示頻譜展寬和海水溫度通過高溫原子濾波器的光信號與通過低溫原子濾波器的光信號均與Rayleigh散射的光譜積分成正比，其光譜面積可近似看作接收信號的光子數(shù)，采用兩信號面積的比值可以獲得海水溫度。脈沖激光器原子濾波器（低溫）探測器2原子濾波器（低溫）原子濾波器（高溫）探測器3探測器1發(fā)射激光望遠(yuǎn)鏡反饋控制中心波長散射激光在海洋激光遙感系統(tǒng)中，目前發(fā)展最成熟的品種是海洋測深系統(tǒng)。如optech公司與日本海岸警衛(wèi)隊(duì)簽署協(xié)議，2003年為其研制生產(chǎn)增強(qiáng)型的激光測深系統(tǒng)SHOALS-1000。目前的SHOALS系統(tǒng)的測量精度已完全能夠達(dá)到國際海道測量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一級測量精

29、度指標(biāo)要求，測量速率為1000Hz，測量深度為0.1-50米，掃描寬度為航行高度的0.85倍。其他類型的海洋激光遙感系統(tǒng)離實(shí)用還有明顯距離。五）熒光激光雷達(dá)5.1激光測量海洋表層葉綠素濃度海洋葉綠素濃度測量與估計(jì)海洋初級生產(chǎn)力,全球通量和眾多海洋現(xiàn)象研究密切相關(guān),也是海洋學(xué)家十分關(guān)注的問題之一.當(dāng)激光照射海水中的葉綠素時,其激發(fā)的熒光量與其在海水中的葉綠素濃度有關(guān).因此,直接在現(xiàn)場測量葉綠素分子的激光誘導(dǎo)熒光可以獲得葉綠素分子濃度. 5.2海面油膜激光熒光測量海面油膜的形成有兩種機(jī)制:由于海底油氣藏的微滲漏而形成的油膜;由于海面船之油泄漏等形成的海面油污染.熒光的產(chǎn)生是由于一個熒光物質(zhì)的分子吸

30、收了一個光子,然后發(fā)射出另一個能量較小的光子.熒光譜分為激勵熒光譜和發(fā)射熒光譜.不論激勵熒光譜還是發(fā)射熒光譜都直接同物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)相關(guān),因此物質(zhì)的熒光譜是物質(zhì)分析的一個重要手段；各類油的熒光衰減時間譜差別很大，也是一種很好的標(biāo)識特征。機(jī)載的激光雷達(dá)將短波激光束打到海面上，探測油膜的發(fā)射熒光譜和熒光衰減時間譜，從而確定油的種類，油膜的厚度。5.3激光油氣探測海洋油氣資源遙感遙測的主要方法是探測芳烴化物或烴類指示物的高靈敏度熒光。探測激光激發(fā)的烴類指示物熒光主動系統(tǒng)采用光譜探測方法,以激光為激發(fā)光源、光多通道分析儀即高速光子計(jì)數(shù)器為探測手段,利用近年來發(fā)展起來的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),來進(jìn)行海洋有機(jī)物、

31、海面油污染、海底油苗或烴類指示物等激光激發(fā)熒光光譜及熒光衰減譜的研究以達(dá)到對不同熒光物質(zhì)區(qū)分探測的目的,特別是標(biāo)志海底油氣藏的油苗或烴類指示物于海面油污染及其它有機(jī)物質(zhì)的區(qū)分識別. 這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用于海油氣資源的快速遙測，解決海洋地球物理勘探的一些困難，具有顯著的應(yīng)用前景。5.4植被和水體污染的探測森林和植被的激光遙測，預(yù)測病蟲害，預(yù)測農(nóng)作物產(chǎn)量，受過病蟲害的作物和健康的作物其熒光譜有區(qū)別；激光誘導(dǎo)水體熒光探測可以用來測量水污染，回波熒光強(qiáng)度反映污染程度，熒光譜可分辨污染源種類。5.5金屬礦藏的激光探測kasden等于1981年在已知具有二氧化鈾離子UO2表面礦化區(qū)用地基激光雷達(dá)進(jìn)行了熒光

32、研究所用發(fā)射系統(tǒng)主要為閃光燈泵浦染料激光器，工作波長425nm,線寬3nm,輸出脈沖能量35mJ, 脈寬175ns接收系統(tǒng)18cm反射望遠(yuǎn)鏡即可變通濾波器單色儀PMT探測器,可探測光譜490-600nm,探測距離32-40m.總體來說，激光熒光雷達(dá)發(fā)展難度大，難點(diǎn)在于信號弱，干擾多而強(qiáng)，各類物質(zhì)熒光譜很復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累不足（需要建立各類物質(zhì)熒光譜的數(shù)據(jù)庫）。因此這類熒光遙感系統(tǒng)大都沒有進(jìn)入實(shí)用階段。六）成像激光雷達(dá)1凝視成像與距離選通激光雷達(dá)如果使用擴(kuò)束激光（寬波束）發(fā)射光學(xué)天線，使目標(biāo)均勻照射，采用CCD相機(jī)或焦平面陣列探測器接收，很容易獲得目標(biāo)的圖像，而目標(biāo)的距離通過激光調(diào)制波的相位來

