Transcript 主动光电探测及其大气遥感应用－介绍

主动光电探测及其大气遥感应用
中国科学技术大学地球和空间科学学院
孙东松
课程介绍
主动光电探测及其大气遥感应用
– 主动光电系统
• 主动－－人造辐射源
– 激光：固体激光器、半导体激光器、气体激光器、燃料激光器等
• 被动－－自然辐射源
– 日光，月光，物体热辐射等
• 光电探测－－光电转换、电子学处理
– 光电探测器：红外探测器、可见光和紫外探测器、CCD等
– 可以用于主动系统和被动系统
– 主动激光大气遥感
• 激光与大气粒子相互作用
• 激光在大气中的传播
• 大气参数探测技术
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主动光电探测及其大气遥感应用
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《主动激光探测及其大气遥感应用》
是基于激光和大气粒子的相互作用的物理过程，利用激
光技术探测大气参数的空间和时间分布特征，为大气科学研
究、环境科学研究、气象预报、气候预测、空间天气预报等
研究领域提供技术支撑。
特点：
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高空间、高时间分辨率（源于激光的特性）
长期、连续观测（遥感探测手段的特点）
唯一探测手段（现有技术条件下，限于部分参数）
支持地基、空基、星载平台
局地、区域、全球探测范围
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•
限于全天时观测（光学遥感的天气条件限制）
维护成本比较高或工作环境要求较高
技术先进但是技术成熟性相对较低
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主动激光探测系统的基本构成
• 激光发射机
• 收发天线（光学）
– 望远镜
• 接收机
– 光学接收机
– 光电转换
– 电子学处理系统
激光雷达接收机
参
数
反
演
电
信
号
处
理
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光
电
转
换
光
学
接
收
机
接
收
信
号
发射激光
云
时间
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课程学习内容
• 光电转换探测器
– 光电探测器
– 光电探测模式
– 光电探测系统的信噪比
• 激光在大气中的传输
– 大气吸收
– 大气散射
– 激光在湍流大气中的传
输
– 大气背景噪声
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• 激光雷达在大气遥感
中的应用
– 激光雷达原理
– 大气参数探测
– 激光雷达系统
• 相关基础知识
– 数学软件：Mathcad，
Matlab，Mathematica
– 激光技术
– 雷达原理
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课程内容介绍
• 光电转换探测器
– 半导体光电器件
• 应用分类
– 单元器件：高能粒子探测、UV、可见光、近红外、红外
– 成像器件：1D、2D
– 位置器件：离散探测器、非离散探测器
• 特点
– 体积小、响应面积相对较小、响应速度快、线性动态范围小、内增
益小、输出信号相对弱
– PMT光电倍增管
• 应用分类
– 单元器件：高能粒子探测、UV、可见光、近红外
– 成像器件：1D、2D
– 位置器件：离散探测器
• 特点
– 体积大、响应面积大、响应速度1ns左右、线性动态范围大、增益大、
输出信号强
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– 热效应探测器
• 应用分类
– 测辐射热计
– 热释电
– 热伏效应
• 特点
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响应速度慢
大面积响应
受环境温度影响小
主要用于激光功率和能量计、温度传感器
– CCD器件介绍
• 基本工作原理
• 极限性能
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• 光电探测模式
– 直接探测
•
光信号直接入射到光电探测器上，探测器输出与光辐射强度相
对应的电流或电压。直接反映来自光源的光强度（调制）信息
–
直接探测系统的距离方程
– 外差探测
•
利用相干光作为载波，携带振幅、频率、相位信息。解调时采
用光波相干理论
–
–
特点：可以携带目标的全部信息。
光外差探测的实现条件
• 光电探测系统的信噪比
– 信噪比概念和计算
– 噪声类型及其估算
– 信噪比的改善技术
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• 激光在大气中的传输介绍
– 激光大气气体吸收
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吸收系数、光学厚度、光谱透过率
吸收函数、总吸收
单吸收线：
大气气体吸收谱线
– 激光大气散射
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大粒子散射（米散射）
分子散射（瑞利散射）
大气气溶胶光学模型
云和雾散射
– 激光在湍流大气中的传输
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一般介绍
激光束的湍流展宽
激光束相干场的畸变
激光束的强度起伏
– 大气光学背景噪声
• 大气背景辐射的一般描述
• 太阳辐射背景
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• 激光雷达在大气遥感中的应用
– 激光雷达原理
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激光雷达方程：点目标、线目标、面目标、大气探测
几何重叠因子（overlap），激光雷达盲区
大气透过率
收发光学结构
– 大气参数探测
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气溶胶和分子特性参数
温度探测
湿度或水汽探测
风探测
压力探测
– 激光雷达系统（系统案例分析）
• Mie散射激光雷达
• 瑞利散射激光雷达
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Raman 散射激光雷达
Doppler 激光雷达
Na层探测激光雷达
水汽激光雷达
相干激光雷达
星载激光雷达
• 相关知识
– 数学模拟方法
• 软件：MathCAD, MatLab, Mathematica任选其一
• Monte Carlo方法介绍
– 雷达原理
• 自学
– 激光原理和激光技术
• 自学
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课程安排
• 第一部分
– 讲解为主
– Hamamatus或PerkinElmer公司产品举例分析
• 第二部分
– 讲解为主
– 辅助自学
• 第三部分
– 具体系统分析：各种功能的系统介绍和参数分析
– 系统设计举例：系统设计方法、参数选取和元器件分析
– 独立系统设计：参数提出方法、方案确定、技术方案分析
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参考资料和书籍
• 主要参考书
– 《光电探测技术与系统》，付小宁，电子工业出版社
– 《Laser beams in the atmosphere》，V. E. Zuev
– 《Laser remote sensing》，Takashi Fujii（电子版）
• 其它参考资料
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Mathcad or Matlab or Mathematica技术资料
《激光原理》，自选
《雷达原理》，自选
《概率论》，自选
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