激光遥感技术及其应用

1、激光遥感技术及其应用王建宇中国科学院上海技术物理研究所，摘要：自从1960年人类利用红宝石研制出第一台激光器以来，激光以其单色性、高亮度和良 好的方向性的特点，广泛的运用于测距，测速，大气研究，海洋研究，军事等领域。由于通 过激光技术既是一种主动遥感技术，还可以同时获得地球表明的空间特征和物理特性，具有 被动光学遥感无法替代的作用。近年来，随着激光技术的水平不断发展，激光技术被越来越 多地应用在空间遥感中。本文将介绍激光技术在空间卫星平台和航空机载平台中的主要应用 和激光遥感技术的发展趋势。遥感激光技术激光雷达激光雷达(lidar)是一种主动式的现代光学遥感设备，是传统的无线电或微波雷达(ra

2、dar) 向光学频段的延伸。由于所用探测束波长的缩短和定向性的加强，使激光雷达具有很高的空 间、时间分辨能力和很高的探测灵敏度等优点，被广泛地应用于对大气、海洋、陆地和其他 目标的遥感探测中。一、激光主动遥感关键技术进展光源的进展CO2激光器是最早用于激光雷达的光源，输出功率大，转换效率高，连续输出功率为数 十瓦至万瓦，脉冲输出功率为数千瓦至105瓦，电光效率15%20%，为适应空基雷达的需 要，目前CO2激光器向高可靠、小型化方向发展，进展可喜。英国DERA研究的空腔波导集 成光学系统，美国弹道导弹防御组织(BMDO)的超小型锁模CO2激光雷达。Nd:YAG (Nd:YLF)是目前雷达中使用

3、最多的激光器，如果探测地物反射回波，激光器 工作在1064nm或1053nm波长，如果探测地物荧光回波或用于水下探测，激光器工作532nm 或527nm波长,这些是激光三维扫描成像系统的常用光源。主要以二极管泵浦为发展主流。 Nd:YAG (Nd:YLF)激光器泵浦KTP或KTA晶体的参量振荡器输出1.5rm激光也应用较多。钛宝石激光器因具有波长调谐功能，在激光雷达中得到新的应用。半导体激光器像GaAs,因为它体积小，重量轻，效率高也很受重视。其缺点是光束质 量较差，功率有待提高。日本的专家提出采用掺铒光纤激光器波长1.5um1.6um,也是很有吸引力的。比如多 个光纤激光器输出形成光束阵列(

4、不必使用分束器就能实现推帚式扫描)。钕：光纤激光器 的工作波长1.06nm很受关注。NASA的学者研究二极管泵浦的Ho,Tm:YLF波长2.0um激光器，这种光源对人眼更安全， 大气散射更小，被称为“未来之光”。探测器的进展为适应光源的变革，除了经典的光电倍增管，探测器的研究也有新的进展。如果激光 是1064nm(1047nm)或532nm(523nm)，探测器为Si /APD，这是最成熟的器件；如果激光 波长1.5 um -1.6um,探测器选InGaAs / APD如果激光波长2.0um,探测器选InGaAsSb / APD。这些器件由单元器件，发展到线阵和面阵器件；工作模式由线性模式发展

5、到Geiger 模式。国际上主要的研究机构有PerkinElmer公司和日本滨淞光子公司ICCD已经直接用 于雷达回波探测。InGaAs和HgCdTe的焦平面器件被新型的激光成像遥感系统所采用。二、激光主动遥感主要应用领域一）激光遥测距离、速度、跟踪最成熟和最经典的测距方法是脉冲测距和相位测距。脉冲测距是通过直接测量激光脉冲的往返传播时间进行测距的。激光脉冲的往返传播时 间由距离计数器测量。距离计数器的开门信号为激光主波采样信号，对应的关门信号为激光 回波信号,激光脉冲往返时间根据计数器在开、关门信号之间及数值求的.由上述测量原理可知，时间间隔测量精度主要取决于距离计数器的时间分辨率和主、回

