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激光雷達(dá)介紹
工作在紅外和可見(jiàn)光波段的，以激光為工作光束的雷達(dá)稱(chēng)為激光雷達(dá)。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。激光雷達(dá)的作用是能精確測(cè)量目標(biāo)位置（距離和角度）、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度、振動(dòng)和姿態(tài)）和形狀，探測(cè)、識(shí)別、分辨和跟蹤目標(biāo)。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法按照探測(cè)的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達(dá)。
大氣激光雷達(dá)介紹
大氣激光雷達(dá)顧名思義就是通過(guò)使用激光雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣的探測(cè)。國(guó)外通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)大氣進(jìn)行檢測(cè)開(kāi)展的比較早，目前已建有多個(gè)激光雷達(dá)觀測(cè)站，其中包括意大利那不勒斯觀測(cè)站、美國(guó)激光雷達(dá)觀測(cè)站、印度尼西亞斯馬特拉島觀測(cè)站等。其中，美國(guó)對(duì)空基激光雷達(dá)在大氣檢測(cè)方面的應(yīng)用較為成熟，1994 年9 月，美國(guó)利用“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)搭載激光雷達(dá)發(fā)射成功，完成了世界上第一次激光雷達(dá)空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)（Lidar Inspace Technology Experience，LITE）；又于2000年后發(fā)射了五顆搭載激光雷達(dá)儀器的衛(wèi)星，為地球科學(xué)提供了大量的相關(guān)數(shù)據(jù)。俄羅斯研制了一種遠(yuǎn)距離地面的激光雷達(dá)毒氣報(bào)警系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)氣溶膠的特性研究獲得的，通過(guò)對(duì)化學(xué)毒劑的實(shí)時(shí)探測(cè)，從而確定毒劑氣溶膠云的離地高度、中心厚度以及斜距離等相關(guān)參數(shù)，從而為人們提供預(yù)警。此外，德國(guó)也研制出了一種可發(fā)出40 個(gè)不同頻率激光的連續(xù)波CO2 激光雷達(dá)，可識(shí)別和探測(cè)9~11 μm 波段光譜能量的化學(xué)戰(zhàn)劑，可為大氣環(huán)境的檢測(cè)提供有效的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)激光雷達(dá)的應(yīng)用和研究也在迅猛發(fā)展，20 世紀(jì)六七十年代，中國(guó)科學(xué)院大氣物理所在周秀驥院士、呂達(dá)仁院士、趙燕曾研究員等主持下成功研制出了我國(guó)第一臺(tái)米散射激光雷達(dá)，同時(shí)開(kāi)展了有關(guān)云和氣溶膠特性的探測(cè)工作。隨著激光雷達(dá)在大氣檢測(cè)方面應(yīng)用的不斷發(fā)展，目前我國(guó)已經(jīng)建立了 12個(gè)沙塵暴長(zhǎng)期觀測(cè)站。隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)已有許多單位開(kāi)始運(yùn)用激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行大氣參數(shù)的探測(cè)研究，如安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國(guó)海洋大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、武漢大學(xué)、蘭州大學(xué)等。像國(guó)內(nèi)某大氣顆粒物監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)就采用波長(zhǎng)532 nm線(xiàn)偏振激光對(duì)大氣顆粒物進(jìn)行遙感探測(cè)。雷達(dá)通過(guò)對(duì)532 nm垂直和水平偏振信號(hào)的探測(cè)，解析大氣消光系數(shù)、退偏振比廓線(xiàn)、邊界層高度、光學(xué)厚度等參數(shù)，進(jìn)而可獲取大氣顆粒物時(shí)空分布特征、污染層時(shí)空變化、顆粒物輸送和沉降等信息。
激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)環(huán)境大氣的工作原理
激光器發(fā)射激光脈沖，與大氣中的氣溶膠及各種成分作用后產(chǎn)生后向散射信號(hào)，系統(tǒng)中的探測(cè)器接收回波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理分析，從而得到所需的大氣物理要素，具體原理如下圖所示。
數(shù)據(jù)采集卡需求
l 采樣率：20MS/s-60MS/s；
l 精度：16bit；
l 通道數(shù)：2-4通道；
l 數(shù)據(jù)需累加平均；
l 支持多次觸發(fā)，連續(xù)存儲(chǔ)；
l 需持續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)品要求穩(wěn)定可靠
解決方案
激光雷達(dá)需要長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)采集卡性能穩(wěn)定性、功耗、同步性能、通道數(shù)、信噪比要求都比較高。Spectrum的m2i.49系列采集卡剛好符合激光雷達(dá)應(yīng)用要求，該系列卡采樣率最高能到60MS/s，最多支持8通道同步采集，精度為16bit，相比市面上大多數(shù)12bit或14bit采集卡，能分辨出更細(xì)膩的信號(hào)，同時(shí)，該采集卡自身信噪比水平控制得非常好。這都是Spectrum數(shù)據(jù)采集卡非常適合大氣激光雷達(dá)應(yīng)用的一個(gè)重要原因。
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