基于分段式探测的高分辨率沙姆成像激光雷达

为提高沙姆成像激光雷达技术远距离大气探测的距离分辨率(如3 km@54 m,4 km@96 m,5 km@148 m),提出了一种基于分段式探测的沙姆成像激光雷达探测方法.该方法在雷达系统的接收端采用2套探测装置,通过设置探测装置的系统参数,包括放置的角度、位置等,对探测路径以距离远近程度进行划分,实现分段大气探测.此系统在保证各分段实现高距离分辨率探测的基础上,实现了全距离范围内大气气溶胶的精细探测,从而提高了沙姆成像激光雷达的远端距离分辨率.反演计算结果表明,此系统的距离分辨率提高显著,同距离处分辨率提高近4倍(3 km@13 m,4 km@24 m,5 km@38 m).据此可推断利用三段式及更多段式分段探测能够进一步提高远距离处的分辨率.

小型高光谱图谱仪与激光雷达及其海洋应用

海洋是地球生态环境的重要一环,但人类对海洋资源的勘探和开采容易对其造成严重破坏,如油气开采过程造成的大面积溢油、污染和赤潮爆发等。高光谱成像技术可以同时获取图像信息与高分辨光谱信息,在海洋原位探测上具有重大应用。文中综述了小型高光谱图谱仪与激光雷达及其在海洋应用上的部分近期工作。小型高光谱图谱仪结合荧光技术,实现了溢油种类的分类和油膜厚度的估计。多模式高光谱海洋原位探测系统可以工作于普通反射或透射成像、望远成像、显微成像三种模式,实现了海洋不同藻类及鱼类传染病载体孢囊的高光谱探测。高光谱技术结合激光雷达技术在溢油、赤潮等海洋污染物监测方面具有很大潜力。非弹性高光谱沙姆激光雷达系统通过油品的荧光光谱实现了海洋溢油油品的遥测鉴别。形貌沙姆激光雷达系统基于二维沙姆成像原理,通过空气-水界面折射矫正,成功的对人体、贝壳、珊瑚等进行了三维形貌重构,近处恢复精度可达毫米级,表面纹路清晰可见,为海洋监测应用提供了新的技术支持。

高光谱图谱仪与激光雷达及其在海洋生物检测方面的应用

海洋是涵盖超过70%地球表面的连续海水,发展先进的海洋生物光学监测手段对海洋生态系统的保护至关重要。文中综述了笔者团队在小型高光谱图谱仪与激光雷达系统搭建及其在海洋生物检测等应用上的部分近期工作。图谱仪方面介绍了不同空间扫描方式的高光谱图谱仪在透射、反射及荧光等不同工作模式下,对数种藻类、斑马鱼等海洋生物进行了图谱检测,并且基于图谱数据结合机器学习算法实现了微藻种类的精准分类和藻类生长周期的准确预测;在激光雷达方面详述了使用非弹性高光谱沙姆激光雷达系统在实验室和近岸实地环境进行了多次水生生物的测量实验,成功获取其荧光高光谱,证明了非弹性高光谱沙姆激光雷达系统在海洋生物监测应用中的巨大潜力。此外,笔者团队还搭建了一套四维凝视成像探测系统能实现高光谱分辨率(3 nm)、高空间分辨率、高深度精度(27.5μm)的精准探测。

基于沙氏成像原理的激光雷达技术研究进展(特邀)

当成像系统的物面与光学透镜所在平面不平行时,如果像面、物面及透镜所在平面三者相交于一条直线—即满足沙氏成像原理(也称沙姆定律),则成像系统依然可对物面清晰成像,从而实现理论上的无穷远景深。基于沙氏成像原理而发展起来的沙氏激光雷达可采用连续波二极管激光器作为光源以及图像传感器作为探测器,因而具备近距离探测盲区小、结构紧凑、低维护、高性价比等特色和优势。近年来,沙氏激光雷达技术逐渐应用于大气环境监测、三维目标成像、荧光(高光谱)激光雷达探测、生态学研究、燃烧诊断、水体光学测量等领域。文中将系统性地阐述沙氏激光雷达技术的基本原理,详细探讨其在相关领域取得的最新研究进展,并对未来研究工作进行展望。

NO_(2)差分吸收激光雷达技术研究进展

二氧化氮(NO_(2))是一种重要的大气污染物,严重危害人体健康以及生态系统,实现NO_(2)浓度空间分布探测对大气环境监测与治理具有重要意义。作为一种主动式光学遥感探测技术,差分吸收激光雷达(DIAL)技术可实现大气痕量气体水平和垂直空间分布探测、高架源排放气体监测等,在大气环境监测领域具有重要应用价值。DIAL技术通过可调谐激光器向大气中交替发射两束波长相近的激光,一束激光的波长位于待测气体吸收峰(λ_(on)),另一束激光的波长偏离待测气体吸收峰(λ_(off))。根据待测气体对波长为λ_(on)和λ_(off)的激光的吸收程度不同,可通过分析大气后向散射信号的比值从而获得待测气体浓度。详细介绍了NO_(2)-DIAL技术的基本理论及测量误差,并系统性地回顾了NO_(2)-DIAL技术的发展历程,最后对NO_(2)-DIAL技术进行了总结和展望。