6、波出发点的一致性。距离计数器的时间分辨率由时标振荡器（晶振）频率决定主、回波出发点的一致性取决于时间触发方式和激光脉冲波形稳定性。时间触发方式主 要有恒定阈值触发方式、恒比定时触发方式和波型数字转换方式三种。相位测距通过强度调制的连续光波在往返传播过程中相位变化来测量光束的往返传播 时间，其计算公式如下，R = C- = - （1）;为调制光波的相位变化（rad）, f为调2 2Rf 2 2兀制频率（Hz） R为目标至参考点距离（m）；c为光速（m/s）；力为调制波波长（m）。相位位移是以2兀为周期变化的，因此有中=（N + ）. 2兀式中N为相位变化整周期数;An _ 入为相位变化非整周期数

7、.R =砂+ n），式表明，只要测出发射和接收光波的相位差，即 可得到目标距离.因此相位测距可理解为以调制光波半波长为测量尺度”的距离测量方法。回波的多普勒频移量扬与目标的径向速度、成正比，因此，通过测量多普勒频移可得 到目标的径向速度，激光多普勒频移可通过光夕外差技术测得，其原理和相干测风雷达相似。f =巴膈人近年来激光雷达借鉴了微波雷达的一些信号处理的方法，发展了脉冲压缩和连续波调频 等激光调制和信号处理的体制测距。由激光器分出一束宽脉冲光束，通过调制器将线性调频的激光束发射出去，回波信号与 未经调制的固定频率本振光混频后，经匹配滤波器对信号进行压缩，变成一个幅度增大的窄 脉冲，接下来和脉

8、冲测距同样方法得到距离，它的特点是发射宽的光脉冲，回波处理后得到 的是窄的电脉冲，目的在于缓解探测能力和距离分辨率的矛盾；连续波调频，是发射激光的 频率随时间是线性（三角形）变化，经过一段时间的飞行，回波激光相对于本振激光就有了 频率变化，两者相干混频，得到的中频信号，中频信号频率跟距离成正比，由频谱分析得到 距离和速度。图1测距、测速和跟踪综合系统激光跟踪时，光电探测器采用四象限结构，即四块性能相同的扇型光电二极管各占一个 象限拼成圆形结构。当回波光束的光斑均匀照射每一个象限时，方位和俯仰误差信号为零; 当光斑位置偏离时，给出相应的方位和误差信号，通过伺服系统调整接收望远镜对准目标， 实现目

9、标跟踪。从雷达座上的经纬刻度就能读出目标的方位角和俯仰角。美国机载门警TBM激光雷达采用了人眼安全的激光波长。使用的是Nd： YAG激光泵浦KTP 0P0，它的输出波长为1.57um，脉冲能量为600mJ。激光接收机使用InGaAs APD和窄带滤光 片。门警系统激光雷达负责导弹测距和跟踪。由美国航空航天局Goddard空间飞行中心（GSFC）组织研发，于1996年11月7日升天的火星 勘探号（Mars Global Surveyor,MGS）宇宙飞船携带了一个遥感设备M0LA2。设备是一个 激光测高仪，其距离分辨率37cm，能够以300m的间距分辨率探测火星表面的轮廓M0LA 一2系统的主要

10、技术参数为：轨道高度600km；重量25. 85kg；功耗34. 2W；激光器Nd： YAG1064nm；脉冲宽度5ns；单脉冲能量48mJ 10Hz；光束发散角0. 4mrad接收部分500mm卡塞格林望远镜；视场角（F0V） 0. 85mrad；光电转换器件硅雪崩光电二极管电路部分微处理器80C86：时钟计数频率100MHz：滤波通道宽度20ns、60ns、180ns、540ns；距离测量分辨率37. 5cm；数据率618bps（连续）精度指标垂直分辨率37.5cm；绝对精度10m （取决于飞船轨道的重建精度）；二）大气遥感激光雷达相对而言，激光雷达最适合用于对大气的探测与研究。用于大气遥

11、感的激光雷达是历史 上出现最早的激光雷达。下面的表格给出了激光与大气粒子相互作用的效应，大气雷达正是 利用这些效应来工作的。表1激光与大气介质相互作用的典型截面数值与相应可探测大气成分（入。为入射波长，入r为散射波长）作用过程介质类型波长关系作用截面（ccm2/sr）可探测大气成份Rayleigh 散射分子入尸入010-27大气密度、温度Mie散射气溶胶入尸入010-26-10-8气溶胶、烟羽、云等Raman散射分子入rU10-30 （非共振）温度、湿度（h2o）等高层金属原子和离子Na+、共振散射原子、分子入尸入010-23-10-14K+、Ca+、Li 等荧光散射分子入rU10-25-10

