沙姆激光雷達(dá)

特點

? 真正的遙感

? 距離分辨率

? 3m到3km

? 高靈敏度

? 高速:＞3kHz

? 遠(yuǎn)距離大氣系統(tǒng)

? 短距離工業(yè)系統(tǒng)

? 高分辨率: ＜1cm

? 關(guān)于昆蟲的*的數(shù)據(jù)

? 顆粒物、氣溶膠和氣體廓線

應(yīng)用場景

? 安防

? 環(huán)境監(jiān)測

? 質(zhì)量控制

? 動物群和植物

一、簡介

沙姆激光雷達(dá)系統(tǒng)是真正的遠(yuǎn)程和便攜系統(tǒng)，它具有xxx的時間和空間分辨率，它可以為用戶提供實的大氣條件的測量結(jié)果和定量分析。即使在非常晴朗的條件下（0.15 km-1）高靈敏度的系統(tǒng)也能夠生成可探測的大氣信號。系統(tǒng)采用高度模塊化設(shè)計，利用*的波長、極化和探測器配置組合，可以使系統(tǒng)適合一系列不同的應(yīng)用，比如從大氣中氣體濃度和氣溶膠測量到農(nóng)業(yè)中空中動物群如昆蟲和鳥類的監(jiān)測。

利用SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)可以在幾公里范圍內(nèi)高速測量污染物和氣溶膠，并且能夠準(zhǔn)確地找到污染源，有時即使污染源存在時間很短也沒有問題；定量和主動測量在城市環(huán)境監(jiān)測中是非常有價值的。

下面對沙姆激光雷達(dá)技術(shù)，以及該創(chuàng)新的激光雷達(dá)的一些新的應(yīng)用進(jìn)行一個簡單介紹。

二、技術(shù)原理

傳統(tǒng)激光雷達(dá)是基于激光束的飛行時間原理，即在大氣中發(fā)射一個光脈沖，大氣的反向散射是時間可分辨的（通常通過復(fù)雜的單光子計數(shù)器件），從而得到被測信號的距離分辨率。而 SPLR 3500的激光雷達(dá)系統(tǒng)采用了沙姆原理，即距離的分辨率是激光束在大氣中成像的結(jié)果，因而SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)就可以利用連續(xù)（CW）二極管激光器，這樣可以很大地降低了激光雷達(dá)系統(tǒng)的體積和功耗，一個車載電池就可以保證激光雷達(dá)系統(tǒng)運行幾個小時。

SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)基于沙姆原理，一次曝光就可以成像整個激光束背散射信號。如圖1所示，探測器上一個像素對應(yīng)一個*的探測空間范圍。這個成像原理使得激光雷達(dá)的空間分辨率和距離具有一個確定的函數(shù)關(guān)系，而時間分辨率是由探測器的采集速率決定的。在近距離測量時，SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)脈沖系統(tǒng)高的空間分辨率，而在遠(yuǎn)距離二者的空間分辨率則相當(dāng)。

圖1. SPLR 3500沙姆激光雷達(dá)系統(tǒng)光束在探測器上成像示意圖

三、應(yīng)用

? 粒子和氣溶膠

由于米氏散射（Mie Scattering）產(chǎn)生大的可探測的背向散射信號，SPLR 3500激光雷達(dá)特別適合大氣中攜帶的粒子，就是所謂的氣溶膠的測量。人們對氣溶膠的許多特性都感興趣，比如濃度、尺寸、形狀和化學(xué)組分等；利用SPLR 3500激光雷達(dá)，通過調(diào)整波長和極化的組合，用戶就可以得到這些特性。

波長相關(guān)的背散射截面可以對不同的粒子進(jìn)行分類，因為在特定的譜段采用兩個或者多個波長的組合方法，氣溶膠會呈現(xiàn)很大的不同。

在環(huán)境監(jiān)測中大氣衰減系數(shù)（extinction coefficient km-1）是另一個非常感興趣的重要參數(shù)，通過經(jīng)驗方程衰減系數(shù)可以用來計算大氣中的微粒物（PM）。

PM2.5和PM10通常用來分類大氣中粒子的尺寸和濃度，因為它們可能被吸入體內(nèi)對人類健康造成危害。PM 的測量通常需要在城市的不同地方進(jìn)行，這就會在定量性和空間上由于相對低的信息價值限制了測量效率。

“分析城市氣溶膠，包括PM10和PM2.5，合理的監(jiān)測方法應(yīng)該能夠確定工業(yè)輻射源，這是對當(dāng)?shù)丨h(huán)保xxx的貢獻(xiàn)（在城市功能區(qū)）。如果主動的監(jiān)測能夠與中心監(jiān)測系統(tǒng)相連并能快速地減少污染源，這樣監(jiān)測數(shù)據(jù)的實際利用就會很大地擴展了，這將改善現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的效率。”

