基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统设计

康翔宇，郭 骥，曾祥堉，郭未宽，柯贤文，高秀敏

（1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海犀锐仪器仪表有限公司，上海 201803；3.航天恒星科技有限公司，北京 100095）

引 言

近年来，关于大气气溶胶的检测越来越引起科研人员的注意。大气气溶胶是指由大气介质和悬浮于大气中的固体或液体所组成的多相体系[1]，它主要来自人们生产活动中对石化能源的燃烧和使用。借助大气气溶胶可以检测大气环境状况，同时也与人类的健康息息相关[2-3]。激光雷达可以通过大气中的分子、粒子或气溶胶颗粒对激光的散射来遥感探测大气，获得大量的大气信息[4]，具有探测范围广、实时性好、空间分辨率高等优点[5]，可以很好地适应大气探测的高动态范围的特点。

早在20世纪60年代，国内外就已经开始对米散射激光雷达开展研究并取得一定的进展。1962年，Smullin等将激光器用到大气探测领域，并研制出了世界上第一台米散射激光雷达[6]。1963年，Ligda也研制出了用于对流层大气探测的米散射激光雷达[7]。1966年，中科院研制出了中国第一台红宝石米散射激光雷达，用以对气溶胶相关参数进行探测[8]。2015年，西安理工大学激光雷达研究中心的研究人员搭建了多波长米散射激光雷达系统，用于气溶胶全天时的探测[9]。2017年，王强等基于腔减相移光谱（CAPS）技术搭建了一套基于CAPS技术的连续测量大气气溶胶消光系数的监测系统，有效光程约为4.4 km[10]。2018年，叶志斌等基于光腔衰荡光谱技术搭建了一套测量大气气溶剂消光系数的探测仪器，并根据不同浓度的NO2气体对532 nm激光有不同的吸收系数，实现了对消光仪准确性的验证[11]。2020年，么嘉棋等提出一种基于表观地表反射率的云检测算法，并对ICESat-2云检测及其相关算法流程进行详细梳理[12]。

本文设计了基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统，该系统的组成部分包括激光发射装置、散射光采集装置以及信号处理和分析系统。采用优化光学设计来提高检测系统的回波信号强度，同时优化硬件系统结构，使得激光器和望远系统共轴，有效接收回波信号，达到增强信号的目的。该检测系统的最大探测距离为5 km，具有高的返回信号强度和低的杂散光干扰。

1 大气气溶胶检测原理

激光雷达发射激光束与大气发生相互作用，激光束能量会不断地衰减，同时会反射回波信号，并被激光雷达的接收系统接收。激光雷达接收经大气散射后的回波信号[13]可表示为

式中： λ0为激光束波长；E0为单激光脉冲功率；z为激光发射(系统)的距离；S(z) 为z处激光束的截面积； α λ0,z′为z处的大气气溶胶的消光系数； τ 为单一激光束的脉冲宽度。

若大气气溶胶离激光雷达接收装置的距离为z1，接收到的散射体的散射截面为 β (z1,z,θ,λ0,λz) ，则接收到的散射辐射强度为

式中： λz为激光束在z处的波长；V(z1,z) 为散射介质在接收视场中被激光照射的体积。

若激光雷达接收系统的面积为A，则激光雷达的接收功率为

式中：T为激光雷达接收系统的光学效率。激光雷达的接收功率由此可转换为

对于发射单激光束的米散射激光雷达接收系统，式（4）中的参数可以作以下处理，即 λ0= λz，光速），则激光雷达的接收功率可表示为

式中:CA为激光雷达的系统常数，可表示为

通常，米散射激光雷达的接收功率可表示为

式中： β1(z) 、 β2(z) 分别为 距 离z处的气溶胶和空气分子的后向散射系数；分别为距离z处的气溶胶和空气分子的消光系数。

2 米散射激光雷达系统设计

根据米散射原理，设计并搭建了米散射激光雷达系统。系统包含激光发射系统，散射光收集系统，信号处理和分析系统三个部分。同时设计了一个可调节的固定装置用来固定激光器和望远系统，通过调节该装置使发射系统和接收系统同轴，从而提高对低层大气和盲区的探测能力。系统组成如图1所示。

图1 米散射激光雷达系统示意图Fig.1 Schematic diagram of Mie scattering lidar system

激光光源采用型号为AO-V-532的Nd:YAG固体绿光激光器，其输出波长为532 nm。532 nm的激光器造价是同类激光器中最常见最便宜的，且532 nm光为可见光，利于实验阶段的光学调试过程。此激光器的脉冲能量为16 μJ，光束发散角为0.7 mrad，重复频率可调，输出光斑直径为3 mm。散射光收集装置采用大口径光学望远系统，是型号为LX-200-ACF10的折反射式天文望远镜，为了让反射光线、汇聚光线在焦点处的成像效果更好，采用的是马克苏托夫-卡塞格林望远系统[14-15]。信号处理和分析系统部分采用了电压输出型的测光探测器CH253，CH253由侧窗型光电倍增管、电源电路和放大电路组成。光电倍增管适合探测可见和紫外光谱波段[16]，其产生的电流信号经I-V变换放大后变为电压信号。测光探测器可以采用电阻调节或电压调节方式控制增益。光电倍增管的放大增益由控制电压调控，最大增益可达106。系统的具体参数如表1所示。