12、-16污染气体(so2, no2, o3, I2)吸收效应原子、分子入尸入010-21-10-14痕量气体（o3, so2, no2多普勒效应原子、分子入之入0风速风向2.1 Mie散射激光雷达和气溶胶探测大气中的各种固态和液态气溶胶粒子，包括尘埃、烟雾、云层等与激光的相互作用主要表 现为Mie散射。Mie散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长相近或比入射波长更大。 Mie散射的辐射波长与入射波长相同，散射过程中没有光能量的交换，称为弹性散射。散射过 程中，粒子将入射光向四周的散射并不是均匀的，粒子越大，向前散射大光越多而后向散射光 越少。大气探测激光雷达的回波就是这种后向散射光所形成。Mi

13、e散射的截面与许多因素 有关，如散射粒子的尺寸、形状、组成等，与入射光波长的关系也不固定（通常可认为1-2次 方成反比），这些都使得Mie散射截面的理论处理较为复杂。Mie散射激光雷达是一种用于探测30km以下低空大气中的尘埃、云雾等气溶胶粒子的 激光雷达。大气中的这些气溶胶粒子对激光的散射机制为Mie散射，Mie散射具有较大的散 射截面，使Mie散射激光雷达的回波信号通常较大。1992年出现的一种微脉冲激光雷达是对流层Mie散射激光雷达的新发展。该激光雷达 由美国NASA研制，现由美国SESI公司批量生产。其特点该为采用低能量（微焦尔级）、高重 复率（千赫兹）、全固体化脉冲激光器，并采用收、

14、发公用光学系统。该激光雷达不仅实现了 小型化、自动化、高可靠，而且达到了人眼安全标准，缺点是不具备扫描功能。Mie散射激光雷达用得最多、最成熟工作波长是532nm/1064nm, 2004年美国科学家建 立了基于Nd:YAG激光器泵浦甲烷的stokes频移1543nm的Mie散射激光雷达，它的优点在 于人眼安全，易于将Mie散射和Rayleigh散射分开，利于探测大颗粒子。Mie散射用于云层的探测，云顶高和云层厚的测量，对于沙尘的探测比较擅长。2 Rayleigh散射激光雷达和中层大气探测Rayleigh散射大气分子对激光束的散射截面与波长的四次方成反比，称之为Rayleigh散射，散射波 长

15、与Mie散射相同。Rayleigh散射激光雷达主要用于中、高层大气的探测。Rayleigh散射激光雷达技术特点:大的激光雷达配置;短的工作波长;小的接收视场和 光束发散;严格的发射和接收准直；光子计数检测方式;低空强回波干扰抑制；检测动态范围 扩展。主要应用:分子密度廓线的探测;温度廓线的探测；中层大气重力波的探测。v,zP（R） - R 2分子密度N（R）= 式中P（R）表示激光雷达接收到高度R处的回波功率，KK 。-T2（R）表示所有与激光雷达参量有关的常数。该常数对某指定的激光雷达而言为定值，且在整个探 测过程中保持不变。bm为大气分子的Rayleigh散射截面，在激光波长确定的情况下，

16、可视 为常数。2.2 Raman激光雷达和大气组分探测相对于Mie散射和Rayleigh散射，Raman散射强度弱很多，Raman散射的波长不同于散 射波长，与散射气体的种类有关，因此它可以用来区分成份；Raman激光雷达关键技术:很强的Mie-Rayleigh散射抑制，减小其对回波的干扰;高的 光谱分辨能力，以利于和其他气体区分出来。主要用途:湿度廓线（接收水汽振动Raman散射回波）的探测;温度廓线的探测（接收氧 气和氮气转动Raman散射回波）；气压和大气密度，近距离大气污染气体的探测等。2.3差分吸收激光雷达和大气微量组分探测激光脉冲在大气层中行进一方面被气溶胶和气体分子散射，另一方面

