《红外与激光工程》“激光雷达探测技术”专题征稿

自1960年激光发明以来的50多年里,用于大气探测的激光雷达技术得到了迅速发展,特别近些年激光雷达在我国气象、环境、遥感、测绘、空间及光电工程等领域的应用也越来越广泛。当前,经济全球化及信息全球化进程的日益发展,一带一路、泛第三极、气候变化、数字地球、大气和空间环境监测等领域的需求给我国激光雷达事业的发展带来了极大的机遇与挑战。为促进国内学术交流、推动行业创新发展,中国光学工程学会会刊《激光与红外工程》计划在2020年10月正刊出版“激光雷达探测技术”专题,现面向国内外同行征集相关领域的综述或研究论文(要求不涉密、可公开),欢迎投稿。     

先进激光雷达探测技术研究进展

激光雷达作为近年快速发展的新型光波主动式遥感技术,由于具有高精度及高时空分辨率的遥测特性,已经在大气及海洋环境探测等领域得到广泛的应用。主要介绍了激光雷达探测技术的基本原理,重点分析大气环境监测激光雷达,气象观测激光雷达及空间激光雷达的测量原理、关键技术及其应用前景,介绍国内外相关激光雷达的系统特色及其最新进展。     

用于大气环境监测的YAG激光雷达技术的现状与动向

文中对国内外利用YAG激光雷达开展大气环境监测的现状进行了分析,重点介绍了日本、法国及我国近年来开展大气污染物分布、大气构造、气象要素及中间层金属蒸气层的观测等项内容的情况。文中还结合YAG激光雷达的最新应用特点对该领域的发展趋势进行了展望：机载、星载YAG激光雷达技术将得到发展,二极管泵浦激光雷达技术将得到广泛应用。     

国内首台白光激光雷达研制成功

由中科院武汉物理与数学研究所研制的我国首台“白光激光雷达装置”通过验收。据悉,白光激光雷达装置打开了一条遥感探测大气的新途径。 白光激光雷达是激光雷达的一个重要新兴领域,它利用高功率飞秒激光在大气传输中产生的超连续光谱辐射效应实现对大气介质宽光谱范围的空间分辨遥感探测。     

日本大气激光雷达技术的进展

介绍了当今日本等国在有关大气测量中运用雷达技术所完成的工作及该领域激光雷达技术的发展动态,提出了今后激光雷达技术在大气测量的发展趋向。     

“激光雷达”专栏序言

随着激光技术和光电探测技术的发展,激光遥感技术也得到迅速发展和广泛应用。相比其他遥感设备,激光雷达具有探测精度高,时空分辨率高的优势,在大气环境、气候、气象研究领域方面受到广大科研:工作者的关注。激光雷达的探测空间从近地表的对流层、平流层一直到中间层(0~120 km);探测对象从气溶胶、云、污染气体、湍流、大气温湿度及风场等各种大气参量。近些年,单光子探测技术、量子雷达等新技术不断涌现,并成功应用于激光雷达探测,进一步拓宽和扩展了激光雷达的探测能力。     

基于距离分辨的激光雷达技术研究进展

激光雷达是对空间目标进行远距离高精度探测、跟踪监视的重要技术手段之一,基于距离分辨的激光雷达探测系统相比于传统的成像系统,具有整体结构简单、受大气干扰小等特点。国内外研究机构对该技术领域开展了大量研究,主要介绍了高分辨率回波探测及反射断层成像激光雷达的发展现状,总结和比较了国内外在理论算法、仿真分析、实验测试及实际应用等方面的进展,分析了二者的技术特点,展望了其发展前景。     

米散射激光雷达探测大气消光特性研究

激光雷达作为一种主动遥感探测工具,广泛用于大气环境等研究领域,特别是探测对流层内大气气溶胶和卷云的光学特性以及大气水平能见度。在阐述大气气溶胶探测原理及信号处理的基础上,提出一种工程可行的米散射激光雷达及数据处理的设计方案,利用此雷达对苏州城区大气气溶胶特性进行测量,并利用Fernald方法反演了其消光特性,通过实验数据分析了苏州城区的重要大气光学特性,充分显示了米散射激光雷达在大气特性探测领域的优越性。     

