空间多普勒和后向散射激光雷达的应用

由于科学家们需要全球风、云和大气悬浮粒子的信息,美国和前苏联已经建立坚实的空间激光雷达技术基础,并开展多方面的应用研究.1994年美国宇航局完成了空间后向散射激光雷达实验.由于空间平台供给光雷达系统的能源有限,因此必须在可能的情况下满足科学发展的要求.本文将概述科学发展对空间光雷达的要求和光雷达技术的进展.在可能性和要求一致的情况下,通过实验证明多普勒光雷达应该满足科学发展的大部分要求.     

典型粗糙表面激光后向散射特性实验

对现有的粗糙度比较样块和其他典型粗糙目标进行了后向光散射特性的实验。实验结果表明,当入射光为632.8 nm波长时,随着入射角的增大,不同的被测目标的散射强度变化得比较明显。如果被测目标的表面斜率均方根比较接近,可以发现它们整体的散射光强度变化趋势几乎一样,而且它们的偏振度也相差不大。表面斜率很小的被测目标,相对其他被测目标,其散射光光强明显大很多,其偏振度也是最大的,说明相对光滑的表面探测到的后向散射光强度比相对粗糙表面探测到的散射光强度大得多。文中关于典型粗糙表面后向散射偏振特性的研究结果对于探讨进行目标识别的理论及应用方面有一定的价值。     

卷云消光后向散射比的激光雷达测量

高层卷云对天气和气候有着重要的影响,其消光后向散射比是它的一个重要光学特性.假设卷云上方和下方没有气溶胶,只有大气分子,由激光雷达信号就可反演出卷云的透过率和光学厚度,进而算出卷云的消光后向散射比.对美国汉普顿大学的532 nm通道激光雷达测量的卷云数据进行了分析,数据采集期间从2007年1月至10月,共选取了光学厚度在0.08～1.5之间的798组卷云数据.计算结果表明:卷云高度主要分布在7～13.5 km之间;卷云消光后向散射比平均值为21.4 sr,月季特征并不很明显,概率分布呈现出正态分布特征;光学厚度的概率分布函数说明大部分为薄卷云.     

高散射介质后向扩散散射实验的图像预处理

在高散射介质后向扩散散射实验中,偏振光扩散散射空间光强分布（PDB pattern）图像的几何偏差会影响其对称性,给精确分析带来困难.本文提出的图像预处理采用中值滤波的方法对图像进行去噪处理,运用函数矩理论对pattern的几何偏差进行矫正.实验结果显示,图像预处理能够有效地消除实验系统几何偏差引起的图像不对称性,以提高PDB pattern分析的准确度,有利于该系统应用于实时测量.     

高重复率卫星激光测距中后向散射干扰及规避

大气后向散射对高重复率卫星激光测距（Satellite Laser Ranging,SLR）的回波接收产生干扰且随测量频率增加愈发严重,已成为制约SLR工作频率提升的关键因素之一。根据大气散射雷达探测方程,分析了探测系统接收到的大气后向散射光功率及对回波接收的影响,以上海天文台现有收发分离的SLR系统为平台,通过试验验证了分析的合理性;据此厘清后向散射干扰产生时序,给出基于激光发射时序控制的后向散射规避方法。通过在高重复率距离门控电路中添加激光点火信号产生模块,并实时判断后向散射干扰情况以控制点火信号是否延迟输出,基于FPGA（Field Programmable Gate Array）完成了后向散射自动规避电路,成功应用在上海天文台高重复率SLR的常规观测中,实现了对散射的完全规避,且对Lageos等重点激光卫星的平均点火频率下降率低于2%,具有很好的推广应用价值。     

对激光雷达特定的发射模块后向散射信号的调制和设计

测云激光雷达具有精度高和稳定性好的特点,是检测云高的有效途径.作为激光雷达系统的一个基本组成部分,脉冲二极管激光器(PLD)需要脉冲信号触发.对激光雷达的发射部分进行了研究,其中包括后向散射信噪比的仿真、脉冲二极管激光器的选择与触发电路、用于驱动综合光学系统的波长为905 nm 的PLD 的电路.触发电路激光脉冲具有可调功率和脉冲宽度功能.用Systemview 软件仿真设计,完成了PCB 版的制作.结果表明:脉冲的任何参数即触发脉冲宽度、上升沿、抖动等均可用于实验中,并具有低成本和使用方便的优点.该发光模块在测云激光雷达中运行良好.     

球形与非球形颗粒反射膜后向散射特性的实验研究

本文报导了球形与非球形颗粒反射膜后向散射角分布特性。结果表明散射强度和角分布曲线与颗粒密度、颗粒尺寸和形状有关,选择合适的表面颗粒参数有可能控制其后向散射角分布特性。     

涂层材料的偏振光谱反射特性分析

绿色涂层是重要的军事伪装材料。本文基于偏振探测理论,通过高光谱反射偏振实验测量,对比分析了深绿与中绿两种涂层材料的反射与偏振特性,得到了它们的二向反射函数、线偏振度随波长的变化规律,以及二向反射函数BRF与线偏振度DOLP之间的相互关系。结果表明:(1)相比近红外波段,两种涂层在可见光波段的BRF差异较明显,镜面反射的探测角较容易区分两种涂层;(2)当入射角不变时,涂层线偏振度随着探测角增大而增大;随着入射角的减少(或镜面反射的探测角减小),深绿与中绿涂层的DOLP差异增大;(3)涂层的BRF与DOLP的变化在400~1000 nm波段具有负相关性。     

高层薄卷云消光后向散射比的求解方法

卷云的消光后向散射比是研究卷云光学特性的一个重要参量,我们的工作就是利用米散射激光雷达探测的大气和卷云的后向散射信号来获得间断出现的高层薄卷云的消光后向散射比.在无大的天气系统过境的情况下,通过对定点观测到的雷达上空有卷云和无卷云的大气回波信号的对比求解,得出间歇性卷云的消光后向散射比,并与其他方法进行了对比分析,指明了该方法的可靠性和局限性.     