17、还被大气物质吸 收，而本系统所提取的信息正是表现为被测气体对激光脉冲能量的吸收。在差分吸收探测系 统中，既利用气溶胶和气体分子散射而形成的回波，又利用气体吸收而获得被测气体的信息。 其吸收信号的强弱反映了被测气体浓度的大小。为了尽量排除其他各种因素的影响，以获得 准确被测气体的吸收信息，在该系统中采用两束波长相近的发射激光束。其中一波长选在被 测气体吸收谱峰的中心，吸收较强；另一波长选在吸收谱峰的外边，使其受到的吸收较小， 比较两种回波的差异，通过数值分析得到被测气体的浓度。差分吸收激光雷达技术特点：双波长发射,双波长接收；目前国际上已有基于钛宝石激光器和染料激光器的差分吸收雷达探测SO2,

18、no2, o3,以及 基于Ho,Tm:YLF2.0 u m激光器探测CO2气体，都取得了较大成功。军事上用来测生化毒剂。大气激光雷达的一个发展趋势是，利用共同的激光器和共同的望远镜，同时利用多种激 光大气效应，从回波中分离提取多种信号，获得多个大气信息，可称之为综合性大气激光雷 达。2005年德国的科学家提出四维综合性激光大气雷达（Mie散射测气溶胶,Rotational Raman 散射测温度，差分吸收测水汽）如下图所示。L1PMT2PMT3Rotational Raman 2telEEinr sign sis:telEEinr sign sis:三）激光测风雷达3.1相干多普勒（光外差）激

19、光雷达相干探测采用种子注入、半导体激光泵浦Tm,Ho:YLF激光器，工作波长2.05um，探测 器InGaAsSb四元雪崩二极管，相干外差鉴频。气溶胶的后向散射光频率为v s，作为参考信号的本振光频率为v L （即发射光频率）， 气溶胶的后向散射光与本振光同时投射到光电二极管表面，产生相干叠加（混频），然后输 出差频为v -v的射频电信号及直流分量，经过中频放大器和鉴频器，最后获得所需的多S L普勒频移Av大气气溶胶的后向散射和本振光均为平面/相干/偏振光，且相互平行并垂直投射到光 电探测器表面，则混频后的电场为E（t） = E 0 cos（2兀v 了 -甲） + E0 cos（2兀v 了 +

20、甲）根据光电探测器的平方律特性，探测器的输出电流为：i = a0E2（t），它是若干个光 波周期求平均，i = a02E2 + 2E2 + EoEcos2兀（v, v）t + （中，f）上式所表示的差频后电流信号，进中频放大器放大后可滤去支流分量，并获得中频电流信号，i = a0E“Ecos2兀（v，v）t + （R 一甲）于是，再经过鉴频器最后可获得多普勒频移Av =v，-v气溶胶后向气溶胶后向多普勒频移.鉴频器2非相干多普勒（光谱分析）激光雷达直接探测采用种子注入、半导体激光泵浦Nd:YAG激光器三倍频355nm。接收到的回波 采用双F-P干涉仪利用双边缘方法确定Rayleigh散射频移，

21、探测器采用光电倍增管，并且 比较两个通道信号的大小；采用条纹图象检测技术确定接收到的回波Mi散射多普勒频移， 条纹图像技术通过多通道CCD探测器采样接收信号的有用光谱间隔，通过计算光谱峰偏移获 取多普勒频移。（1）双边缘技术Fabry-PerFabry-Perot etalcn图2 F-P干涉仪结构两个F-P干涉仪透过率曲线的中心频率位于Rayleigh散射谱的两翼，在无多普勒频移时， 落入两个信号通道的强度相同；在有多普勒频移时，两个通道的信号强度发射变化，一个变 大，一个变小，比较它们的大小，将两个通道信号之差除以两个通道之和就可以得到多普勒 频移量。为了得到上述的频谱结构，可以采用如图3

22、所示的F-P干涉仪结构。将干涉仪分割 成两部分，它们的腔长存在着一个微小的差别，以形成中心频率上的差异，然后在光出射端， 将这两路光束分别照射不同的探测器。由于两个平板固定在一个极板上，消除了由于振动和 热效应引起的两个通道中心频率间隔的漂移。F-P干涉仪的一个平板上镀同种厚度的薄膜， 另一个平板上镀两种厚度的薄膜。（2）干涉条纹图像技术Fizeau干涉仪也由两块光学平板组成，但彼此之间以一定的微小楔角分开，形成 楔楔形空气隙。入射光在通过两个平板间楔形空气隙后，沿楔角方向产生干涉条纹，如图5。Fizeau楔角干涉条纹强度分布可以采用函数描述，(1Fizeau楔角干涉条纹强度分布可以采用函数描