利用Zemax制作了一套折反射式的光学结构，如图2所示。该光学系统由弯月镜、主反射镜、次反射镜、可调光阑、两个平凸透镜、滤光片等组成。光学系统中多加了一片弯月透镜用于辅助校正系统的球差，通过优化系统像差，并将次反射镜与弯月镜第二面合并。次反射镜的曲率半径与弯月镜第二面的曲率半径一致，并在弯月镜的第二面的中心区域镀膜，使该区域作为次反射镜，提高了系统装调的简便性。激光雷达系统发射激光到大气层，经大气气溶胶颗粒散射后的光束经过一个多层镀膜弯月镜后进入光学系统，再经过主反射镜和次反射镜后聚焦到可调光阑处，然后平凸透镜将光束准直进入滤光片，最后由平凸透镜将光束聚焦于光电倍增管PMT的光敏面上，实现对大气气溶胶的检测。

3 大气气溶胶检测实验

根据图1搭建了大气气溶胶检测实验平台，如图3所示。实验过程中，脉冲激光器产生的激光射向大气中，经大气颗粒散射后的光被马克斯托夫-卡塞格林望远系统接收，此光通过光路处理系统聚焦到光电倍增管（PMT）上，最终将光信号转换为电信号，进而进行下一步分析。

为了解决现有激光雷达白天回波信号弱、杂散光强和信噪比低等问题，本文通过滤除杂散光和增强回波信号强度的措施来解决。

表1 米散射激光雷达系统参数表Tab.1 Mie scattering lidar system parameter

图2 Zemax 设计的卡塞格林望远系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the Cassegrain telescope system designed by Zemax

激光雷达的使用时间绝大多数都在白天，而白天太阳光强烈，会使接收系统产生一个强烈的干扰信号。本文使用的激光波长为532 nm，而且太阳光是全光谱且能量很强。由此本文设计了滤光系统，对接收系统接收到的光信号进行滤波，将非532 nm的光滤除，从而降低噪声信号的强度。滤光系统实物如图4所示。

图3 米散射激光雷达检测装置图Fig.3 Mie scattering lidar detection device

图4 滤光系统实物Fig.4 Image of filter system

图4中与PMT模块相连接的镜筒就是本文的滤光系统，里面包含两块透镜和一块滤光片。滤光系统能将望远系统接收到的光信号进行滤波并聚焦到PMT模块的感光面上。如图5是PMT检测到的信号，（a）是没有加滤光系统时PMT输出的电压信号图，其电压约为4 V，（b）是在PMT和望远接收系统之间加装滤光系统后PMT输出的电压信号图，其电压变为0 V。由此说明，滤光系统可以很好地滤除其他杂散光的影响。

本文通过两种方法来增强回波信号：1）对出射激光进行扩束；2）使激光器与望远接收系统共轴。

图5 PMT 输出Fig.5 PMT output

1）对出射激光进行扩束。因为激光器的准直性很好，能够在很远的距离内保持光束不发散，而激光雷达系统中激光不发散会使散射回来的激光信号很少，因此本文设计了一个扩束镜，对出射激光进行扩束，扩束比为10。将发射的激光直径由原来的0.82 mm变为8.20 mm，使得激光能有更多散射光返回而被接收系统收集到。

2）使激光器与望远接收系统共轴。激光雷达测量的距离都是在千米以上，而望远接收系统的视场角有限，如果激光器与接收系统不共轴，就会因一个很小的偏离角而使望远系统接收不到从大气中返回的激光散射信号。所以本文设计了一个可调节的激光器底座，将该底座固定在望远镜的镜筒上，通过调节底座实现激光器与望远接收系统共轴。

扩束装置和固定装置如图6所示。

激光器与望远接收系统共轴调整前后的信号如图7所示：（a）是未调节共轴系统的情况，未检测到经过大气气溶胶颗粒反射后的回波信号，此时只有背景噪声信号，噪声信号的幅值在1.2 mV左右；（b）是经过共轴调节后的情况，产生的周期脉冲型回波信号被采集并显示到示波器上，采集到的回波信号强度更强，信噪比更大，此时信号的幅值在1.2 V左右，是背景噪声幅值的1 000倍。通过这种方式可以采集到大气气溶胶数据，同时因获得了高质量的回波信号可为后续的处理算法降低了难度，从而间接地降低了检测成本。激光雷达系统的难点就在于对滤光后的激光脉冲信号的检测，本文通过设计的扩束装置对发射激光进行扩束，并通过调整固定装置使得激光器与望远接收系统共轴，从而接收到高质量的回波信号。

图6 固定装置与扩束装置实物图Fig.6 Image of fixture and beam expander

图7 经过滤光系统后 PMT 输出对比图Fig.7 Comparison of PMT output before and after filtering system

4 结 论

本文基于米散射理论，设计了一套激光雷达大气气溶胶检测系统。该系统包含激光发射系统，散射光收集系统以及信号处理和分析系统。所用的探测光源为532 nm的脉冲激光器，通过对光束进行扩束，调整激光器与望远接收系统共轴来增强回波信号强度，得到了高信噪比的回波信号。本文设计的系统解决了激光雷达返回信号收集时噪声信号过大和激光信号强度过低的问题，大大降低了后续硬件设计和算法的难度，使得测得的气溶胶数据更加准确。本文可为大气气溶胶检测提供参考。