沙姆激光雷达

沙姆激光雷达

特点

▪ 真正的遥感

▪ 距离分辨率

▪ 3m到3km

▪ 高灵敏度

▪ 高速:＞3kHz

▪ 远距离大气系统

▪ 短距离工业系统

▪ 高分辨率: ＜1cm

▪ 关于昆虫的*的数据

▪ 颗粒物、气溶胶和气体廓线

应用场景

▪ 安防

▪ 环境监测

▪ 质量控制

▪ 动物群和植物

一、简介

沙姆激光雷达系统是真正的远程和便携系统，它具有xxx的时间和空间分辨率，它可以为用户提供实的大气条件的测量结果和定量分析。即使在非常晴朗的条件下（0.15 km-1）高灵敏度的系统也能够生成可探测的大气信号。系统采用高度模块化设计，利用*的波长、极化和探测器配置组合，可以使系统适合一系列不同的应用，比如从大气中气体浓度和气溶胶测量到农业中空中动物群如昆虫和鸟类的监测。

利用SPLR 3500激光雷达系统可以在几公里范围内高速测量污染物和气溶胶，并且能够准确地找到污染源，有时即使污染源存在时间很短也没有问题；定量和主动测量在城市环境监测中是非常有价值的。

下面对沙姆激光雷达技术，以及该创新的激光雷达的一些新的应用进行一个简单介绍。

二、技术原理

传统激光雷达是基于激光束的飞行时间原理，即在大气中发射一个光脉冲，大气的反向散射是时间可分辨的（通常通过复杂的单光子计数器件），从而得到被测信号的距离分辨率。而 SPLR 3500的激光雷达系统采用了沙姆原理，即距离的分辨率是激光束在大气中成像的结果，因而SPLR 3500激光雷达系统就可以利用连续（CW）二极管激光器，这样可以很大地降低了激光雷达系统的体积和功耗，一个车载电池就可以保证激光雷达系统运行几个小时。

SPLR 3500激光雷达系统基于沙姆原理，一次曝光就可以成像整个激光束背散射信号。如图1所示，探测器上一个像素对应一个*的探测空间范围。这个成像原理使得激光雷达的空间分辨率和距离具有一个确定的函数关系，而时间分辨率是由探测器的采集速率决定的。在近距离测量时，SPLR 3500激光雷达系统具有比传统脉冲系统高的空间分辨率，而在远距离二者的空间分辨率则相当。

图1. SPLR 3500沙姆激光雷达系统光束在探测器上成像示意图

三、应用

▪ 粒子和气溶胶

由于米氏散射（Mie Scattering）产生大的可探测的背向散射信号，SPLR 3500激光雷达特别适合大气中携带的粒子，就是所谓的气溶胶的测量。人们对气溶胶的许多特性都感兴趣，比如浓度、尺寸、形状和化学组分等；利用SPLR 3500激光雷达，通过调整波长和极化的组合，用户就可以得到这些特性。

波长相关的背散射截面可以对不同的粒子进行分类，因为在特定的谱段采用两个或者多个波长的组合方法，气溶胶会呈现很大的不同。

在环境监测中大气衰减系数（extinction coefficient km-1）是另一个非常感兴趣的重要参数，通过经验方程衰减系数可以用来计算大气中的微粒物（PM）。

PM2.5和PM10通常用来分类大气中粒子的尺寸和浓度，因为它们可能被吸入体内对人类健康造成危害。PM 的测量通常需要在城市的不同地方进行，这就会在定量性和空间上由于相对低的信息价值限制了测量效率。

“分析城市气溶胶，包括PM10和PM2.5，合理的监测方法应该能够确定工业辐射源，这是对当地环保xxx的贡献（在城市功能区）。如果主动的监测能够与中心监测系统相连并能快速地减少污染源，这样监测数据的实际利用就会很大地扩展了，这将改善现有监测网络的效率。”

SPLR 3500激光雷达一个应用案例如图2所示，这里激光雷达系统对准挪威的一个高速公路的上方，每个经过的车辆都会有粒子排放物，并且能够被激光雷达系统探测到，同时标记在图中，激光雷达也能够显示排放物随时间被风吹走延光束的变化， 在图中大约 80 秒后，强烈的阵风导致的测量湍流。正是由于高时间和空间分辨率，SPLR 3500激光雷达系统能够实时监测到高速公路上每个经过的车辆，这对于传统脉冲激光雷达是不可能做到的。

