论文总字数：16519字

目录

1引言 5

2 激光雷达大气探测的原理和方法 6

2.1 激光雷达的工作原理 6

2.2 激光雷达方程的解 8

2.2.1斜率法 8

2.2.2 Klett法 9

2.2.3 Fernald法 9

3 基于多次散射的偏振激光雷达设计 10

3.1 基于多次散射偏振激光雷达的探测原理 10

3.2 基于多次散射偏振激光雷达的组成结构和技术参数 11

3.3 线性偏振激光雷达两个通道的增益比 13

4 实验观测 15

4.1 对大气气溶胶的探测 15

4.2 对云的探测 17

4.3 视场角的改变对探测云的影响 19

5 总结 20

参考文献 21

致谢 23

基于多次散射的偏振激光雷达系统研究

柯华兵

，china

Abstract: This paper introduces the characteristics of the general laser radar, the detection principle and the solving methods. At the same time a polarized laser radar based on multiple scattering is developed, which is composed of a laser transmitting system, an optical receiving system and a signal processing system. The transmission system consists of a laser, a beam expander, a linear polarizer, a half wave plate and a 45 degree mirror. The receiving system consists of the telescope, a 45 degree mirror, an aperture, a collimating lens, a filter, a polarizing beam splitter and two photoelectric detectors. And the signal processing system uses P7882 photon counting card. Based on the experimental method, the gain ratio of the two channels of the polarization laser radar is obtained, and the atmospheric aerosol and cloud layer over the experimental site are also observed. Finally the experimental results show that the gain ratio of two channels of the polarization lidar is 1.54, the depolarization ratio of the atmospheric aerosol over the detection location is about 0.15, the polarization ratio of clouds is about 0.5 and the depolarization ratio of the cloud will be increased as the angle of view of the system becomes larger.

Key words: multiple scattering; polarization lidar; gain ratio; depolarization ratio

1引言

雷达是利用无线电波即电磁波来发现目标物并测定它们空间位置的一种电子设备，可以获得目标物距发射点的距离、方位、高度、径向速度等信息。传统的雷达使用的波源主要是微波，微波的波长在1mm到1m之间。目前微波雷达技术发展的非常迅速且在很多领域有着非常重要的应用，已经成为一种不可或缺的探测手段。

激光雷达是以激光为发射源，从而达到探测目标物的空间位置、速度大小等特征的雷达系统。从本质来说，与一般的微波雷达没有太大的区别。但相比于普通的微波雷达，由于激光雷达发射的激光束都是频率较高的，一般都是百纳米级别的，所以相比之下有很多优点，如体积小，质量轻；具有极高的角度分辨率、距离分辨率和速度分辨率；抗干扰的能力较强，对低空目标物探测性能好；方向性较强，单色性较好等，是以成为许多海陆空领域进行遥感探测的必备手段之一，已被广泛应用于航天、通信、导航、定位和环境监测等高新技术领域^[1]。

在考虑入射光在云层中的散射时，尤其是一个取样体积中众多的散射云粒子存在时，不仅仅是要讨论一次散射的情况，还应考虑到第二次、第三次或更多次数的散射情况，即多次散射。对于水云球形粒子来说，激光雷达发射的光子在水云中将发生Mie散射，散射过程中的米效应会导致散射能量在各个方向分布的不一致性，但基本上不改变光子的偏振状态。实验表明，激光雷达发射的激光在云中经过多次散射之后，返回的光子信号的偏振状态发生了很大的改变，而这些偏振信息反应了云对激光的多次散射、对于一次散射是无法解释的。正是因为云对激光的多次散射，才会导致激光的偏振状态发生变化，也正是基于多次散射引起的偏振现象，我们才能反演和探究云内微观、宏观物理量的特性^[2]。

基于多次散射的偏振激光雷达是属于激光雷达家族谱的一个成员，既拥有一般的激光雷达所具有的探测大气气溶胶或云的后向散射系数及消光系数廓线的功能，同时还能根据探测到的大气气溶胶或云降水粒子回波信号的退偏振比来获知它们的球型特性，对于理论研究和实际应用有着鲜明的作用，特别是在大气环境检测方面即气溶胶和云粒子的探测方面，基于多次散射的偏振激光雷达发挥了极大的作用，因此这些年来，获得了快速的发展^[3]。

目前在国内，中科院安微光机所和青岛海洋大学也曾分别设计过偏振激光雷达，并对所在城市上空的大气气溶胶和卷云进行过一些探测。在海外，Sassen通过偏振激光雷达探测研究了不同形态的云的退偏振比的情况，Hayashida等也曾使用偏振激光雷达对美国圣海伦斯火山爆发前和爆发后平流层的气溶胶情况进行探测^[4]。

本文研制一台基于多次散射的偏振激光雷达系统，且基于实验的方法求出此偏振激光雷达两个通道的增益比，并对实验地点----综合观测培训实习基地上空的大气气溶胶和云层进行观测，求出其退偏振比。

2 激光雷达大气探测的原理和方法

2.1 激光雷达的工作原理

激光雷达最基本的工作原理与普通雷达的工作原理并没有本质上的区别，都是先由发射系统发射一个信号，然后在传输路径上与目标物发生接触碰撞，最后产生的回波信号被接收系统收集并进行处理，通过这样一个过程来获得所需要的相关信息。不同的是激光雷达发射系统使用的发射源为激光，其频率与普通无线电雷达发射的电磁波相比较而言要大得多。普通的雷达即无线电雷达由于波长较长、频率较小，不能很好的对尺度较小的目标物进行探测，而激光雷达系统由于使用的是激光，其波长一般在纳米、微米量级左右，所以能够探测尺度比较小的粒子。

图2-1 激光雷达结构图

激光雷达的基本原理如图2-1所示，激光雷达发射系统发出一束波长为，宽度为的激光脉冲，经过扩束镜扩束减小发散角后垂直射入大气，光束在传输过程中会受到大气气体分子、大气气溶胶和云降水粒子的散射作用，产生后向散射光，其后向散射光会被接收面积为的望远镜系统所接收，高度为处的后向散射信号功率可用雷达方程表示^[5]：