激光雷达几何重叠因子及其对气溶胶探测的影响

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1、.第2期Vol22No.222卷第量子电子学报20054月CHINESEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICSAr.2005年P:一一一文章编号10075461(2005)02029006激光雷达几何重叠因子及其对气溶胶探测的影响,,,,,张改霞张寅超陶宗明刘小勤邵石生,,,谭银吕勇辉周军胡欢陵,安徽合肥23003中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室1摘:,要介绍了平行轴与共轴激光雷达几何重叠因子的物理意义并从几何推导和实验测量两方面给出求解几何重叠因子的方法。通过对AML一1激光雷达(共轴系统

2、)的实验总结,列举了一些有关几何重叠因子的典型。结果,并分析了激光雷达几何重叠因子对探测气溶胶消光系数的影响最后得出,气溶胶消光系数对几何重叠因子的修正非常敏感,但在激光雷达系统稳定且操作规范的情况下,几何重叠因子随距离的分布曲线是相对稳定。的,此时对气溶胶消光系数的影响也较小:;;;;儿何重叠关键词大气光学激光雷达气溶胶消光系数因子中图分类号:TP722.4文献标识码:A1引言,人类活动不可避免的给生存环境带来这样、。就随着科技的发展和人们生活水平的提高那样的问题全球范围看,包括大气层环境变化(如臭氧洞、温室效应、,已直接

3、影酸雨和气溶胶)等在内的全球变化响到经济发展和人类生存环境,大气污染监测和环境保护。已成为世界各国十分重视的问题大气气溶胶是大气环境中组成复杂、危害较大的污染物之一,对地一气系统的能量收支有着重要的影响,进而影响到局地、乃至全球气候。尤其是近地面层气溶胶,。与地球表面的生态环境和人类健康息息相关,。,‘经过数十年的发展激光雷达为环境监测提供了有力的探测工具!}原则上讲接收视场角应略大于激光束发散角,这样回波信号就能完全进入接收望远镜。然而,在测量近地层气溶胶或烟雾时,由于发射系统和接收系统的不同轴或其它光学系统的影响,使得接

4、收望远镜在某段距离上只能接收到部分的回波信号,给测量结果带来一定的误差,因而必须对其进行修正,我们称这一修正因子叫做儿何重叠因子斌卿。本文分别从平行轴和共轴两方面介绍了激光雷达系统的物理意义和求解方法,并通过实验总结分析了几何重叠因子对测量气溶胶消光系数的影响。2几何重叠因子用于大气监测的激光雷达系统,常分为共轴和非共轴系统。以下分别给出了平行轴和共轴系统几何重叠因子的示意图及其物理意义。2.1平行轴激光雷达几何重盆因子。,,图1是平行轴激光雷达系统几何重叠因子的示意图当R三Rl时r](R)=0称为探测盲区Rl称,,,,为育

5、区距离此时无激光大气回波信号;当Rl

6、l/(R)i几上以比)到二1时大气回波信号全部接收的状况、.,,,;‘。,假定光束内各点强度均匀分布设发射望远镜和接收望远镜的直径分别为D和D两光轴问距为,,、激光束平面发散角和接收平面视场角分别为口,和夕:由几何关系可得距离R处发射光束剖面半径:〕接·收光束剖面半径,:的关系式、,:D+日I欣Dt+仇R~勺二一一丁一言区距离刀l和充满区距离R:的近似关系式、,二,了,峨一(D+D)一一D。,j0(D)R.、,已+仇日一白,、,,,、,,山可知接收视场角乡愈大RlRZ愈小几何重叠因子对激光雷达距离土的影响愈小但背景辐此、射噪

7、声也相应增加,因此须需综,乡I冈,几合考虑口和大小的最佳匹配即接收视场角略大J激光束发散角假定在激光光强均匀分布和两光轴平行的情况下,从图1中的几何关系可得到求解{L何秉叠因户的表达式_,、‘,:一sin‘、2+r〔、1一silla{l/(I7)二塑立丝步()子()2二、万叮子一、、、其中、:、:‘、‘。、2以及i亥面积对应的圆心和分别代表发射光束和接收光束剖面重叠区的两弓形面积角(单位:弧度)如图1所示。实验证明,若两光轴之间存在一定的夹角,将会给几何重叠L习子带卡较大.,‘,_,,!1,a(l士5%的变化介火角为士()l

8、时可产生以上的误差因此应保持系统的准肖隆大准误搜应小上_士〔〕工z,11:,(l)1}I1七‘十丫牛?1万又J土1、rml1(,盯自【盆习flsl飞llt屯CtrclcscopeJ一妇/sl(毛一rll

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