14、主动遥感：激光雷达信噪比的提升

主动遥感：激光雷达信噪比的提升

在主动遥感领域，激光雷达（LIDAR）作为一种重要的技术手段，在地球观测、地形测绘等方面发挥着关键作用。本文将深入探讨激光雷达的原理、分类、不同类型的回波信号，以及如何在白天操作中提高其信噪比。

1. 引言

雷达（RADAR）、声呐（SONAR）和激光雷达（LIDAR）是用于地球观测、测深测绘和地形测绘的主动遥感系统。二战后，激光与雷达技术的结合——激光雷达，开启了遥感技术的新纪元。激光雷达是获取高程信息的常用主动遥感系统，与雷达发射长波长信号不同，激光雷达发射短波长激光束。

2. 激光雷达背景

2.1 激光雷达历史背景

二战后，首个激光雷达系统问世，最初的光源是铝电极间的闪光灯，接收器光学元件为两块镜子，后来使用光电管作为探测器，可在白天测量高达5.5公里的云底高度。1960年激光的发明带来了激光雷达的真正变革，激光雷达可在紫外线、可见光和红外辐射等宽波段区域工作，其平台包括地面站、飞机、气球和卫星等。

激光雷达是通过激光发射器利用弹性和/或非弹性散射技术探测地球大气的光学遥感系统，通常由传输子系统、接收子系统和电子子系统三个功能子系统组成。
- 传输子系统 ：使用脉冲或连续波激光作为光源，可根据类型和测量目标使用多个激光。激光脉冲具有短持续时间、窄带宽、高重复率、高峰值功率和小发散度等特点。输出光学元件用于改善激光束特性和控制偏振，还包括波长选择设备、偏振器和偏振测量设备等。
- 接收子系统 ：由光学望远镜收集和聚焦后向散射辐射，接收光学元件为探测器提供所需的准直或聚焦强偏振信号。探测器主要有光电倍增管（PMT）和雪崩光电二极管（APD）两种类型，还包括用于特殊滤波和偏振选择的组件。
- 电子子系统 ：包括数据采集、显示单元、模数转换、雷达电路和控制系统等，还需要软件进行信号处理，以及一些硬件如平台、温度控制单元等。

2.2 激光雷达工作原理

激光具有高度单色性和相干性，通过Q开关技术可产生短持续时间、窄带宽、高峰值能量的脉冲。激光雷达的测量基于探测到的后向散射信号的形状，该形状取决于激光雷达特性和大气参数。通过求解激光雷达方程中的消光系数和散射系数，可以确定各种大气特性。

3. 激光雷达分类

激光雷达系统的分类方式有多种，包括物理过程、激光类型、测量目标、大气参数、波长、配置、测量模式、平台类型和波长数量等。

4. 激光雷达回波类型

根据回波信号，激光雷达可分为瑞利、米氏、拉曼、差分吸收（DIAL）、多普勒和荧光等类型。
|类型|原理|应用|
| ---- | ---- | ---- |
|瑞利散射激光雷达|弹性散射，适用于大气分子，与波长的 -4 次方相关|推导气溶胶自由区域以上的大气温度剖面|
|米氏后向散射激光雷达|弹性散射，适用于大颗粒气溶胶和云粒子|检测对流层中的气溶胶和云粒子|
|拉曼（非弹性后向散射）激光雷达|非弹性散射，信号频率发生偏移|测量特定气体成分，如甲烷和臭氧|
|差分吸收激光雷达（DIAL）|利用相邻波长的吸收差异测量气体浓度|测量行星边界层中的气体浓度|
|多普勒激光雷达|利用多普勒频移测量目标速度和大气温度|测量龙卷风、风暴、风等|
|共振荧光激光雷达|在高层大气中具有高灵敏度和准确性|测量高层大气中的金属物种和其他参数|

