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。

用于激光雷达的大动态范围时间-幅度转换器

为了适配激光雷达测距系统,设计了一种量程和精度可调的大动态范围时间-幅度转换器(Time-to-Amplitude Converter,TAC)。该TAC ASIC采用计数器与模拟电压斜坡进行配合,显著拓展了量程。采用180 nm CMOS工艺对电路进行了设计,单个TAC通道面积为400μm×260μm。整体电路的转换周期和采样周期通过外部信号控制,量程和分辨率可以调节以适应复杂场景下的应用。仿真结果表明在20 MHz工作时钟下TAC的量程为6.4μs,测量分辨率为50 ps,微分非线性优于±0.05 LSB,积分非线性优于±0.8 LSB。该TAC具有良好的性能,适用于大动态范围的激光雷达测距系统。

大气探测激光雷达自适应收发匹配系统

在中高层大气激光雷达观测中,收发匹配效果的好坏直接影响激光雷达回波信号的质量,收发匹配技术是制约国内外中高层大气激光雷达技术发展的瓶颈。开发了一种自适应收发匹配算法以及配套的软硬件系统,能够在电控镜架可调节范围内,以任意位置为起点实现3 min内的盲调匹配,匹配效果与专业操作人员手动调整的效果相当。该算法能够通过实测回波廓线自适应地选择探测范围、调整方向和步长,在确保高精度收发匹配的基础上,大幅度地减少了调节步骤,实现了高精度、高效率的自动收发匹配。该算法以及配套的软硬件系统为激光雷达的日常观测提供了重要的技术支撑,同时也为后续激光雷达自动化和智能化运行打下了坚实的基础。