底层大气探测激光雷达国内研究现状与进展（特邀）

激光雷达是一种主动遥感探测仪器,具有大探测范围、高时空分辨率与高精度的特点,在大气环境参数（气溶胶、CO₂及臭氧等）及气象参数（温度、水汽、压力及风速风向等）探测方面获得了广泛的应用。随着近些年民众对雾霾类大气现象及气候变化的广泛关注,国家环境治理与气象预报部门以及行业企业等对大气观测技术的迫切需求,大气探测激光雷达在国内得到了快速的发展,并且取得了较好的研究成果。文中总结介绍了近些年国内大气探测激光雷达的研究进展与发展现状。根据探测对象的不同,激光雷达有米散射激光雷达、拉曼探测激光雷达、高光谱分辨探测激光雷达和差分吸收探测激光雷达等,文章较全面地介绍了目前比较常见的激光雷达在大气探测应用中的优缺点及其在不同探测对象中的应用,最后对激光雷达面临的技术瓶颈进行了总结与探讨,并对激光雷达的发展趋势进行了展望。     

大气探测激光雷达技术综述

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。按照激光雷达探测技术分类,有米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等,分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、发展历史及优缺点,以及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。     

大气遥感高光谱分辨率激光雷达研究进展

高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演,在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展,并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。     

大气探测激光雷达网络和星载激光雷达技术综述

大气探测激光雷达以精细的时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据获取能力成为大气探测强有力的工具。通过激光雷达观测网络和星载激光雷达, 可以获得大空间尺度持续的四维大气信息,满足环境、气象和气候研究的需要。介绍了目前存在的比较重要的激光雷达网络和航天强国的星载激光雷达计划。主要的激光雷达网络有全球大气成分变化探测网(NDACC)、欧洲气溶胶研究激光雷达观测网(EARLINET)、亚洲沙尘激光雷达观测网(AD-NET)、美国东部激光雷达观测网(REALM)、微脉冲激光雷达网(MPLNET)和独联体激光雷达网(CIS-LINET),分别介绍了它们各自的功能、激光雷达类型和站点、日常观测活动与规范。激光雷达空间技术试验(LITE)开启了星载激光雷达的新纪元,之后美国航空航天局NASA、欧空局ESA和日本宇航局JAXA先后开展了星载激光雷达计划,分别介绍了这些星载激光雷达的科学目标、激光雷达类型及相关参数以及技术原理。中国也正在筹划研制激光雷达卫星载荷,用于探测大气气溶胶、云和二氧化碳。最后总结说明了激光雷达网络化和卫星载荷的优势和应用。     

合肥地区夏季臭氧、温度、水汽、气溶胶、二氧化碳测量与对比分析

为了建立我国的大气模式和制定合适的大气环境保护政策,对大气参数(臭氧浓度,相对湿度,气溶胶后向散射比,温度,二氧化碳浓度等)进行全面测量并分析其基本特性十分重要.多功能性L625激光雷达能够分时测量大气中的臭氧浓度、气溶胶消光系数、散射比、大气温度、二氧化碳混合比、水汽混合比等多种大气参数.对该激光雷达探测的大气参数和其他仪器包括卫星探测器MLS、无线电探空仪、DWL激光雷达、Raman激光雷达进行了对比,验证了L625激光雷达探测结果的可靠性和有效性;并且对测量数据进行了分析,得出了夏季合肥地区臭氧、气溶胶、水汽、温度、二氧化碳的基本特征.     