5. 激光雷达波长分类

基于使用的波长，激光雷达可分为弹性、非弹性、多波长和飞秒白光激光雷达。
- 弹性激光雷达 ：基于弹性散射物理过程，检测分子和粒子的总大气后向散射，但难以分离米氏和瑞利信号。为确定气溶胶消光系数，需要假设粒子激光雷达比，可通过拉曼激光雷达和高光谱分辨率激光雷达或太阳光度计观测来克服这一困难。
- 非弹性后向散射激光雷达 ：发射和检测的波长不同，如拉曼激光雷达。由于白天背景太阳辐射强，拉曼激光雷达的操作通常限于夜间。可通过在太阳盲区运行、应用窄带通滤波器或在可见光波段操作并扣除背景噪声等方法来克服这一问题。
- 多波长激光雷达 ：发射多个波长的激光，可用于区分细颗粒和大颗粒，如差分吸收激光雷达可测量大气中化学物质的浓度。
- 飞秒白光激光雷达 ：利用飞秒激光脉冲产生极高的光功率，可用于检测和分析气溶胶大小、相态、水汽等，克服了差分光学吸收光谱仪和傅里叶变换红外光谱学的一些缺点。

6. 激光雷达测量目的分类

根据测量目的，激光雷达可分为气溶胶、云和速度与风激光雷达。
- 气溶胶激光雷达 ：大气中包含各种气溶胶，其浓度和特性随时间、类型、高度和位置变化。气溶胶对地球气候和人类健康有重要影响，激光雷达可用于研究平流层和对流层气溶胶以及气候气体。可使用波长在300 - 1100 nm之间的激光雷达测量气溶胶的消光和后向散射剖面，如微脉冲激光雷达和高光谱分辨率激光雷达。
- 云激光雷达 ：云粒子半径大于激光雷达波长，激光雷达无法测量云的大小分布，但可检测云底高度、厚度和垂直剖面。云对全球气候有重要影响，NASA开展了多个项目监测和研究云。偏振激光雷达可用于区分云的液态和固态相态。
- 速度和风激光雷达 ：多普勒激光雷达利用多普勒频移测量目标速度，可用于测量风的速度，大气中的微小尘埃和气溶胶颗粒可作为目标。

7. 基于平台的激光雷达类型

• 地面激光雷达 ：可对地球大气的大部分低层参数进行连续、稳定和高分辨率的测量，对校正卫星数据和补充缺失信息有重要贡献，但受恶劣天气和航空管制的限制。
• 机载激光雷达 ：由于地面激光雷达在验证某些遥感方法和获取目标信息方面存在不确定性，机载激光雷达可用于测量气溶胶、云、温度剖面等，但存在振动问题。
• 星载激光雷达 ：可提供全球或大陆尺度的地球大气特性图像，有助于理解全球尺度现象，但需要非常复杂和昂贵的设备。

8. 激光雷达配置

激光雷达系统主要有单基地和双基地两种基本配置。
- 单基地激光雷达 ：是现代系统的典型配置，发射和接收器位于同一位置，可分为同轴和双轴系统。
- 单基地同轴激光雷达 ：发射激光束的轴与接收器望远镜的视场重合，但存在探测器饱和、反射信号干扰和图像遮挡等问题。
- 单基地双轴激光雷达 ：发射和接收器相邻，可避免近场激光辐射导致的探测器饱和问题，但在短距离内检测信号受几何形状因子影响。
- 双基地配置 ：激光发射器和接收器子系统之间有较大距离，最初用于支持连续波激光雷达，目前很少使用。

以下是一些激光雷达物理过程、应用和测量目标的总结：
|激光雷达类型|基于过程|波长|目标|平台|配置|其他|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|瑞利|瑞利散射| - |风、平流层、中间层后向散射|地面、机载|单基地| - |
|米氏|米氏后向散射| - |气溶胶、云、对流层|地面、机载、星载|单基地（双轴和同轴）| - |
|拉曼|拉曼散射|单波长、多波长|气溶胶、水汽、对流层、平流层|地面、星载|单基地| - |
|DIAL|差分吸收| - |臭氧、湿度、气态物质、对流层|地面|单基地| - |
|荧光|荧光| - |风/热通量、中间层|机载|单基地| - |

9. 提高白天操作时激光雷达的信噪比

利用散射天空光的自然偏振特性，设计了一种偏振鉴别技术，使激光雷达发射器和接收器在保持最大信号吞吐量的同时，跟踪并最小化检测到的天空背景噪声。实验表明，该技术可使激光雷达的信噪比提高达10倍，可探测范围提高达34%。

