2.2.2　激光雷達系統

米散射激光雷達是應用最廣，也是發展歷史最久的一種激光雷達系統，主要利用氣溶膠的后向米散射回波來探測氣溶膠消光系數或后向散射系數的分布。這種激光雷達系統已被廣泛應用到對流層和平流層氣溶膠光學特性時空分布的測量中。這種彈性散射激光雷達還可用來測量煙霧和工業塵埃，為研究這些污染物的擴散規律提供了有效的實驗手段。常用的激光波長為Nd：YAG的2倍頻輸出532nm綠光，探測范圍可以從近地面至平流層30km高空，尤其是它能夠在白天進行對流層中低層氣溶膠的測量。此類激光雷達的缺點是回波方程中含有氣溶膠后向散射系數和消光系數兩個未知量，定量求解中必須預先假定這兩個參數之間的關系。這種激光雷達技術發展比較早且比較成熟，系統結構簡單，現在已向小型化和商品化發展，在大氣環境及氣溶膠相關的氣候輻射等領域具有廣泛用途。目前這類激光雷達正在向空間平臺發展（機載及星載等），用于監測全球氣溶膠和云的空間分布。散射激光雷達涉及激光、光學與機械、電子以及計算機控制等技術，一般由激光發射系統、光學接收系統和信號檢測系統三部分組成，如圖2-8所示。

2.2.2.1　激光發射系統

激光發射系統由脈沖激光器、光束準直器和光束發射器組成。脈沖激光器是決定激光雷達整體性能的關鍵單元之一，在米散射激光雷達中常使用固定波長的脈沖激光器。早期的米散射激光雷達多用紅寶石或銣玻璃脈沖激光器，其發射波長分別為694.3nm、1064nm。這兩種激光器雖然能夠輸出較大的單脈沖能量，但其脈沖重復頻率難以提高。因此，20世紀80年代以來，這兩種激光器很快被性能更為優越的Nd：YAG激光器所取代。

Nd：YAG脈沖激光器是一種固體激光器，其基波波長為1064nm。由于YAG激光器具有峰值功率高、光束性能好的特點，對其基波進行倍頻和混頻等非線性頻率變換，能以很高的效率獲得532nm的綠色可見光和355nm的紫外光。利用調Q技術，可將YAG激光器的脈沖寬度壓縮到約10ns。目前，YAG激光器多用閃光燈激勵，其單脈沖激光能量可達到或超過1J的水平，脈沖重復頻率通常在10～100Hz范圍。其缺點是體積、功耗較大，對于移動式激光雷達的Nd：YAG脈沖激光器則需要功率和體積均要小一些，且對結構的牢固性和工作的可靠性具有較高的要求。Nd：YAG脈沖激光器的最近發展是用半導體二極管激光代替傳統的閃光燈作為激勵源，使這類激光器變成所謂全固化激光器。和原來的閃光燈激勵相比，半導體激光激勵具有更高的轉換效率、更高的脈沖重復頻率、更小的體積和更高的可靠性，因此特別適用于各種小型化和移動式激光雷達。

發射激光束的高度準直性是激光雷達的主要特點之一，但目前大多數激光器輸出光束的準直性并不能完全滿足激光雷達的應用要求。例如，一光束直徑約為10mm的激光束，如發射角為1mrad，則該光束在大氣中傳播100km后其光束直徑將變為大約100m。激光雷達為了接收來自這100m直徑范圍大氣的回波信號，其接收望遠鏡的視場必須調得比激光束的發散角更大。這樣，激光雷達接收到的天空背景光的噪聲將大大增加，從而降低了激光雷達的探測能力。因此，對大多數激光雷達的光束都需要采用光束準直器對其進行準直處理，以進一步提高發射激光束的準直度。

光束發射器的作用是將已經準直的激光束向所要求的方向發射。光束發射器主要由光學轉折鏡和相應的精密光學調節架組成。對光學轉折鏡的要求是能無畸變地折轉能量密度很大的發射激光束。對于通常采用的90°轉折來說，尺寸較大的光學玻璃或石英直角轉折棱鏡適合作轉折鏡；如需用平面反射鏡，則要求其光學反射膜具有較高的強度。精密光學調節架的作用是準確地調節發射激光束的方向。調節架通常設有粗、微調機構，要求達到微弧度的角度調整精度。

2.2.2.2　光學接收系統

接收系統包括接收望遠鏡、窄帶濾光器和光電探測器。

接收望遠鏡用于接收激光雷達回波信號，常用的是卡塞格倫望遠鏡和牛頓望遠鏡。其中牛頓式反射望遠鏡由球面鏡和平面轉折鏡構成，而卡塞格倫式望遠鏡則由拋物面鏡和雙曲面鏡構成。比較而言，牛頓式望遠鏡的結構和調整較為簡單，而卡塞格倫式望遠鏡的結構和體積則要緊湊一些。不管哪種形式，作為激光雷達的接收望遠鏡，在其焦平面上均需設置一小孔光闌，以控制其接收視場。