SPLR 3500激光雷達(dá)一個應(yīng)用案例如圖2所示，這里激光雷達(dá)系統(tǒng)對準(zhǔn)挪威的一個高速公路的上方，每個經(jīng)過的車輛都會有粒子排放物，并且能夠被激光雷達(dá)系統(tǒng)探測到，同時標(biāo)記在圖中，激光雷達(dá)也能夠顯示排放物隨時間被風(fēng)吹走延光束的變化， 在圖中大約 80 秒后，強烈的陣風(fēng)導(dǎo)致的測量湍流。正是由于高時間和空間分辨率，SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測到高速公路上每個經(jīng)過的車輛，這對于傳統(tǒng)脈沖激光雷達(dá)是不可能做到的。

圖2.時間-距離激光雷達(dá)對準(zhǔn)一條高速公路測量的時間-距離信號，單獨車輛的排放監(jiān)測。

? 氣體濃度

在差分吸收激光雷達(dá)（DIAL）測量時，需要調(diào)諧激光波長到氣體的已知吸收線，通過記錄不同波長的響應(yīng)來計算特定氣體的濃度。從記錄的吸收譜就可能計算出氣體的濃度，溫度和壓力。然而DIAL 對激光光源提出了特殊的要求，即必須是可調(diào)諧的窄譜段連續(xù)高功率激光器。盡管如此，SPLR 3500激光雷達(dá)給出了O2（在760nm）和 CO2(在1.57um)濃度的測量結(jié)果。這個測量給出了幾公里距離的空間可分辨的氣體濃度。

圖3.左圖給出沙姆激光雷達(dá)進(jìn)行DIAL測量的 CO2 的3個吸收峰，右圖給出估算的濃度隨距離的變化。

? 空中動物群監(jiān)測

采用SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行空中動物群的研究，特別是在昆蟲學(xué)研究方面的應(yīng)用是一個創(chuàng)新性的工作。通常的方法是設(shè)置陷阱，幾天之后回來手工收集昆蟲和計數(shù)，采用 SPLR 3500 激光雷達(dá)就可以遠(yuǎn)距離非破壞地觀察和一個區(qū)域的昆蟲。現(xiàn)在用激光雷達(dá)系統(tǒng)對準(zhǔn)一個你感興趣的區(qū)域，這樣你就可以在幾公里的距離范圍內(nèi)距離可分辨地實時觀察昆蟲活動。取決于具體地方，你可以觀察成百上千的昆蟲在白天飛過激光束，從而獲得它們的飛行方向，尺寸和種類等信息。

測量系統(tǒng)具有kHz的采樣速率，由于經(jīng)過激光束的昆蟲翅膀的擺動，所以測得的動物群的信號需要進(jìn)行調(diào)制，如圖 4 所示。調(diào)制譜含有個體的*信息如翅膀擺動頻率、身體、翅膀尺寸以及諧振的其它信息。利用這些信息就可能對觀察的昆蟲進(jìn)行分類。人們對昆蟲的行為模式感興趣，SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)在某個地方用來研究昆蟲、鳥類和蝙蝠的動態(tài)行為。

圖4.采用SPLR 3500沙姆激光雷達(dá)觀察昆蟲的兩個案例，xxx上一排圖給出由于翅膀擺動導(dǎo)致光截面的變化引起的調(diào)制信號的變化，中間一排圖給出的是觀察目標(biāo)的距離積分信號，xxx下面一排圖則是頻率分析，它給出了觀察的諧振成分。

四、SPLR 3500配置

? 波長

SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)激光波長范圍是由硅探測器的響應(yīng)決定的。可采用的xxx短波長是 400nm，xxx長波長 1050nm；通常有如下不同波長的高功率二極管激光器可選： 405nm, 450nm, 520nm, 532nm, 635nm, 650nm, 780nm, 808nm, 830nm, 850nm, 935nm, 980nm 。

? 偏振

SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)可以提供正交偏振配置，即在發(fā)射器上安裝同樣波長的兩個二極管激光器，使它們的偏振方向相互垂直。探測器配有偏振濾光片，其偏振方向保證探測器只能探測到 P-偏振光，和S-偏振光相比，P-偏振光具有更高的探測效率。這種配置比如可以從昆蟲群中識別雨滴，或者在大氣中識別固體和液體氣溶膠。

? 探測器

探測器的選擇是根據(jù)針對特定應(yīng)用的激光器來確定的。根據(jù)感興趣的波長和偏振的選擇，采用定制的濾光片組可以xxx化地改善激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

五、總結(jié)

SPLR 3500沙姆激光雷達(dá)系統(tǒng)具有*性，它不是工作在段脈沖的時域，它的距離信息是由幾何光學(xué)獲得的，與傳統(tǒng)脈沖高功率激光雷達(dá)相比，沙姆激光雷達(dá)系統(tǒng)體積小，*，速度快（kHz）。

*的設(shè)計可以使系統(tǒng)針對不同應(yīng)用進(jìn)行定制和調(diào)制，它既可以測量幾十米距離的目標(biāo)，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離公里級別測量并具有亞厘米的分辨率。

SPLR 3500激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)Υ髿庵辛Ｗ樱瑲馊苣z，氣體等，或者其它媒體如水或者石油中的粒子進(jìn)行高時間分辨率和空間分辨率進(jìn)行測量。