33、測量，即構(gòu)成非掃描成像激光雷達(dá)。在距離選通中,照象機(jī)的快門打開的時間對于照射物體的激光發(fā)射時間是延時的,并且在很短的時間內(nèi)打開,在這段時間內(nèi)激光從物體反射回來.選通開關(guān)僅對激光脈沖反射光到達(dá)接收器時才打開.距離選通排除了后向散射光.這種方法,在于攝取到達(dá)相機(jī)的從物體反射回的光,并能屏蔽返回光中的散射光子.距離選通的成像系統(tǒng)采用脈沖激光器和能使像增強(qiáng)的選通ICCD器件或增強(qiáng)型焦平面器件.2同步掃描激光成像系統(tǒng) 激光器輸出光束（窄波束）在靶面上以一維或二維的方式掃描.采用一維掃描方式,通過平臺的運(yùn)動獲得二維信息，探測器是線陣器件.在光柵掃描方式中,光束沿二維掃瞄.探測器采面陣器件。 3三維成像系統(tǒng)

34、條紋管成像激光雷達(dá),使用脈沖激光器和時間分辨的條紋管接收器.激光束偏離軸線形成一個扇形光束,然后使得從光電陰極發(fā)出的光電子加速、聚焦、偏離.沿著垂直于扇形光束的軸上加一個掃描電壓來及時控制光束,這樣就能得到每一個激光脈沖的距離方位圖像,采用傳統(tǒng)的CCD技術(shù)對這些距離方位圖像進(jìn)行數(shù)字存儲,使系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率與平臺的前進(jìn)速度同步。推帚式式激光成像，激光束被分束器分成多束,或叫陣列激光束,由飛行器實(shí)現(xiàn)一維掃描,由陣列激光束和陣列探測器本身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)另外一維掃描,這種方案,要采用激光分束器和多路回波并行接收技術(shù)。沒有運(yùn)動的掃描部件,其機(jī)械和光學(xué)設(shè)計(jì)更簡單,機(jī)械失效的危險更?。煌浦闶郊す鈷呙璩上裣到y(tǒng)可在

35、提高激光單脈沖能量的同時使激光器重復(fù)頻率大大降低；同時可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)多種地面采樣圖案,因而可以實(shí)現(xiàn)遙感時的非均勻測量,這對未來的自適應(yīng)對地觀測三維成像中特別有用。并且掃帚式激光雷達(dá)成像技術(shù)特別適合與推帚式光電、光譜成像等技術(shù)的匹配和圖像的配準(zhǔn)。下圖是美國林肯實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的推帚式成像系統(tǒng)。 目前成像激光遙感系發(fā)展較快，品種較多，大多在機(jī)載航空領(lǐng)域內(nèi)使用。比如美國的optech公司ALTM3100EA,飛行高度803500m,最大掃描頻率70Hz,發(fā)射激光重復(fù)頻率30kHz-100kHz,最大偏轉(zhuǎn)±25º，主要用來地形測繪，已經(jīng)商業(yè)化銷售多臺。七）激光雷達(dá)新體制7.1相共陣激光

36、雷達(dá)是通過一組激光束的相位分別進(jìn)行控制和波束合成,實(shí)現(xiàn)無機(jī)械掃描的一種體制. 通過調(diào)節(jié)從各個相控單元（移相器）輻射出的光波之間的相位關(guān)系，使其在設(shè)定方向上彼此同相，產(chǎn)生相互加強(qiáng)的干涉，干涉的結(jié)果是在該方向上產(chǎn)生一束高強(qiáng)度光束，而在其他方向上從各相控單元射出的光波都不滿足彼此同相的條件，干涉的結(jié)果彼此相抵消。因此，輻射強(qiáng)度接近零。組成相控單元在計(jì)算機(jī)的控制下，可使一束或多束高強(qiáng)度光束的指向按設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)空域掃描。美國自20世紀(jì)70年代初開始研究激光相控陣技術(shù)并首次用鉭酸鋰晶體制成移相器陣列(46元),實(shí)現(xiàn)一維相控陣以來,并制成以液晶為基礎(chǔ)的二維光學(xué)相控陣樣機(jī),陣面4cm×4cm,