23、述，(1-勺1 2 R cos) + R 2式中，为平板内表面的反射率，4为相位因子，它与平板间隔d及入射光频率v之间的关系为= 4兀dv /C，可见干涉条纹的空间位置与回波光频率有关，当发生多普勒频率移动时，干涉条纹的空间位置随之发生移动，可由干涉条纹移动量反演风速。干涉仪要放置在恒温装置 中。Zercdur Ep&?ing光束准直处咛标准具洲科Zercdur Ep&?ing光束准直Fi崩m干样仅结构筒图欧空局（ESA） 已经全面启动全球第一台星载测风激光雷达计划（ADM-Aeolus计划）， 计划2008年发射，ESA的直接探测激光雷达准备采用条纹图像技术，准备采用三 倍频的Nd： YAG

24、，平行平面FP标准具和Si-CCD探测器。NASA最近的趋向是采用 混合技术测量全球风场，即利用相干技术测量低空大气风场，利用直接探测技术 测量中高空大气风场，混合激光雷达测量大气风场对激光器件和接收光学的要求 将更加严格。四）海洋激光雷达及其在海洋探测中的应用激光海洋探测的物理机制,一般基于瑞利散射、米散射、拉曼散射、荧光、光谱吸收等。 4.1激光测量浅海深度水深测量一般基于浅海、岛礁或者船之无法到达的海域。机载海洋激光雷达可以快速扫 描,获得浅海地貌，测量效率远远大于声纳测量。另外浅海水深测量由于水下目标探测密切相 关，利用水深测量技术可以对水下目标（如潜艇、水雷等）进行探测。假如海表和海

25、底返回脉 冲的时间将额为，则水深就可表示为h = d海表脉冲返回信号通常利用红外光精确2 n定位，一般利用Nd:YAG的1.064um激光测量，这种技术已经较为成熟,水深获取的关键是精 确测量海底脉冲的目标532nm返回信号。影响水深测量的因素很多，除了激光发射功率、光 学接收效率、视场角匹配。还有以下因素对目标信号带来严重干扰：（1）不同水质得到的波形是不同的，消除海水中强烈的海水后向散射一直是激光雷达测深技 术中所面临的关键问题。浅海或沿岸水域富含各类海洋微生物，不仅水体散射增强，而且浮游 植物的存在也吸收了更多的入射光能量，使得散射信号往往比目标发射信号大。因此，浅海深 度测量必须首先对

26、海水的后向散射进行抑制。一般采用光电探测器的变增益方法，对浅水层 后向散射信号采用小增益放大，而对海底或目标发射信号采用大增益放大。（2）海水的衰减系数大，目标信号与海表信号强度差5-7个量级，而一般数字化仪的动态范 围为2-3个数量级，因此对信号的动态范围进行压缩，才能保证对目标信号的有效采集。（3）太阳背景等杂散光对测量造成严重影响,强烈的背景光还会造成光电探测器的疲劳。因 此一般采用窄带滤光片滤除背景光。2海洋Raman激光雷达水是一种似冰的四面体结构，相似水分子的氧原子之间存在一氢原子形成氢键，由氢键 构成的四面体结构的族团不断地生成与消失，随着温度升高四面体结构组团的浓度极少，单 个

27、水分子增多.水的O-H键Raman谱随温度而变化或发生频移，在此基础上可通过测量海水激 光Raman散射谱测量海水温度。激光Raman散射测量海水温度的物理基础可概述为：1）水是由带氢键的族团即大分子和没有氢键的单分子组成2）这两种分子结构的浓度是海水温度的函数3）大分子与单分子OH键拉曼频移是不同的.4）通过拉曼频移谱可测量水中大分子和单分子浓度关系，可反演海水温度 利用激光Raman散射谱分析法提取海水温度信息主要采用以下手段；1）双色比法2）解卷积法3）函数拟合法4.3Brillouin散射激光测量海洋声速抛面声场预报对于海军具有直接的指导意义,对确定潜艇运动和探测潜艇位置具有重要作用,

