作者 梅亮 孔政 大連理工大學光電工程與儀器科學學院
大氣激光雷達技術的
研究意義是什麼
大氣激光雷達（Lidar）是一種主動式光學遙感探測技術，可探測大氣溫溼度、氣體濃度、氣溶膠消光係數、後向散射係數等的時空分佈參數，對大氣化學、大氣輻射、大氣汙染監測、天氣預報以及氣候模式研究等具有重要意義。
脈衝式大氣激光雷達系統通過向大氣中發射納秒量級的光脈衝，使用大口徑望遠鏡系統收集光脈衝的後向散射信號，並利用光電倍增管（PMT）或者雪崩光電二極管（APD）來檢測微弱的後向散射信號。
為了增加測量的動態範圍及同時測量遠、近距離的後向散射信號，通常需要聯合高速模擬採樣和單光子計數技術。經過近二三十年的迅速發展，脈衝式大氣激光雷達技術在硬件設計、軟件及理論算法分析等方面的研究已取得階段性成果，但其系統的設計和維護成本卻居高不下，限制了其在大氣環境探測領域的大規模推廣和應用。
2014年，瑞典隆德大學課題組把沙氏成像原理應用於大氣探測方面，提出了沙氏大氣激光雷達技術（Scheimpflug lidar，簡稱SLidar）。SLidar技術以連續光作為發射光源（如連續光高功率二極管激光器），利用傾斜的CCD/CMOS圖像傳感器在滿足沙氏成像原理的條件下探測大氣後向散射光，以角度分辨的方式獲得距離分辨的大氣後向散射信號，成功實現了距離分辨的大氣後向散射信號探測。
近幾年來，SLidar技術相關的研究工作方興未艾，並展示了在其大氣環境探測方面的巨大應用潛力，成為傳統脈衝式大氣激光雷達技術的有力補充。
沙氏大氣激光雷達技術的
獨特之處
沙氏成像原理實際上最早由法國工程師Jules Carpentier 於1901年首次提出並申請專利。1904年，澳大利亞軍官Theodor Scheimpflug（沙氏）在研究從熱氣球上進行對地觀測成像時再次對該課題進行了深入研究並申請了專利。同時，沙氏提出合頁規則（Hingerule），即平行於像面並且穿過透鏡光學中心的平面、透鏡的前焦平面，以及物面三者也相交於一條直線。此後，描述成像系統在物面與透鏡不平行的情況下清晰成像的規則被稱為沙氏成像原理。
SLidar技術則以沙氏成像原理為基礎，結合先進的半導體激光器技術和圖像傳感器技術，實現大氣後向散射信號的距離分辨探測，實現了從近距離到遠距離的大氣後向散射信號的清晰成像和探測，而這是常規大口徑成像系統難以實現的。它具備與傳統脈衝式大氣激光雷達技術不同的特點：
從光源角度
SLidar技術可以使用大功率、連續光二極管激光器。二極管激光器不僅成本低、尺寸小，而且在穩定性上優於傳統脈衝式激光雷達系統所使用的Nd:YAG激光器等。實際上，高功率二極管激光器在很多場合已經取代閃光燈應用於抽運Nd:YAG激光器。因此，SLidar技術解決了傳統脈衝式激光雷達技術由於需要使用高性能納秒量級脈衝光源而導致系統結構複雜、成本居高不下、維護成本高的難題。另外，二極管激光器光譜可選擇範圍大，因此SLidar技術具備豐富的光譜資源，對探測氣溶膠粒子譜具有很大的應用潛力。SLidar技術的探測波長將不再侷限於Nd:YAG激光器的3種輸出波長（1064 nm，532 nm，355 nm），這一點對當前氣溶膠粒子譜分佈研究具有特殊意義。
從激光雷達系統光學結構角度來看
雖然SLidar技術的發射和接收端分離，但是距離較近（≈1 m），因此依然屬於單基激光雷達系統，在探測距離範圍內一般不需要對後向散射信號的相位函數進行特殊處理。此外，由於滿足沙氏成像原理，在對大範圍內的物體清晰成像的同時還可採用大口徑的望遠鏡系統（如200 mm），因而極大地提升了激光雷達信號的信噪比。
從光電檢測角度
由於SLidar技術激光雷達回波信號不隨距離的平方衰減，因此極大地降低了系統對測量動態範圍的要求。所採用的圖像傳感器結構緊湊、性價比高，相比於脈衝式激光雷達系統中所採用的PMT及其附屬的高速採樣設備和單光子計數技術等具有顯著的技術、結構、成本優勢。此外，利用面陣圖像傳感器（長度約11 mm），SLidar技術可探測到近距離大氣回波信號，極大地縮短了近場探測盲區（<100 m），有效解決了傳統脈衝式大氣激光雷達技術近距離探測盲區大的問題。
SLidar技術在光源和光電檢測方面的獨特優勢，使得其系統結構緊湊、成本低，大約為傳統脈衝激光雷達系統的10%-20%，這對大氣激光雷達技術的廣泛應用及地基激光雷達網絡建設等方面具有重要意義。在發展多波長大氣激光雷達技術方面，SLidar技術在系統集成、波長選擇範圍等方面具有諸多的技術優勢。