图2.时间-距离激光雷达对准一条高速公路测量的时间-距离信号，单独车辆的排放监测。

▪ 气体浓度

在差分吸收激光雷达（DIAL）测量时，需要调谐激光波长到气体的已知吸收线，通过记录不同波长的响应来计算特定气体的浓度。从记录的吸收谱就可能计算出气体的浓度，温度和压力。然而DIAL 对激光光源提出了特殊的要求，即必须是可调谐的窄谱段连续高功率激光器。尽管如此，SPLR 3500激光雷达给出了O2（在760nm）和 CO2(在1.57um)浓度的测量结果。这个测量给出了几公里距离的空间可分辨的气体浓度。

图3.左图给出沙姆激光雷达进行DIAL测量的 CO2 的3个吸收峰，右图给出估算的浓度随距离的变化。

▪ 空中动物群监测

采用SPLR 3500激光雷达系统进行空中动物群的研究，特别是在昆虫学研究方面的应用是一个创新性的工作。通常的方法是设置陷阱，几天之后回来手工收集昆虫和计数，采用 SPLR 3500 激光雷达就可以远距离非破坏地观察和一个区域的昆虫。现在用激光雷达系统对准一个你感兴趣的区域，这样你就可以在几公里的距离范围内距离可分辨地实时观察昆虫活动。取决于具体地方，你可以观察成百上千的昆虫在白天飞过激光束，从而获得它们的飞行方向，尺寸和种类等信息。

测量系统具有kHz的采样速率，由于经过激光束的昆虫翅膀的摆动，所以测得的动物群的信号需要进行调制，如图 4 所示。调制谱含有个体的*信息如翅膀摆动频率、身体、翅膀尺寸以及谐振的其它信息。利用这些信息就可能对观察的昆虫进行分类。人们对昆虫的行为模式感兴趣，SPLR 3500激光雷达系统已经在某个地方用来研究昆虫、鸟类和蝙蝠的动态行为。

图4.采用SPLR 3500沙姆激光雷达观察昆虫的两个案例，xxx上一排图给出由于翅膀摆动导致光截面的变化引起的调制信号的变化，中间一排图给出的是观察目标的距离积分信号，xxx下面一排图则是频率分析，它给出了观察的谐振成分。

四、SPLR 3500配置

▪ 波长

SPLR 3500激光雷达系统激光波长范围是由硅探测器的响应决定的。可采用的xxx短波长是 400nm，xxx长波长 1050nm；通常有如下不同波长的高功率二极管激光器可选： 405nm, 450nm, 520nm, 532nm, 635nm, 650nm, 780nm, 808nm, 830nm, 850nm, 935nm, 980nm 。

▪ 偏振

SPLR 3500激光雷达系统可以提供正交偏振配置，即在发射器上安装同样波长的两个二极管激光器，使它们的偏振方向相互垂直。探测器配有偏振滤光片，其偏振方向保证探测器只能探测到 P-偏振光，和S-偏振光相比，P-偏振光具有更高的探测效率。这种配置比如可以从昆虫群中识别雨滴，或者在大气中识别固体和液体气溶胶。

▪ 探测器

探测器的选择是根据针对特定应用的激光器来确定的。根据感兴趣的波长和偏振的选择，采用定制的滤光片组可以xxx化地改善激光雷达系统的性能。

五、总结

SPLR 3500沙姆激光雷达系统具有*性，它不是工作在段脉冲的时域，它的距离信息是由几何光学获得的，与传统脉冲高功率激光雷达相比，沙姆激光雷达系统体积小，*，速度快（kHz）。

*的设计可以使系统针对不同应用进行定制和调制，它既可以测量几十米距离的目标，也可以进行远距离公里级别测量并具有亚厘米的分辨率。

SPLR 3500激光雷达系统能够对大气中粒子，气溶胶，气体等，或者其它媒体如水或者石油中的粒子进行高时间分辨率和空间分辨率进行测量。