28、 实时海洋边界层声速抛面的测量对研究海洋混合层和内波过程有重要作用，可以了解海洋混 合层物理参数的季节性变化、动力参数变化.Brillouin散射是一种具有频率偏移的非弹性散射，Brillouin散射频移可表示为： vB =半打（S, T, P）sin（），式中n为海水折射率，电为海中声速，力为入射激光波长，0 九2A为散射角。Brillouin散射频率一般在7-8GHz以内，带宽500MHz.对Brillouin散射频移的测量一般借助于F-P干涉仪，但F-P干涉仪受接收视场角较小， 对环境影响敏感等限制，影响Brillouin散射频移的测量精度。Brillouin散射也可以用来 测盐度4.4

29、海洋Rayleigh激光雷达散射实质上是水分子本身的散射，水分子处于随机热运动状态，不同运动速度的水分子 其散射光的多普勒频移也不尽相同.这种水分子随机运动产生的散射光，其总的效果即是多 普勒展宽，温度越高，分子平均热运动速度越快，多普勒展宽越多。也就是说散射回波相对 于发射激光因海水的热运动而展宽；要从海水多普勒展宽中测量海水温度，测量系统必须具 有很高的光谱分辨率。v 7.16 X 10-7 v, Avj和广分别表示频谱展宽和海水温度do V M d通过高温原子滤波器的光信号与通过低温原子滤波器的光信号均与Rayleigh散射的光谱 积分成正比，其光谱面积可近似看作接收信号的光子数，采用两

30、信号面积的比值可以获得海 水温度。在海洋激光遥感系统中，目前发展最成熟的品种是海洋测深系统。如optech公司与 日本海岸警卫队签署协议，2003年为其研制生产增强型的激光测深系统SHQALS-1000O目 前的SHQALS系统的测量精度已完全能够达到国际海道测量标准规定的一级测量精度 指标要求，测量速率为1000Hz，测量深度为0.1 50米，扫描宽度为航行高度的0.85倍。其他类型的海洋激光遥感系统离实用还有明显距离。五）荧光激光雷达5.1激光测量海洋表层叶绿素浓度海洋叶绿素浓度测量与估计海洋初级生产力，全球通量和众多海洋现象研究密切相关，也 是海洋学家十分关注的问题之一.当激光照射海水中

31、的叶绿素时，其激发的荧光量与其在海 水中的叶绿素浓度有关.因此，直接在现场测量叶绿素分子的激光诱导荧光可以获得叶绿素 分子浓度.5.2海面油膜激光荧光测量海面油膜的形成有两种机制:由于海底油气藏的微渗漏而形成的油膜；由于海面船之油 泄漏等形成的海面油污染.荧光的产生是由于一个荧光物质的分子吸收了一个光子，然后发 射出另一个能量较小的光子.荧光谱分为激励荧光谱和发射荧光谱.不论激励荧光谱还是发 射荧光谱都直接同物质的分子结构相关,因此物质的荧光谱是物质分析的一个重要手段；各 类油的荧光衰减时间谱差别很大，也是一种很好的标识特征。机载的激光雷达将短波激光束 打到海面上，探测油膜的发射荧光谱和荧光衰

32、减时间谱，从而确定油的种类，油膜的厚度。 5.3激光油气探测海洋油气资源遥感遥测的主要方法是探测芳烃化物或烃类指示物的高灵敏度荧光。探测 激光激发的烃类指示物荧光主动系统采用光谱探测方法，以激光为激发光源、光多通道分析 仪即高速光子计数器为探测手段，利用近年来发展起来的人工神经网络技术,来进行海洋有 机物、海面油污染、海底油苗或烃类指示物等激光激发荧光光谱及荧光衰减谱的研究以达到 对不同荧光物质区分探测的目的，特别是标志海底油气藏的油苗或烃类指示物于海面油污染 及其它有机物质的区分识别.这项技术的实现可应用于海油气资源的快速遥测，解决海洋地 球物理勘探的一些困难，具有显著的应用前景。触瓮旧;.