圖 SLidar技術與脈衝激光雷達技術對比
沙氏大氣激光雷達系統
還可以測霧霾？
大氣氣溶膠探測
2015年，瑞典隆德大學聯合挪威納斯克公司最早利用SLidar技術開展了大氣氣溶膠遙感探測實驗研究工作。他們採用808 nm高功率二極管激光器作為光源，並利用窄帶干涉濾光片濾除大氣背景光，實現了大氣回波信號的探測並對SLidar技術的激光雷達方程以及距離分辨率等問題進行了探討，初步論證了SLidar技術在大氣氣溶膠探測方面的可行性。
而後，國內大連理工大學研究小組在此基礎上，利用輸出功率約為4 W的808 nm二極管激光器和二維CMOS圖像傳感器搭建了一套808 nm的單波長米散射SLidar實驗系統，並在近似水平方向上開展了24小時連續實驗測量的研究工作。
實驗結果表明，在潔淨及霧霾天氣下，利用SLidar技術測量得到的大氣消光係數與傳統點式監測站測量得到的PM2.5和PM10濃度之間存在較高的相關性。同時，SLidar技術測量得到的大氣後向散射信號以及消光係數時空分佈很好地反應了霧霾產生和消散的過程。該項研究工作論證了SLidar技術在大氣參數定量化探測及應用方面的潛力和前景。
隨後科研人員相繼開展了808 nm，407 nm，450 nm以及520 nm的SLidar系統的實驗研究工作，瞭解大氣氣溶膠粒子的分佈狀態。
瑞典隆德大學課題組也利用808 nm和405 nm二極管激光器作為光源，利用時分複用的結構對雙波長SLidar系統進行了初步研究，但是僅能在夜間以及短距離範圍內進行測量。
大氣氣體探測
傳統脈衝式差分吸收激光雷達技術（DIAL）的基本原理是向大氣中交替發射波長不同的激光脈衝（其中一個波長位於待測氣體吸收峰
，另一個波長偏離待測氣體吸收峰
），同時探測其後向散射信號並根據待測氣體對兩個波長激光雷達信號吸收強度的不同來求解大氣氣體的濃度分佈N (z)。脈衝式DAIL技術測量大氣氣體濃度分佈時，需要採用納秒量級的可調諧脈衝光源，從而實現
和
兩個甚至更多波長的光脈衝輸出，這給DIAL技術的實現及實際應用帶來了巨大的挑戰。
SLidar技術在實現距離分辨探測的同時，不需要使用脈衝光源，這為DAIL技術的實現提供了一種新的可能。瑞典隆德大學最早在2014年提出連續光差分吸收激光雷達技術（CW-DIAL），並開展了大氣中O2濃度距離分佈探測的研究工作。該研究工作論證了CW-DIAL技術方案的可行性，為CW-DIAL技術在大氣氣體探測的實際應用鋪平了道路。
為了進一步拓展基於沙氏成像原理的CW-DIAL技術在實際中的應用，大連理工大學研究小組利用高功率450nm藍光二極管激光器開展了可測量大氣中NO2濃度分佈的CW-DIAL技術的研究工作。
下一步重點是
與其他激光光譜技術融合
近年來，SLidar技術在大氣氣溶膠和氣體探測中的技術和應用研究方興未艾。在大氣氣溶膠探測方面，實現並考察了407 nm，450 nm，520 nm以及808 nm的SLidar系統開展大氣遙感探測的可行性，分析了其性能指標，初步建立了大氣激光雷達信號處理的方法。
目前的研究工作主要集中於單波長、雙波長及偏振SLidar技術的研究工作，包括Klett-Fernald算法反演大氣消光係數、與顆粒物濃度的對比分析、大氣退偏振比探測和顆粒物粒徑分佈的研究等。
下一步將重點開展SLidar技術在大氣環境探測中的實際應用研究，包括大氣邊界層及能見度探測。此外，利用SLidar技術低成本、低維護的優勢，研究可攜式、結構緊湊、自動化的SLidar系統，與傳統脈衝式大氣激光雷達技術相結合構建大氣激光雷達網，開展跨地區、立體的大氣氣溶膠及霧霾探測也是未來的重要發展方向。在大氣氣體探測方面，大連理工大學利用高功率、多模、連續光二極管激光器，成功實現了NO2濃度分佈的探測，為CW-DIAL技術在大氣汙染氣體探測中的應用邁出了堅實的一步，但是其性能指標還有待進一步提升。
儘管SLidar技術近年來得到迅速發展，未來依然需要從激光光源、探測器效率、濾光片帶寬以及信號處理方法等多方面入手，進一步提升SLidar系統的性能指標，推動其在大氣環境監測中的實際應用。
SLidar技術在其他領域的研究工作也在逐漸展開。瑞典隆德大學，華南師範大學等利用SLidar技術開展了大氣中飛行昆蟲的運動動態研究，趙光宇、高飛等人進一步將SLidar技術拓展成高光譜分辨激光雷達技術用於水體生態系統以及油汙染問題的研究等。因此，融合其他先進的激光光譜技術，拓展SLidar技術的新應用也是未來研究的重點之一。
閱讀更多 光電匯 的文章