激光雷達光學接收系統中窄帶濾光器的作用是僅讓工作波長的回波光順利通過而盡量抑制其他各種波長的背景光或雜散光。激光雷達常用的窄帶濾光器為干涉濾光片。干涉濾光片是在玻璃基片上交替鍍一層不同種類和結構的光學薄膜做成的，能通過光的干涉作用形成良好的帶通特性。干涉濾光片的主要指標為透射波長、透射率、透射帶寬和帶外抑制等。一般激光雷達的使用要求為：透射帶寬3～5nm，透射率50%～70%，帶外抑制10-4～10-5。

干涉濾光片通常用于垂直入射的平行光束。用于傾斜入射會使透射波長向短波方向移動，用于非平行光束會造成波長紫移和帶寬增加。因此，在激光雷達接收望遠鏡的焦平面后要加上一塊準直透鏡，將發散光束變為平行光束，再由干涉濾光片進行濾光。經過濾光片后的激光雷達回波信號光，由光電探測器進行光電轉換，將光信號變為電信號。光電倍增管具有高增益、低噪聲的優點，響應帶寬從紫外到近紅外光波段，目前仍是激光雷達主要采用的光電探測器。

2.2.2.3　信號檢測系統

信號檢測系統的作用是將經過光電轉換后的電信號進行一系列的放大、采樣和累加平均處理，使之成為一種反映回波信號強度隨探測高度（距離）而變化的激光雷達回波，并用適當方式將其顯示出來。激光雷達的信號檢測系統通常由信號放大器、顯示器、信號采樣平均器和微機等組成。

信號放大器的作用是將來自光電探測器的微弱信號放大到一定的幅度，以適應信號采樣平均器的工作要求，通常稱為前置放大器。由于激光雷達的回波都是快速變化的信號，因此，用于激光雷達的前置放大器除要求具有一定的增益（10～100倍）外，對其噪聲特性有較高的要求。為了進一步降低激光雷達系統的引入噪聲，要求將前置放大器盡量靠近光電探測器安裝，盡量縮短兩者之間的連接電纜。

顯示器常用于按強度-時間的形式來實時顯示激光雷達回波信號，可使用示波器來擔任，直接顯示來自前置放大器的激光雷達回波。由于從顯示器上可清楚地看出激光雷達回波的特征和變化，因此對監視激光雷達的工作狀態和指導激光雷達的整機調整都非常有效。

信號采樣平均器用來對前置放大器輸出的回波信號進行采樣和記錄，并對在一段時間內所獲得的回波信號進行累加平均。激光雷達所用的采樣平均器有兩種：模擬采樣平均器和光子計數采樣平均器。

2.2.2.4　模擬采樣平均器

在一些低空探測激光雷達中，由于探測高度不高，因此所獲回波信號較強，表現為具有一定幅度的電壓和電流隨時間的變化，稱為模擬信號。對這種信號的檢測，可用較為簡單的模擬采樣平均器來進行。模擬采樣平均器的主要部分為A/D轉換器，將來自前置放大器的回波電信號經采樣、量化處理后儲存起來。在低空探測激光雷達中，通常采用采樣頻率為10MHz以上的A/D轉換器，以保證激光雷達較高的低空探測分辨率。用于激光雷達的采樣平均器還必須具有觸發采樣和信號累加功能。當激光器發射一個光脈沖時，信號采樣平均器進行一次觸發連續采樣并記錄結果。當發射下一個脈沖時，在進行本次觸發采樣的同時，將新采樣結果與原有采樣結果按采樣點的順序進行累加和平均。通過多次這樣的觸發采樣和累加平均，最后得到激光雷達的原始回波數據。

2.2.2.5　光子計數器

在高空探測激光雷達或是某些回波機制效率很低的低空探測激光雷達中回波信號很弱，呈現出隨時間離散分布的光脈沖信號，每個光脈沖信號對應于光信號中的一個光子。此時，信號的強弱由光脈沖信號在時間上分布的密集程度表示。對于這種在時間上離散的微弱光脈沖信號，有效的檢測方法是光子計數。用于激光雷達的光子計數器是一種多通道式的光子計數器，其工作原理與模擬采樣平均器類似，只是將模擬采樣平均器中的采樣量化變成了采樣計數，因此也可稱為光子計數采樣平均器。在大多數激光雷達的信號檢測系統中都配置了一臺微機，它的主要作用為控制回波信號的檢測、回波數據的自動采集、激光雷達的自動調整以及在工作空隙對回波數據進行反演處理。圖2-9為2007年12月在合肥董鋪島利用上述米散射激光雷達結合Fernald算法的反演結果，發射激光波長532nm，空間精度30m。