37、包括1536個移相器單元.存在的技術(shù)難題主要是制造工藝不成熟、光束偏轉(zhuǎn)范圍還比較小(幾度)、控制效率低(10%).但人們希望, 相控陣技術(shù)的突破將對高性能激光雷達(dá)乃至光電傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生革命性影響7.2合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)，一般激光發(fā)射源與接收裝置同在一個運(yùn)動平臺上。在平臺的運(yùn)動工程中，在某個位置用小孔徑天線發(fā)射光束對目標(biāo)進(jìn)行照射，并對目標(biāo)回波信號進(jìn)行采樣，探測器接收來自目標(biāo)的散射光的強(qiáng)度和相位信息，完畢后移動到下一個位置在進(jìn)行同樣的探測，如此進(jìn)行下去直到平臺移動整個合成孔徑長度，得到一組回波數(shù)據(jù)。通過對回波進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，可以得到高分辨率目標(biāo)圖像。相位信息一般采用外差探測?；夭ㄐ盘栍幸欢ǖ臅r

38、間延時，相對于參考光有一個附加相位，附加相位包含了距離信息，在探測器上參考波和回波混頻得到一個輸出拍頻脈沖電流，如果在合成孔徑長度內(nèi)發(fā)射M個激光脈沖，實(shí)際探測器輸出M個拍頻電流，每個拍頻與距離單元相對應(yīng)。對這些采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅立葉變換并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，便可得到目標(biāo)區(qū)域的高分辨率圖像。國際上從事這項(xiàng)研究的機(jī)構(gòu)有：Naval research laboratory和Lincoln laboratory以及communications research laboratory，合成孔徑雷達(dá)目前還不夠成熟，工程上還需要在以下技術(shù)上繼續(xù)努力：（1）性能優(yōu)良的激光器，尤其重要的是它的時間相干性要求很高

39、(激光輸出頻譜很純)。（2）運(yùn)載平臺的高穩(wěn)定性，合成孔徑雷達(dá)采用外差探測，微小的位置偏差或振動造成嚴(yán)重的相位差。（3）激光發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如何控制光束指向，在掃描模式上合成孔徑雷達(dá)怎樣快速改變光束方向。(4)更有效的成像算法，對各種由系統(tǒng)不穩(wěn)定性帶來的誤差進(jìn)行補(bǔ)償?？垢蓴_技術(shù)，如何減小散斑噪聲，如何減小大氣對光波相干性的干擾。美國自20世紀(jì)80年代開展了激光合成孔徑雷達(dá)概念，并進(jìn)行了原理試驗(yàn)。試驗(yàn)研究采用重復(fù)頻率100Hz的TEA CO2相干脈沖激光器，脈寬為150ns，峰值功率為100kw，以單模工作，而且頻率可調(diào)。三、激光主動遙感的發(fā)展趨勢1) 進(jìn)一步借鑒微波雷達(dá)遙感的概念、方法相對于激光

40、雷達(dá)而言，微波雷達(dá)的發(fā)展更成熟、使用面更廣，因此，微波雷達(dá)的概念、信號處理的方法對激光雷達(dá)的發(fā)展具有借鑒作用如前文提到的相控陣、合成孔徑等概念就直接取之于微波雷達(dá)；連續(xù)波調(diào)頻和脈沖壓縮等信號調(diào)制和解調(diào)的方法正在被激光雷達(dá)所采用；甚至在海洋激光雷達(dá)中，發(fā)射時將微波信號加載到激光上，接收到回波后在通過光電器件變成微波信號加以處理。總之，未來微波雷達(dá)的技術(shù)和思想進(jìn)一步滲透激光遙感領(lǐng)域。2) 與其他遙感手段的配合、融合，發(fā)揮遙感系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢激光主動遙感與微波遙感、紅外遙感之間相比各有優(yōu)勢，微波波束的發(fā)散角大，激光發(fā)散角小，因此，激光的精度和角分辨率高，而微波的搜索能力強(qiáng)；微波雷達(dá)的電磁干擾敏感，探測

41、地空目標(biāo)時，回波信號就被地面的雜波所淹沒，激光雷達(dá)電磁抗干擾能力強(qiáng)；它們之間存在著互補(bǔ)性。激光高度計(jì)就和微波SAR合在一起用；未來的預(yù)警系統(tǒng)傾向于激光主動遙感和紅外系統(tǒng)組合使用，先用紅外系統(tǒng)大面積搜索，一旦發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)則通知激光雷達(dá)跟蹤、測速、測距；比如夜晚沒有光源照明，熱紅外成像不能將目標(biāo)和環(huán)境區(qū)分開來，如果和激光主動遙感相配合可以很好地解決這一問題。3) 新技術(shù)和新器件不斷面世，不斷改善激光雷達(dá)的性能。激光光源的不斷進(jìn)步，比如光纖激光器的功率的提高，陣列半導(dǎo)體激光器的性能的提高，激光穩(wěn)頻技術(shù)的改進(jìn)；InGaAs和HgCdTe雪崩二極管陣列的研制成功等；分辨率更高的濾光片和分光器件的使用等將不同程度地改善激光雷達(dá)的性能；新技術(shù)的采用，如光子計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)和距離門技術(shù)都會對激光雷達(dá)的發(fā)展產(chǎn)