基于米散射激光雷達的大氣氣溶膠檢測系統設計

康翔宇，郭 驥，曾祥堉，郭未寬，柯賢文，高秀敏

（1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.上海犀銳儀器儀表有限公司，上海 201803；3.航天恒星科技有限公司，北京 100095）

引 言

近年來，關于大氣氣溶膠的檢測越來越引起科研人員的注意。大氣氣溶膠是指由大氣介質和懸浮于大氣中的固體或液體所組成的多相體系[1]，它主要來自人們生產活動中對石化能源的燃燒和使用。借助大氣氣溶膠可以檢測大氣環境狀況，同時也與人類的健康息息相關[2-3]。激光雷達可以通過大氣中的分子、粒子或氣溶膠顆粒對激光的散射來遙感探測大氣，獲得大量的大氣信息[4]，具有探測范圍廣、實時性好、空間分辨率高等優點[5]，可以很好地適應大氣探測的高動態范圍的特點。

早在20世紀60年代，國內外就已經開始對米散射激光雷達開展研究并取得一定的進展。1962年，Smullin等將激光器用到大氣探測領域，并研制出了世界上第一臺米散射激光雷達[6]。1963年，Ligda也研制出了用于對流層大氣探測的米散射激光雷達[7]。1966年，中科院研制出了中國第一臺紅寶石米散射激光雷達，用以對氣溶膠相關參數進行探測[8]。2015年，西安理工大學激光雷達研究中心的研究人員搭建了多波長米散射激光雷達系統，用于氣溶膠全天時的探測[9]。2017年，王強等基于腔減相移光譜（CAPS）技術搭建了一套基于CAPS技術的連續測量大氣氣溶膠消光系數的監測系統，有效光程約為4.4 km[10]。2018年，葉志斌等基于光腔衰蕩光譜技術搭建了一套測量大氣氣溶劑消光系數的探測儀器，并根據不同濃度的NO2氣體對532 nm激光有不同的吸收系數，實現了對消光儀準確性的驗證[11]。2020年，么嘉棋等提出一種基于表觀地表反射率的云檢測算法，并對ICESat-2云檢測及其相關算法流程進行詳細梳理[12]。

本文設計了基于米散射激光雷達的大氣氣溶膠檢測系統，該系統的組成部分包括激光發射裝置、散射光采集裝置以及信號處理和分析系統。采用優化光學設計來提高檢測系統的回波信號強度，同時優化硬件系統結構，使得激光器和望遠系統共軸，有效接收回波信號，達到增強信號的目的。該檢測系統的最大探測距離為5 km，具有高的返回信號強度和低的雜散光干擾。

1 大氣氣溶膠檢測原理

激光雷達發射激光束與大氣發生相互作用，激光束能量會不斷地衰減，同時會反射回波信號，并被激光雷達的接收系統接收。激光雷達接收經大氣散射后的回波信號[13]可表示為

式中： λ0為激光束波長；E0為單激光脈沖功率；z為激光發射(系統)的距離；S(z) 為z處激光束的截面積； α λ0,z′為z處的大氣氣溶膠的消光系數； τ 為單一激光束的脈沖寬度。

若大氣氣溶膠離激光雷達接收裝置的距離為z1，接收到的散射體的散射截面為 β (z1,z,θ,λ0,λz) ，則接收到的散射輻射強度為

式中： λz為激光束在z處的波長；V(z1,z) 為散射介質在接收視場中被激光照射的體積。

若激光雷達接收系統的面積為A，則激光雷達的接收功率為

式中：T為激光雷達接收系統的光學效率。激光雷達的接收功率由此可轉換為

對于發射單激光束的米散射激光雷達接收系統，式（4）中的參數可以作以下處理，即 λ0= λz，光速），則激光雷達的接收功率可表示為

式中:CA為激光雷達的系統常數，可表示為

通常，米散射激光雷達的接收功率可表示為

式中： β1(z) 、 β2(z) 分別為 距 離z處的氣溶膠和空氣分子的后向散射系數；分別為距離z處的氣溶膠和空氣分子的消光系數。

2 米散射激光雷達系統設計

根據米散射原理，設計并搭建了米散射激光雷達系統。系統包含激光發射系統，散射光收集系統，信號處理和分析系統三個部分。同時設計了一個可調節的固定裝置用來固定激光器和望遠系統，通過調節該裝置使發射系統和接收系統同軸，從而提高對低層大氣和盲區的探測能力。系統組成如圖1所示。

圖1 米散射激光雷達系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of Mie scattering lidar system

激光光源采用型號為AO-V-532的Nd:YAG固體綠光激光器，其輸出波長為532 nm。532 nm的激光器造價是同類激光器中最常見最便宜的，且532 nm光為可見光，利于實驗階段的光學調試過程。此激光器的脈沖能量為16 μJ，光束發散角為0.7 mrad，重復頻率可調，輸出光斑直徑為3 mm。散射光收集裝置采用大口徑光學望遠系統，是型號為LX-200-ACF10的折反射式天文望遠鏡，為了讓反射光線、匯聚光線在焦點處的成像效果更好，采用的是馬克蘇托夫-卡塞格林望遠系統[14-15]。信號處理和分析系統部分采用了電壓輸出型的測光探測器CH253，CH253由側窗型光電倍增管、電源電路和放大電路組成。光電倍增管適合探測可見和紫外光譜波段[16]，其產生的電流信號經I-V變換放大后變為電壓信號。測光探測器可以采用電阻調節或電壓調節方式控制增益。光電倍增管的放大增益由控制電壓調控，最大增益可達106。系統的具體參數如表1所示。