后向散射法测量蒸汽湿度中理论计算模型的优化

基于Mie散射理论和Lambert-beer定律,利用CCD相机接收湿蒸汽水滴微粒的散射光强,建立了蒸汽湿度测量系统。对于该系统的理论计算模型,分别采用对数正态分布(LN分布)和Rosin-Rammler分布(R-R分布)来描述模拟器缸汽中的水雾粒径分布,对散射光强进行仿真计算,将得到的仿真结果同实验数据进行对比分析。结果表明:后向散射法测量蒸汽湿度中,采用对数正态分布(LN分布)建立的理论计算模型更合适。     

频域滤波抑制海水后向散射的带宽研究

在激光雷达探测海水水下目标的应用中,基于频域滤波的信号处理技术可以抑制海水后向散射噪声.其中接收系统中滤波器带宽的大小不仅对后向散射起到抑制作用,而且对目标信号产生抑制作用.为了确定带宽取值范围,分析了调制脉冲激光雷达探测信号水下传输模型,研究了海水后向散射信号以及目标反射信号的频域特性.通过对接收信号在频域上进行仿真,归纳出接收系统滤波器带宽的最优设计方法.该研究结果为系统达到最佳信噪比奠定理论基础.     

基于近前向光散射法的气溶胶浓度测量北大核心CSCD

基于近前向光散射法,实现了多分散亚微米级气溶胶的浓度测量。测量装置采用卤钨灯作为光源,整形后的环状光束被会聚至待测气体处,散射光经透镜收集后,由光电探测器进行探测,分析探测光强度的变化,从而反演出被测气溶胶的浓度。实验结果表明,该测量方法的探测灵敏度能够达到10^(-4)μg·L^(-1),线性响应范围覆盖了6个数量级。该方法可应用于核工业、医药、微电子等领域。     

双基地前向散射雷达杂波分析与模拟方法北大核心CSCD

雷达杂波的统计特性研究与仿真模拟对雷达系统的设计、仿真、开发有重要意义。文中通过对前向散射雷达地表植被杂波实测数据的处理,观察到前向散射雷达杂波的幅度分布特性可根据风速和动态范围的不同分别采用K分布和对数正态分布拟合;同时杂波数据的谱分析结果表明可以采用全极点模型对前向散射雷达杂波建模。基于对杂波统计特性的分析,文中给出了一种SIRP法和ZMNL法相结合的前向散射雷达杂波模拟方法,模拟得到的杂波与实测杂波数据在统计特性上相一致,证实了模拟方法的有效性。     

基于二阶散射的海面三尺度雷达后向散射模型

 基于二阶组合表面模型和随机多尺度散射模型,本文提出一种既包含大尺度、中小尺度散射又包含二阶布拉格散射的海面雷达后向散射模型.在本模型框架下,我们推导了二阶布拉格散射的表达式,并根据弱流体动力作用理论推导出流体动力调制函数解析表达式.另外,我们通过全局和本地坐标系中观测角度的转换实现了倾斜调制.仿真结果表明该模型结果与实测数据相符,并优于前两者的模型结果.     

基于双法布里-珀罗干涉仪多纵模米散射多普勒激光雷达技术EI北大核心CSCD

提出了基于双法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模米散射多普勒激光雷达技术,分析了探测原理,并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域,由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数EV随匹配误差的增大而迅速增大;频率匹配误差不变时,EV随风速增大而缓慢减小;当频率匹配误差小于10 MHz时,EV将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数,对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明:在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内,当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时,系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s;在无云条件下,系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。     

不同表面结构、涂层的建筑玻璃后向散射特性的研究

本文报导了建筑市场上常用的玻璃材料如冕牌玻璃、花纹玻璃、钢化玻璃、建筑用宝石蓝玻璃、有机玻璃等以及经表面处理的喷砂玻璃和镀膜玻璃在１．０６μｍ或１０．６μｍ激光红外波段的后向散射特性。结果表明，散射强度与表面纹理结构、涂层材料的光学性质有关。对于降低玻璃表面镜反射来说，改变玻璃表面结构要比在表面镀增透膜更为有效。人为控制玻璃表面或涂层的光学性质可获得所需的散射特性。     

基于菲索干涉仪多普勒激光雷达的风速及后向散射系数反演

提出在基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达的系统中,对回波信号利用非线性最小二乘法可同时反演得到风速和后向散射系数比.该方法无需确切知道实际的系统参数大小如望远镜视场角、几何重叠因子等.用Monte-Carlo方法模拟了回波信号并利用该方法进行了风速和后向散射系数比的反演,结果表明:在3km高度处,由信号的散粒噪声引起的相对测量误差小于0.2%.同时,又给出了在不同信噪比情况下,反演精度随之变化的关系图.当峰值信号光子数高于500时,风速和后向散射比误差很小.     

背景偏振光谱二向反射分布函数建模分析

通过分析偏振二向反射分布函数(BRDF)与实验探测角、波长间的关系,提出偏振度分量的多项式模型来定量化描述偏振度分量;强度分量采用现有的半经验模型,在可见光范围内(400～720 nm)实现偏振光谱BRDF建模,并将模型输出的结果和实验测量值进行分析比较.结果表明,对于土壤等各向性质较为均匀的背景,采用本文模型能较好地达到精度要求,因而可以将有限实验观测条件下测量得到的少数偏振光谱BRDF扩展到2π空间范围内,得到任意入射及观测条件下的偏振光谱BRDF值,且具有简单、计算量小等优点.