基于米散射激光雷達(dá)的大氣氣溶膠檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康翔宇，郭 驥，曾祥堉，郭未寬，柯賢文，高秀敏

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海犀銳儀器儀表有限公司，上海 201803；3.航天恒星科技有限公司，北京 100095）

引 言

近年來，關(guān)于大氣氣溶膠的檢測越來越引起科研人員的注意。大氣氣溶膠是指由大氣介質(zhì)和懸浮于大氣中的固體或液體所組成的多相體系[1]，它主要來自人們生產(chǎn)活動中對石化能源的燃燒和使用。借助大氣氣溶膠可以檢測大氣環(huán)境狀況，同時(shí)也與人類的健康息息相關(guān)[2-3]。激光雷達(dá)可以通過大氣中的分子、粒子或氣溶膠顆粒對激光的散射來遙感探測大氣，獲得大量的大氣信息[4]，具有探測范圍廣、實(shí)時(shí)性好、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[5]，可以很好地適應(yīng)大氣探測的高動態(tài)范圍的特點(diǎn)。

早在20世紀(jì)60年代，國內(nèi)外就已經(jīng)開始對米散射激光雷達(dá)開展研究并取得一定的進(jìn)展。1962年，Smullin等將激光器用到大氣探測領(lǐng)域，并研制出了世界上第一臺米散射激光雷達(dá)[6]。1963年，Ligda也研制出了用于對流層大氣探測的米散射激光雷達(dá)[7]。1966年，中科院研制出了中國第一臺紅寶石米散射激光雷達(dá)，用以對氣溶膠相關(guān)參數(shù)進(jìn)行探測[8]。2015年，西安理工大學(xué)激光雷達(dá)研究中心的研究人員搭建了多波長米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于氣溶膠全天時(shí)的探測[9]。2017年，王強(qiáng)等基于腔減相移光譜（CAPS）技術(shù)搭建了一套基于CAPS技術(shù)的連續(xù)測量大氣氣溶膠消光系數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，有效光程約為4.4 km[10]。2018年，葉志斌等基于光腔衰蕩光譜技術(shù)搭建了一套測量大氣氣溶劑消光系數(shù)的探測儀器，并根據(jù)不同濃度的NO2氣體對532 nm激光有不同的吸收系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對消光儀準(zhǔn)確性的驗(yàn)證[11]。2020年，么嘉棋等提出一種基于表觀地表反射率的云檢測算法，并對ICESat-2云檢測及其相關(guān)算法流程進(jìn)行詳細(xì)梳理[12]。

本文設(shè)計(jì)了基于米散射激光雷達(dá)的大氣氣溶膠檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成部分包括激光發(fā)射裝置、散射光采集裝置以及信號處理和分析系統(tǒng)。采用優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)來提高檢測系統(tǒng)的回波信號強(qiáng)度，同時(shí)優(yōu)化硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得激光器和望遠(yuǎn)系統(tǒng)共軸，有效接收回波信號，達(dá)到增強(qiáng)信號的目的。該檢測系統(tǒng)的最大探測距離為5 km，具有高的返回信號強(qiáng)度和低的雜散光干擾。

1 大氣氣溶膠檢測原理

激光雷達(dá)發(fā)射激光束與大氣發(fā)生相互作用，激光束能量會不斷地衰減，同時(shí)會反射回波信號，并被激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)接收。激光雷達(dá)接收經(jīng)大氣散射后的回波信號[13]可表示為

式中： λ0為激光束波長；E0為單激光脈沖功率；z為激光發(fā)射(系統(tǒng))的距離；S(z) 為z處激光束的截面積； α λ0,z′為z處的大氣氣溶膠的消光系數(shù)； τ 為單一激光束的脈沖寬度。

若大氣氣溶膠離激光雷達(dá)接收裝置的距離為z1，接收到的散射體的散射截面為 β (z1,z,θ,λ0,λz) ，則接收到的散射輻射強(qiáng)度為

式中： λz為激光束在z處的波長；V(z1,z) 為散射介質(zhì)在接收視場中被激光照射的體積。

若激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的面積為A，則激光雷達(dá)的接收功率為

式中：T為激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的光學(xué)效率。激光雷達(dá)的接收功率由此可轉(zhuǎn)換為

對于發(fā)射單激光束的米散射激光雷達(dá)接收系統(tǒng)，式（4）中的參數(shù)可以作以下處理，即 λ0= λz，光速），則激光雷達(dá)的接收功率可表示為