33、X电源触瓮旧;.X电源5.4植被和水体污染的探测森林和植被的激光遥测，预测病虫害，预测农作物产量，受过病虫害的作物和健康的作 物其荧光谱有区别；激光诱导水体荧光探测可以用来测量水污染，回波荧光强度反映污染程 度，荧光谱可分辨污染源种类。5.5金属矿藏的激光探测kasden等于1981年在已知具有二氧化铀离子成2表面矿化区用地基激光雷达进行了荧 光研究.所用发射系统主要为闪光灯泵浦染料激光器，工作波长425nm，线宽3nm，输出脉冲 能量35mJ,脉宽175ns.接收系统18cm反射望远镜即可变通滤波器/单色仪/ PMT探测器， 可探测光谱490-600nm,探测距离32-40m.总体来说，激光

34、荧光雷达发展难度大，难点在于信号弱，干扰多而强，各类物质荧光谱 很复杂，且实验数据积累不足（需要建立各类物质荧光谱的数据库）。因此这类荧光遥感系 统大都没有进入实用阶段。六）成像激光雷达凝视成像与距离选通激光雷达如果使用扩束激光（宽波束）发射光学天线，使目标均匀照射，采用CCD相机或焦平面 阵列探测器接收，很容易获得目标的图像，而目标的距离通过激光调制波的相位来测量，即 构成非扫描成像激光雷达。在距离选通中,照象机的快门打开的时间对于照射物体的激光发 射时间是延时的，并且在很短的时间内打开，在这段时间内激光从物体反射回来.选通开关仅 对激光脉冲反射光到达接收器时才打开.距离选通排除了后向散射光

35、.这种方法，在于摄取到 达相机的从物体反射回的光，并能屏蔽返回光中的散射光子.距离选通的成像系统采用脉冲 激光器和能使像增强的选通ICCD器件或增强型焦平面器件.同步扫描激光成像系统激光器输出光束（窄波束）在靶面上以一维或二维的方式扫描.采用一维扫描方式，通 过平台的运动获得二维信息，探测器是线阵器件.在光栅扫描方式中，光束沿二维扫瞄.探测 器采面阵器件。三维成像系统条纹管成像激光雷达，使用脉冲激光器和时间分辨的条纹管接收器.激光束偏离轴线形 成一个扇形光束，然后使得从光电阴极发出的光电子加速、聚焦、偏离.沿着垂直于扇形光束 的轴上加一个扫描电压来及时控制光束，这样就能得到每一个激光脉冲的距离

36、一方位图像， 采用传统的CCD技术对这些距离一方位图像进行数字存储，使系统的脉冲重复频率与平台的 前进速度同步。推帚式式激光成像，激光束被分束器分成多束，或叫阵列激光束，由飞行器实现一维扫 描，由阵列激光束和阵列探测器本身结构实现另外一维扫描，这种方案,要采用激光分束器和 多路回波并行接收技术。没有运动的扫描部件，其机械和光学设计更简单，机械失效的危险更 小；推帚式激光扫描成像系统可在提高激光单脉冲能量的同时使激光器重复频率大大降低; 同时可以根据需要设计多种地面采样图案，因而可以实现遥感时的非均匀测量，这对未来的 自适应对地观测三维成像中特别有用。并且扫帚式激光雷达成像技术特别适合与推帚式光

37、 电、光谱成像等技术的匹配和图像的配准。下图是美国林肯实验室设计的推帚式成像系统。CollimatedTransmit and目前成像激光遥感系发展较快，品种较多，大多在机载航空领域内使用。比 如美国的optech公司ALTM3100EA,飞行高度80 3500m,最大扫描频率70Hz,发 射激光重复频率30kHz-100kHz，最大偏转25，主要用来地形测绘，已经商业 化销售多台。七）激光雷达新体制7.1相共阵激光雷达是通过一组激光束的相位分别进行控制和波束合成，实 现无机械扫描的一种体制.通过调节从各个相控单元（移相器）辐射出的光波之间的相 位关系，使其在设定方向上彼此同相，产生相互加强的