固态激光雷达探测器技术发展

激光雷达可高精度、高准确度地获取目标的距离、速度等信息或者实现目标成像,在智慧家庭室内成像、智能交通、卫星测绘、导航等领域具有重要作用。首先介绍了激光雷达的基本原理、主流技术方案和研究必要性;其次针对激光雷达全固态的应用发展需求,介绍了国际机械扫描激光雷达、光学相控阵激光雷达、面阵闪光激光雷达的国内外发展技术趋势,阐述了我国激光雷达技术产品和商业发展现状;最后总结了目前激光雷达存在的问题及不同的解决方案,并对未来发展趋势进行了展望。     

天基合成孔径激光雷达非合作目标成像系统设计与实验

合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广,相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。相比机载、陆基等应用环境,空间没有大气湍流和机械振动,非常适合合成孔径激光雷达应用,而合成孔径激光雷达本身分辨率不随距离变化的优点,也利于空间大尺度距离探测。建立了对非合作目标进行高分辨率成像监测天基合成孔径激光雷达成像模型,对系统中关键参数进行分析,针对地球静止轨道上的目标进行了系统设计,提出系统实现工程化需要进一步突破的关键技术。结合理论分析,设计了缩比模型验证实验,利用转台模拟空间卫星间运动,得到了方位向分辨率1 mm的目标图像,证明了系统分析的合理性和该系统的实用性,对天基合成孔径激光雷达技术的推广具有一定意义。     

关于发展我国空间激光气象雷达的建议

云、气压、气温、风场、湿度分布是数值天气和气候预报模型的基本变量。国际上已经实施或正在进行的空间激光雷达与大气探测有关的计划有多项。对我国发展空间气象激光雷达的建议：二极管泵浦Nd∶YAG的激光器及其二倍频和三倍频器作为光源,用同一个望远镜接收大气的散射回波,采用多种分光技术,从回波中分离出Mie散射回波,并且直接由光谱技术得到Mie散射和Rayleigh散射的多普勒频移量和谱展宽量,获取大气的气溶胶、云、风场、气温等数据;由Nd∶YAG的激光器泵浦光参量振荡器(OPO)实行差分吸收方法来探测大气水汽（湿度）分布廓线和通过氧气的761nm差分吸收得到气压等气象要素的信息。     

1.5微米大气探测激光雷达研究进展（特邀）

激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点,是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达,1.5 μm大气探测激光雷达有独特优势,包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年,世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生,实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后,1.5 μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分,1.5 μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶（云）、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水（雨滴谱）,并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。     

天基激光雷达三维成像的发展与现状

天基激光雷达三维成像是空间目标观测的重要手段。将天基激光雷达分为连续波和脉冲式两种,并简单介绍了各自的成像原理。结合应用背景,分析了典型天基激光雷达的特性及主要参数。横向对比了经过在轨测试且仍在使用的激光雷达,从成像原理、角度分辨率、工作距离及发展趋势等方面分析了典型天基激光雷达的共同特性,为天基激光雷达的设计提供了参考。最后结合我国激光雷达发展现状与瓶颈,给出了天基激光雷达三维成像发展与应用方向的一些建议。     

基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测进展

差分吸收激光雷达具有探测距离远、灵敏度高、响应时间快等特点,可用于大范围大气有毒有害气体的遥感监测,成为近年来大气有毒有害气体激光遥测技术发展的重点。首先阐述了差分吸收激光雷达大气遥测基本原理,其次从激光器应用和系统平台发展两个方面分析了该技术的技术发展现状,最后提出了宽光谱、多波长、新探测体制的激光雷达、多平台应用、复合系统将成为未来基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测发展方向。     

天基大气环境观测激光雷达技术和应用发展研究

根据大气观测目标,从云-气溶胶、风场和大气分子三个主要方向对天基激光雷达在大气环境观测领域的应用、配置和相关技术发展进行了分析,研究了天基大气环境探测激光雷达的探测机制、技术体制、系统配置、应用现状、适用范围、约束条件等,提出天基大气环境观测激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标、各技术体制特点和器件及处理技术特点合理制定指标体系,充分发挥激光技术长项,与其他载荷手段优化配置,技术研究方面应扬长补短短,并在此基础上展望了天基大气环境观测技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。