9.1 引言

该技术旨在改善传统弹性后向散射激光雷达的操作，利用天空背景光的偏振特性减少检测到的背景功率，从而提高信噪比和可探测范围。

9.2 实验方法和系统几何结构

纽约市立大学（CUNY）开发了两个地面激光雷达系统，用于单基地弹性后向散射气溶胶和云特征及剖面的反演。实验使用移动弹性单基地双轴后向散射激光雷达系统，在532 nm波长下进行测量。通过在接收器前使用偏振分束器旋转以最小化检测到的天空背景噪声，同时在发射端使用半波片旋转输出激光束的偏振方向，使其与接收器偏振分析仪对齐。

9.3 结果

实验结果表明，偏振鉴别技术对天空背景信号的影响在下午6:29最大，此时激光雷达太阳角较大；中午影响最小。检测到的最大背景信号比最小背景信号噪声大，符合光电倍增管的散粒噪声限制。通过比较有偏振器和无偏振滤波时的信噪比，发现该技术可使激光雷达的操作范围从9.38 km增加到12.5 km（提高34%），在给定距离下信噪比提高250%。

9.4 信噪比随太阳天顶角的变化

信噪比改善因子与太阳天顶角有关，在某些情况下，如2005年2月19日的测量中，改善因子在太阳中午前后对称；但在2005年2月23日的测量中，出现了不对称现象，可能与湿度变化导致的散射特性改变和多重散射效应增强有关。

9.5 可变可降水汽对信噪比的影响

湿度变化会影响气溶胶的散射特性，导致多重散射效应增强，从而影响信噪比改善的对称性。2月23日的气溶胶光学深度测量显示出比2月19日更大的比例变化，与可降水汽的不对称性一致。

9.6 信噪比改善的方位依赖性

在单散射理论中，最小背景噪声出现的偏振方向应等于太阳的方位角。通过跟踪偏振器旋转角度并与计算的太阳方位角比较，发现两者密切相关，这为自动化该技术提供了可能。

9.7 结论和总结

通过偏振选择/跟踪方案可提高激光雷达后向散射测量的信噪比，有效激光雷达范围可提高30%以上。该改善在大散射角时最大，对于垂直指向的激光雷达，主要发生在日出/日落附近。实验中观察到的不对称天光减少现象可通过可降水汽增加和随后气溶胶光学深度的改变来解释。由于最小噪声状态的散射平面方向与太阳方位角相关，因此可以通过太阳位置计算器自动调整偏振轴，实现该过程的自动化。

以下是提高激光雷达信噪比的流程：

graph LR
    A[开始] --> B[确定太阳方位角和天顶角]
    B --> C[旋转接收器偏振分析仪以最小化Pb]
    C --> D[调整发射端半波片使激光束偏振与接收器对齐]
    D --> E[进行激光雷达测量]
    E --> F[分析测量结果，计算信噪比和范围]
    F --> G[根据结果调整偏振设置]
    G --> H[持续测量和优化]
    H --> I[结束]

综上所述，激光雷达在主动遥感中具有重要应用价值，通过不断改进技术和优化操作方法，如提高信噪比的偏振鉴别技术，可进一步提升其性能和应用范围。未来，随着技术的不断发展，激光雷达有望在更多领域发挥重要作用。

主动遥感：激光雷达信噪比的提升

10. 偏振鉴别技术的优势与潜在挑战

偏振鉴别技术在提高激光雷达信噪比方面展现出显著优势，但也面临一些潜在挑战。

10.1 优势

• 信噪比显著提升 ：实验结果清晰表明，该技术能使激光雷达的信噪比大幅提高，最高可达10倍。这意味着在相同条件下，激光雷达能够更准确地检测和识别目标，减少噪声干扰，提高数据的质量和可靠性。
• 可探测范围增加 ：可探测范围提高达34%，这使得激光雷达在实际应用中能够覆盖更大的区域，获取更广泛的信息。例如，在气象监测、环境研究等领域，更大的探测范围可以提供更全面的大气数据，有助于更准确地预测天气变化和评估环境状况。
• 利用自然偏振特性 ：该技术巧妙地利用了散射天空光的自然偏振特性，无需额外复杂的设备或高昂的成本，具有较高的实用性和经济性。

10.2 潜在挑战

• 气象条件影响 ：天气状况如云层、降水等可能会影响天空背景光的偏振特性，从而降低偏振鉴别技术的效果。在恶劣天气条件下，激光雷达的信噪比提升可能会受到限制，需要进一步研究如何在复杂气象条件下优化该技术。
• 自动化实现难度 ：虽然理论上可以通过太阳位置计算器自动调整偏振轴，但在实际应用中，实现完全自动化还面临一些技术难题。例如，需要精确的传感器和控制系统来实时跟踪太阳方位角和调整偏振设置，这对设备的精度和稳定性提出了较高要求。