利用Zemax制作了一套折反射式的光學結構，如圖2所示。該光學系統由彎月鏡、主反射鏡、次反射鏡、可調光闌、兩個平凸透鏡、濾光片等組成。光學系統中多加了一片彎月透鏡用于輔助校正系統的球差，通過優化系統像差，并將次反射鏡與彎月鏡第二面合并。次反射鏡的曲率半徑與彎月鏡第二面的曲率半徑一致，并在彎月鏡的第二面的中心區域鍍膜，使該區域作為次反射鏡，提高了系統裝調的簡便性。激光雷達系統發射激光到大氣層，經大氣氣溶膠顆粒散射后的光束經過一個多層鍍膜彎月鏡后進入光學系統，再經過主反射鏡和次反射鏡后聚焦到可調光闌處，然后平凸透鏡將光束準直進入濾光片，最后由平凸透鏡將光束聚焦于光電倍增管PMT的光敏面上，實現對大氣氣溶膠的檢測。

3 大氣氣溶膠檢測實驗

根據圖1搭建了大氣氣溶膠檢測實驗平臺，如圖3所示。實驗過程中，脈沖激光器產生的激光射向大氣中，經大氣顆粒散射后的光被馬克斯托夫-卡塞格林望遠系統接收，此光通過光路處理系統聚焦到光電倍增管（PMT）上，最終將光信號轉換為電信號，進而進行下一步分析。

為了解決現有激光雷達白天回波信號弱、雜散光強和信噪比低等問題，本文通過濾除雜散光和增強回波信號強度的措施來解決。

表1 米散射激光雷達系統參數表Tab.1 Mie scattering lidar system parameter

圖2 Zemax 設計的卡塞格林望遠系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of the Cassegrain telescope system designed by Zemax

激光雷達的使用時間絕大多數都在白天，而白天太陽光強烈，會使接收系統產生一個強烈的干擾信號。本文使用的激光波長為532 nm，而且太陽光是全光譜且能量很強。由此本文設計了濾光系統，對接收系統接收到的光信號進行濾波，將非532 nm的光濾除，從而降低噪聲信號的強度。濾光系統實物如圖4所示。

圖3 米散射激光雷達檢測裝置圖Fig.3 Mie scattering lidar detection device

圖4 濾光系統實物Fig.4 Image of filter system

圖4中與PMT模塊相連接的鏡筒就是本文的濾光系統，里面包含兩塊透鏡和一塊濾光片。濾光系統能將望遠系統接收到的光信號進行濾波并聚焦到PMT模塊的感光面上。如圖5是PMT檢測到的信號，（a）是沒有加濾光系統時PMT輸出的電壓信號圖，其電壓約為4 V，（b）是在PMT和望遠接收系統之間加裝濾光系統后PMT輸出的電壓信號圖，其電壓變為0 V。由此說明，濾光系統可以很好地濾除其他雜散光的影響。

本文通過兩種方法來增強回波信號：1）對出射激光進行擴束；2）使激光器與望遠接收系統共軸。

圖5 PMT 輸出Fig.5 PMT output

1）對出射激光進行擴束。因為激光器的準直性很好，能夠在很遠的距離內保持光束不發散，而激光雷達系統中激光不發散會使散射回來的激光信號很少，因此本文設計了一個擴束鏡，對出射激光進行擴束，擴束比為10。將發射的激光直徑由原來的0.82 mm變為8.20 mm，使得激光能有更多散射光返回而被接收系統收集到。

2）使激光器與望遠接收系統共軸。激光雷達測量的距離都是在千米以上，而望遠接收系統的視場角有限，如果激光器與接收系統不共軸，就會因一個很小的偏離角而使望遠系統接收不到從大氣中返回的激光散射信號。所以本文設計了一個可調節的激光器底座，將該底座固定在望遠鏡的鏡筒上，通過調節底座實現激光器與望遠接收系統共軸。

擴束裝置和固定裝置如圖6所示。

激光器與望遠接收系統共軸調整前后的信號如圖7所示：（a）是未調節共軸系統的情況，未檢測到經過大氣氣溶膠顆粒反射后的回波信號，此時只有背景噪聲信號，噪聲信號的幅值在1.2 mV左右；（b）是經過共軸調節后的情況，產生的周期脈沖型回波信號被采集并顯示到示波器上，采集到的回波信號強度更強，信噪比更大，此時信號的幅值在1.2 V左右，是背景噪聲幅值的1 000倍。通過這種方式可以采集到大氣氣溶膠數據，同時因獲得了高質量的回波信號可為后續的處理算法降低了難度，從而間接地降低了檢測成本。激光雷達系統的難點就在于對濾光后的激光脈沖信號的檢測，本文通過設計的擴束裝置對發射激光進行擴束，并通過調整固定裝置使得激光器與望遠接收系統共軸，從而接收到高質量的回波信號。

圖6 固定裝置與擴束裝置實物圖Fig.6 Image of fixture and beam expander

圖7 經過濾光系統后 PMT 輸出對比圖Fig.7 Comparison of PMT output before and after filtering system

4 結 論

本文基于米散射理論，設計了一套激光雷達大氣氣溶膠檢測系統。該系統包含激光發射系統，散射光收集系統以及信號處理和分析系統。所用的探測光源為532 nm的脈沖激光器，通過對光束進行擴束，調整激光器與望遠接收系統共軸來增強回波信號強度，得到了高信噪比的回波信號。本文設計的系統解決了激光雷達返回信號收集時噪聲信號過大和激光信號強度過低的問題，大大降低了后續硬件設計和算法的難度，使得測得的氣溶膠數據更加準確。本文可為大氣氣溶膠檢測提供參考。