式中:CA為激光雷達(dá)的系統(tǒng)常數(shù)，可表示為

通常，米散射激光雷達(dá)的接收功率可表示為

式中： β1(z) 、 β2(z) 分別為 距 離z處的氣溶膠和空氣分子的后向散射系數(shù)；分別為距離z處的氣溶膠和空氣分子的消光系數(shù)。

2 米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)米散射原理，設(shè)計(jì)并搭建了米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)。系統(tǒng)包含激光發(fā)射系統(tǒng)，散射光收集系統(tǒng)，信號處理和分析系統(tǒng)三個(gè)部分。同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)節(jié)的固定裝置用來固定激光器和望遠(yuǎn)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)該裝置使發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)同軸，從而提高對低層大氣和盲區(qū)的探測能力。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Mie scattering lidar system

激光光源采用型號為AO-V-532的Nd:YAG固體綠光激光器，其輸出波長為532 nm。532 nm的激光器造價(jià)是同類激光器中最常見最便宜的，且532 nm光為可見光，利于實(shí)驗(yàn)階段的光學(xué)調(diào)試過程。此激光器的脈沖能量為16 μJ，光束發(fā)散角為0.7 mrad，重復(fù)頻率可調(diào)，輸出光斑直徑為3 mm。散射光收集裝置采用大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，是型號為LX-200-ACF10的折反射式天文望遠(yuǎn)鏡，為了讓反射光線、匯聚光線在焦點(diǎn)處的成像效果更好，采用的是馬克蘇托夫-卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)[14-15]。信號處理和分析系統(tǒng)部分采用了電壓輸出型的測光探測器CH253，CH253由側(cè)窗型光電倍增管、電源電路和放大電路組成。光電倍增管適合探測可見和紫外光譜波段[16]，其產(chǎn)生的電流信號經(jīng)I-V變換放大后變?yōu)殡妷盒盘?。測光探測器可以采用電阻調(diào)節(jié)或電壓調(diào)節(jié)方式控制增益。光電倍增管的放大增益由控制電壓調(diào)控，最大增益可達(dá)106。系統(tǒng)的具體參數(shù)如表1所示。

利用Zemax制作了一套折反射式的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該光學(xué)系統(tǒng)由彎月鏡、主反射鏡、次反射鏡、可調(diào)光闌、兩個(gè)平凸透鏡、濾光片等組成。光學(xué)系統(tǒng)中多加了一片彎月透鏡用于輔助校正系統(tǒng)的球差，通過優(yōu)化系統(tǒng)像差，并將次反射鏡與彎月鏡第二面合并。次反射鏡的曲率半徑與彎月鏡第二面的曲率半徑一致，并在彎月鏡的第二面的中心區(qū)域鍍膜，使該區(qū)域作為次反射鏡，提高了系統(tǒng)裝調(diào)的簡便性。激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射激光到大氣層，經(jīng)大氣氣溶膠顆粒散射后的光束經(jīng)過一個(gè)多層鍍膜彎月鏡后進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，再經(jīng)過主反射鏡和次反射鏡后聚焦到可調(diào)光闌處，然后平凸透鏡將光束準(zhǔn)直進(jìn)入濾光片，最后由平凸透鏡將光束聚焦于光電倍增管PMT的光敏面上，實(shí)現(xiàn)對大氣氣溶膠的檢測。

3 大氣氣溶膠檢測實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖1搭建了大氣氣溶膠檢測實(shí)驗(yàn)平臺，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過程中，脈沖激光器產(chǎn)生的激光射向大氣中，經(jīng)大氣顆粒散射后的光被馬克斯托夫-卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)接收，此光通過光路處理系統(tǒng)聚焦到光電倍增管（PMT）上，最終將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而進(jìn)行下一步分析。

為了解決現(xiàn)有激光雷達(dá)白天回波信號弱、雜散光強(qiáng)和信噪比低等問題，本文通過濾除雜散光和增強(qiáng)回波信號強(qiáng)度的措施來解決。

表1 米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)表Tab.1 Mie scattering lidar system parameter

圖2 Zemax 設(shè)計(jì)的卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the Cassegrain telescope system designed by Zemax

激光雷達(dá)的使用時(shí)間絕大多數(shù)都在白天，而白天太陽光強(qiáng)烈，會使接收系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的干擾信號。本文使用的激光波長為532 nm，而且太陽光是全光譜且能量很強(qiáng)。由此本文設(shè)計(jì)了濾光系統(tǒng)，對接收系統(tǒng)接收到的光信號進(jìn)行濾波，將非532 nm的光濾除，從而降低噪聲信號的強(qiáng)度。濾光系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖3 米散射激光雷達(dá)檢測裝置圖Fig.3 Mie scattering lidar detection device

