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《基于回波信号仿真的瑞利_喇曼_米激光雷达研制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第21卷第9期强激光与粒子束Vol.21,No.92009年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2009文章编号:1001-4322(2009)09-1321-05*基于回波信号仿真的瑞利-喇曼-米激光雷达研制伯广宇,刘博,钟志庆,周军(中国科学院安徽光学精密机械研究所,合肥230031)摘要:在分析瑞利、喇曼和米散射仿真回波信号的基础上,研制了一台探测大气温度、气溶胶和卷云的瑞利-喇曼-米散射激光雷达,实现了一台激光雷达针对大气温度、气溶胶和卷云光学特性的多参数探测。为提高瑞利
2、和喇曼微弱回波信号信噪比,采用了极高灵敏度的R4632光电倍增管和光子计数技术;为实现对大气气溶胶和卷云的探测,532nm回波信号采取高低分层技术、高层通道回波衰减方法和探测器门控技术。瑞利-喇曼-米散射激光雷达的探测结果证明了利用仿真回波信号指导激光雷达设计的可行性。关键词:激光雷达;仿真计算;光电信号检测;信噪比中图分类号:TN958.98文献标志码:A激光雷达以其高分辨力、大动态的探测范围,在大气遥感中越来越受到人们的重视。随着人们对大气组分分布有效检测需求的增加,激光雷达遥感大气温度、气溶胶和卷云等的物理信息
3、在很多研究项目中已经受到人们重视,采用瑞利-喇曼-米激光雷达(RRML)多种手段探测大气组分,将有利于提高激光雷达的时、空的资料[1]覆盖率。中国科学院安徽光学精密机械研究所较早就展开了用于大气温度、气溶胶和卷云探测的激光雷达的研制。本文介绍了RRML回波信号仿真方法,根据激光雷达方程,选择合适的大气模式,依据激光雷达设计指标,对激光雷达接收的大气后向散射回波信号和信噪比进行了仿真计算,依据仿真回波信号的特征,设计了RRML光学接收和信号检测单元。1RRML方程及仿真采用的大气模式RRML垂直向大气中发射532nm波
4、长的脉冲激光,通过接收空气分子532nm波长的瑞利后向散射信号和氮分子607nm波长的振动喇曼后向散射信号,反演5~50km高度的大气温度垂直廓线。通过接收532nm波长的米散射信号,反演1~15km高度的气溶胶后向散射系数垂直廓线,以及6~15km高度的卷云云底、云[2-3]顶、云峰高度、后向散射系数廓线。RRML方程包含瑞利、喇曼和米散射3部分。1.1米散射激光雷达方程米散射激光雷达方程为2cE0Y(Z)ArB(Z)T(Z)TtTrP(Z)=2(1)2Z式中:c是光速(km/s);E0为激光单脉冲能量(J);Y(
5、Z)为激光雷达几何因子;Ar是望远镜有效接收面积2(km);B(Z)=Bm(Z)+Ba(Z),其中,Bm(Z)和Ba(Z)分别为高度Z处的大气分子和气溶胶粒子的后向散射系数-1-1Z(km#sr);大气透过率T(Z)的表达式为T(Z)=exp{-Q0A(Z)dZ},其中A(Z)=Am(Z)+Aa(Z),Am(Z)和-1Aa(Z)分别是高度Z处的大气分子和气溶胶粒子的消光系数(km)。TtTr是发射和接收光学系统的总透过率。根据P(Z),可以得到激光雷达接收的大气后向散射回波的光电子数Ns(K,Z)=(GK/hc)P(
6、K,Z)$t(2)-34式中:G为光电探测器量子效率;K为激光波长(nm);Plank常数h=6.626276@10;$t=2$z/c是信号采样时间(s),$z为信号探测的空间分辨距离(km)。1.2喇曼散射激光雷达方程喇曼散射激光雷达方程为cE0Y(Z)Ar(Z)TtTrdR(Kl+KR)P(Z)=2N(N,Z)@2ZdR*收稿日期:2008-12-25;修订日期:2009-05-31基金项目:国家青年科学基金项目(40805014)作者简介:伯广宇(1980)),男,在读研究生,主要从事大气探测激光雷达的研制工作
7、;boguangyu@sohu.com。1322强激光与粒子束第21卷Zexp{-[Aa(Zc,Kl)+Am(Zc,Kl)+Aa(Zc,KR)+Am(Zc,KR)]dZc}(3)Q0式中:N(N,Z)为高度为Z处的氮气分子数密度,仿真计算时取自CIRA86大气模式。607波长氮气分子振动-352喇曼散射截面dR(Kl+KR)/dR=4.7@10m/sr,其中Kl为发射激光波长,KR为氮气分子喇曼散射波长。1.3瑞利散射激光雷达方程瑞利散射激光雷达方程表述为ZcE0Y(Z)Ar(Z)TtTrdR(K)P(Z)=2N(Z
8、)exp{-2[Aa(Zc)+Am(Zc)]dZc}(4)2ZdRQ0其中,N(Z)为高度为Z处的空气分子数密度,仿真计算时取自CIRA86大气模式,532波长空气分子瑞利散射-322截面dR(K)/dR=5.7@10m/sr。1.4大气模式及天空背景光、探测器暗计数及信噪比计算方程仿真计算时采用的大气分子瑞利后向散射系数Bm(K,Z)和消光系