11. 激光雷达在不同领域的应用案例

激光雷达在多个领域都有广泛的应用，以下是一些具体案例。

11.1 气象监测

激光雷达可用于监测大气中的气溶胶、云、风等参数，为气象预报提供重要数据。例如，通过瑞利散射激光雷达可以测量大气温度剖面，帮助气象学家更好地理解大气结构和变化。在一些气象观测站，激光雷达与其他气象仪器相结合，能够提供更全面、准确的气象信息。

11.2 环境研究

在环境研究中，激光雷达可用于监测大气污染物的浓度和分布，评估空气质量。差分吸收激光雷达（DIAL）可以测量特定气体的浓度，如臭氧、水汽等，有助于研究大气化学过程和气候变化。此外，激光雷达还可以用于监测森林植被的结构和生物量，为生态环境保护提供支持。

11.3 航空航天

在航空航天领域，激光雷达可用于飞机的导航和避障，以及卫星对地球表面的观测。机载激光雷达可以实时获取地形信息，帮助飞行员避开障碍物，提高飞行安全性。卫星搭载的激光雷达可以对地球进行全球尺度的观测，获取高精度的地形数据和大气参数，为地球科学研究和资源勘探提供重要支持。

12. 激光雷达技术的未来发展趋势

随着科技的不断进步，激光雷达技术也在不断发展和创新。以下是一些未来的发展趋势。

12.1 更高的分辨率和精度

未来的激光雷达将朝着更高的分辨率和精度发展，能够更准确地检测和识别目标。这将有助于在更复杂的环境中应用激光雷达，如城市环境中的目标识别和自动驾驶中的障碍物检测。

12.2 多传感器融合

将激光雷达与其他传感器如摄像头、毫米波雷达等进行融合，能够充分发挥各传感器的优势，提高系统的整体性能。例如，在自动驾驶领域，多传感器融合可以提供更全面的环境信息，提高自动驾驶的安全性和可靠性。

12.3 小型化和低成本

为了满足更多应用场景的需求，激光雷达将朝着小型化和低成本的方向发展。小型化的激光雷达可以更容易地集成到各种设备中，如无人机、机器人等。低成本的激光雷达将降低应用门槛，促进激光雷达技术的更广泛应用。

13. 总结与展望

激光雷达作为一种重要的主动遥感技术，在地球观测、气象监测、环境研究等多个领域都发挥着关键作用。通过不断改进技术和优化操作方法，如提高信噪比的偏振鉴别技术，激光雷达的性能得到了显著提升。

然而，激光雷达技术仍面临一些挑战，如气象条件的影响和自动化实现的难度等。未来，需要进一步研究和创新，以克服这些挑战，推动激光雷达技术的发展。

随着科技的不断进步，激光雷达有望在更高分辨率、多传感器融合、小型化和低成本等方面取得突破，为更多领域带来新的应用和发展机遇。相信在未来，激光雷达将在推动科学研究和社会发展中发挥更加重要的作用。

以下是激光雷达技术发展的简单时间线：

timeline
    title 激光雷达技术发展时间线
    1949 : 首个激光雷达系统问世
    1960 : 激光的发明带来激光雷达变革
    2004 - 2006 : 偏振鉴别技术相关研究开展
    Future : 更高分辨率、多传感器融合、小型化和低成本发展

同时，为了更直观地对比不同类型激光雷达的特点，我们再次列出表格：
|激光雷达类型|基于过程|波长|目标|平台|配置|其他|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|瑞利|瑞利散射| - |风、平流层、中间层后向散射|地面、机载|单基地| - |
|米氏|米氏后向散射| - |气溶胶、云、对流层|地面、机载、星载|单基地（双轴和同轴）| - |
|拉曼|拉曼散射|单波长、多波长|气溶胶、水汽、对流层、平流层|地面、星载|单基地| - |
|DIAL|差分吸收| - |臭氧、湿度、气态物质、对流层|地面|单基地| - |
|荧光|荧光| - |风/热通量、中间层|机载|单基地| - |

总之，激光雷达技术前景广阔，值得我们持续关注和深入研究。