圖4 濾光系統(tǒng)實(shí)物Fig.4 Image of filter system

圖4中與PMT模塊相連接的鏡筒就是本文的濾光系統(tǒng)，里面包含兩塊透鏡和一塊濾光片。濾光系統(tǒng)能將望遠(yuǎn)系統(tǒng)接收到的光信號進(jìn)行濾波并聚焦到PMT模塊的感光面上。如圖5是PMT檢測到的信號，（a）是沒有加濾光系統(tǒng)時(shí)PMT輸出的電壓信號圖，其電壓約為4 V，（b）是在PMT和望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)之間加裝濾光系統(tǒng)后PMT輸出的電壓信號圖，其電壓變?yōu)? V。由此說明，濾光系統(tǒng)可以很好地濾除其他雜散光的影響。

本文通過兩種方法來增強(qiáng)回波信號：1）對出射激光進(jìn)行擴(kuò)束；2）使激光器與望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)共軸。

圖5 PMT 輸出Fig.5 PMT output

1）對出射激光進(jìn)行擴(kuò)束。因?yàn)榧す馄鞯臏?zhǔn)直性很好，能夠在很遠(yuǎn)的距離內(nèi)保持光束不發(fā)散，而激光雷達(dá)系統(tǒng)中激光不發(fā)散會使散射回來的激光信號很少，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)擴(kuò)束鏡，對出射激光進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束比為10。將發(fā)射的激光直徑由原來的0.82 mm變?yōu)?.20 mm，使得激光能有更多散射光返回而被接收系統(tǒng)收集到。

2）使激光器與望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)共軸。激光雷達(dá)測量的距離都是在千米以上，而望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)的視場角有限，如果激光器與接收系統(tǒng)不共軸，就會因一個(gè)很小的偏離角而使望遠(yuǎn)系統(tǒng)接收不到從大氣中返回的激光散射信號。所以本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)節(jié)的激光器底座，將該底座固定在望遠(yuǎn)鏡的鏡筒上，通過調(diào)節(jié)底座實(shí)現(xiàn)激光器與望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)共軸。

擴(kuò)束裝置和固定裝置如圖6所示。

激光器與望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)共軸調(diào)整前后的信號如圖7所示：（a）是未調(diào)節(jié)共軸系統(tǒng)的情況，未檢測到經(jīng)過大氣氣溶膠顆粒反射后的回波信號，此時(shí)只有背景噪聲信號，噪聲信號的幅值在1.2 mV左右；（b）是經(jīng)過共軸調(diào)節(jié)后的情況，產(chǎn)生的周期脈沖型回波信號被采集并顯示到示波器上，采集到的回波信號強(qiáng)度更強(qiáng)，信噪比更大，此時(shí)信號的幅值在1.2 V左右，是背景噪聲幅值的1 000倍。通過這種方式可以采集到大氣氣溶膠數(shù)據(jù)，同時(shí)因獲得了高質(zhì)量的回波信號可為后續(xù)的處理算法降低了難度，從而間接地降低了檢測成本。激光雷達(dá)系統(tǒng)的難點(diǎn)就在于對濾光后的激光脈沖信號的檢測，本文通過設(shè)計(jì)的擴(kuò)束裝置對發(fā)射激光進(jìn)行擴(kuò)束，并通過調(diào)整固定裝置使得激光器與望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)共軸，從而接收到高質(zhì)量的回波信號。

圖6 固定裝置與擴(kuò)束裝置實(shí)物圖Fig.6 Image of fixture and beam expander

圖7 經(jīng)過濾光系統(tǒng)后 PMT 輸出對比圖Fig.7 Comparison of PMT output before and after filtering system

4 結(jié) 論

本文基于米散射理論，設(shè)計(jì)了一套激光雷達(dá)大氣氣溶膠檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含激光發(fā)射系統(tǒng)，散射光收集系統(tǒng)以及信號處理和分析系統(tǒng)。所用的探測光源為532 nm的脈沖激光器，通過對光束進(jìn)行擴(kuò)束，調(diào)整激光器與望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)共軸來增強(qiáng)回波信號強(qiáng)度，得到了高信噪比的回波信號。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)解決了激光雷達(dá)返回信號收集時(shí)噪聲信號過大和激光信號強(qiáng)度過低的問題，大大降低了后續(xù)硬件設(shè)計(jì)和算法的難度，使得測得的氣溶膠數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。本文可為大氣氣溶膠檢測提供參考。