38、干涉，干涉的结果是在该方向上产生 一束高强度光束，而在其他方向上从各相控单元射出的光波都不满足彼此同相的条件，干涉 的结果彼此相抵消。因此，辐射强度接近零。组成相控单元在计算机的控制下，可使一束或 多束高强度光束的指向按设计的程序实现随机空域扫描。美国自20世纪70年代初开始研究激光相控阵技术并首次用钽酸锂晶体制成 移相器阵列（46元），实现一维相控阵以来，并制成以液晶为基础的二维光学相控 阵样机，阵面4cmX4cm,包括1536个移相器单元.存在的技术难题主要是制造工 艺不成熟、光束偏转范围还比较小（几度）、控制效率低（10%）.但人们希望，相控 阵技术的突破将对高性能激光雷达乃至光电传感器

39、系统产生革命性影响7.2合成孔径雷达成像系统，一般激光发射源与接收装置同在一个运动平台上。在平台 的运动工程中，在某个位置用小孔径天线发射光束对目标进行照射，并对目标回波信号进行 采样，探测器接收来自目标的散射光的强度和相位信息，完毕后移动到下一个位置在进行同 样的探测，如此进行下去直到平台移动整个合成孔径长度，得到一组回波数据。通过对回波 进行综合数据处理，可以得到高分辨率目标图像。相位信息一般采用外差探测。回波信号有 一定的时间延时，相对于参考光有一个附加相位，附加相位包含了距离信息，在探测器上参 考波和回波混频得到一个输出拍频脉冲电流，如果在合成孔径长度内发射M个激光脉冲，实 际探测器输

40、出M个拍频电流，每个拍频与距离单元相对应。对这些采样数据进行离散傅立叶 变换并进行相应的数据处理，便可得到目标区域的高分辨率图像。国际上从事这项研究的机 构有：Naval research laboratory和 Lincoln laboratory 以及 communications research laboratory，合成孔径雷达目前还不够成熟，工程上还需要在以下技术上继续努力：（1）性能优良的激光器，尤其重要的是它的时间相干性要求很高（激光输出频谱很纯）。（2）运载平台的高稳定性，合成孔径雷达采用外差探测，微小的位置偏差或振动造成 严重的相位差。（3）激光发射系统的设计，如何控制光束

41、指向，在扫描模式上合成孔径雷达怎样快速 改变光束方向。（4）更有效的成像算法，对各种由系统不稳定性带来的误差进行补偿。抗干扰技术，如何减小散斑噪声，如何减小大气对光波相干性的干扰。美国自20世纪80年代开展了激光合成孔径雷达概念，并进行了原理试验。试验研究采用重 复频率100Hz的TEA CO2相干脉冲激光器，脉宽为150ns，峰值功率为100kw，以单模工作， 而且频率可调。三、激光主动遥感的发展趋势1）进一步借鉴微波雷达遥感的概念、方法相对于激光雷达而言，微波雷达的发展更成熟、使用面更广，因此，微波雷达的概念、 信号处理的方法对激光雷达的发展具有借鉴作用如前文提到的相控阵、合成孔径等概念就

42、直 接取之于微波雷达；连续波调频和脉冲压缩等信号调制和解调的方法正在被激光雷达所采 用；甚至在海洋激光雷达中，发射时将微波信号加载到激光上，接收到回波后在通过光电器 件变成微波信号加以处理。总之，未来微波雷达的技术和思想进一步渗透激光遥感领域。2）与其他遥感手段的配合、融合，发挥遥感系统的综合优势激光主动遥感与微波遥感、红外遥感之间相比各有优势，微波波束的发散角大，激光发 散角小，因此，激光的精度和角分辨率高，而微波的搜索能力强；微波雷达的电磁干扰敏感， 探测地空目标时，回波信号就被地面的杂波所淹没，激光雷达电磁抗干扰能力强；它们之间 存在着互补性。激光高度计就和微波SAR合在一起用；未来的预警系统倾向于激光主动遥 感和红外系统组合使用，先用红外系统大面积搜索，一旦发现可疑目标则通知激光雷达跟踪、 测速、测距；比如夜晚没有光源照明，热红外成像不能将目标和环境区分开来，如果和激光 主动遥感相配合可以很好地解决这一问题。3）新技术和新器件不断面世，不断改善激光雷达的性能。激光光源的不断进步，比如光纤激光器的功率的提高，阵列半导体激光器的性能的提高， 激光稳频技术的改进；InGaAs和HgC