气溶胶光学特性对宽谱差分吸收激光雷达NO_(2)质量浓度反演结果的影响

针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO_(2))质量浓度反演误差。研究结果表明:当大气气溶胶均匀分布时,NO_(2)质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应,而后向散射效应引起的NO_(2)质量浓度反演误差一般可忽略不计;当大气气溶胶非均匀分布时,气溶胶后向散射效应引起的NO_(2)质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度,且与波长指数成反比。此外,适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO_(2)质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO_(2)-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO_(2)质量浓度反演误差的近似模型,通过对比模拟计算的结果,验证了近似模型评估NO_(2)质量浓度反演误差的可行性。

极小盲区双视场沙氏激光雷达研究

沙氏激光雷达是一种可实现近距离高分辨率探测的系统,而室内气溶胶的扩散研究对其探测范围提出了严苛的要求。以沙氏激光雷达技术为基础,提出对远场和近场的气溶胶后向散射信号进行同时探测的双视场技术方案。该方案通过融合双视场的信号获取极小盲区的全路径信号廓线。在室内环境下,利用人工施放的气溶胶对所研制的双视场沙氏激光雷达系统进行了测试实验。实验中,在路径末端7.1 m处设置硬靶,提供边界值标定,从而反演得到气溶胶消光系数。实验结果表明:相比单视场探测系统,双视场探测系统的盲区由1.26 m缩小到0.36 m;同时,系统距离分辨率在最近处为0.1 mm,在最远处为15 mm;通过对两个视场信号的定标融合,全距离范围内气溶胶反演结果具有较好的时空连续性。

基于改进的道格拉斯-普克算法确定大气激光雷达消光系数边界值

大气激光雷达已广泛应用于大气污染源水平扫描测量,而水平扫描测量激光雷达信号的消光系数边界值求解及廓线反演是其定量化应用的关键。针对这一问题,提出了一种基于改进的道格拉斯-普克(DP)算法确定消光系数边界值的新方法,并结合经典Klett方法实现水平扫描测量时的大气消光系数稳健反演。系统性地研究了经典DP算法在消光系数边界值求解时的性能及潜在的问题。在此基础上,提出将对数激光雷达信号与对应直线线段的偏离方差作为阈值控制手段,以替代经典DP算法中的最远距离阈值,从而更加准确地获取对数激光雷达曲线的线性区间,进而利用斜率法求解消光系数边界值。通过消光系数反演结果的对比分析,验证了改进DP算法的有效性。利用该方法反演的消光系数与周围空气污染监测站的PM10颗粒物浓度具有较高的相关性(>0.88)。研究结果表明,提出的改进DP算法可为水平扫描激光雷达信号的消光系数边界值求解和廓线反演提供有效的方法。

测量小角度后向散射的水体沙氏激光雷达技术设计

针对水体小角度范围内后向散射强度测量难的问题,基于沙氏成像原理设计了水体沙氏激光雷达系统。介绍了水体沙氏激光雷达系统的设计、模拟及搭建,并对去离子水、自来水及河水三种水体进行水槽实验。详细介绍了多测量介质条件下的距离校正方法。将后向散射的光束宽度和强度变化情况与分光光度计测量数据进行比较,发现激光光束的宽度及强度变化表征光束衰减情况,同时可表征不同水体的后向散射强弱规律。分光光度计数据与水体沙氏激光雷达数据结果具有较好的一致性。

沙氏激光雷达探测水体衰减系数

根据沙氏成像原理,采用450 nm高功率二极管激光器作为光源,CMOS图像传感器作为探测器,研制了一种水体沙氏激光雷达,并利用该雷达系统实现了动态水体衰减系数测量。针对空气-玻璃-水体交界面的折射效应,对水体测量时的像素-距离关系进行修正。在实验室内,利用沙氏激光雷达系统对加入不同质量浓度脂肪乳(Intralipid)的水体进行探测研究,并利用斜率法及Klett法反演得到水体衰减系数。实验结果表明,沙氏激光雷达不仅可以捕捉水体动态变化过程,而且反演获得的水体衰减系数与加入的脂肪乳质量浓度具有良好的一致性,证明了沙氏激光雷达用于水体衰减系数定量探测的可行性,为下一步开放水域测量提供了参考。