激光雷达方程的三种解VIP专享VIP免费

1.3.3 激光雷达的基本原理 激光雷达最基本的工作原理与普通雷达类似，即由发射系统发送一个信号，与目标作 用产生的返回信号被接收系统收集并处理，以获得所需信息。不同的是激光雷达的发射信 号为激光束，与普通无线电雷达发送的毫米波相比，波长要短得多。无线电雷达由于波长 长，无法探测小型或微粒型目标，而用于激光雷达系统的激光波长一般在微米量级，因而 能用于探测极细小的微粒和分子。 图1-3 激光雷达原理 Figl-3 Principle of lidar 激光雷达的基本原理如图1-3 所示，由激光器发出一束波长为λ0，宽度为tP 的脉冲,经准直扩束后垂直射入大气，光脉冲在通过大气时受到散射和衰减，其后向散射光被接收面积为Ar 的望远镜系统接收，高度 z 处的后向散射信号功率可用雷达方程表示[36]：  zTzzAr2tczYPzP22p0，，， （1.1 ） 式中，λ为接收到的散射信号的波长，P0 为发射的激光脉冲的峰值功率，Y(z)为发送 器与接收器光路的几何重叠系数，c 为光速，z，为大气体积后向散射系数，zT， 为大气的透过率，由朗伯定律可知:  ’’’，，z0dzz-expzT （1.2） 式中，z，为大气的消光系数。从理论上，z，为大气数密度N (z)与散射截面dd的乘积，即  ddzNz， (1.3) 如前所述，大气中与激光雷达脉冲相互作用产生的后向散射信号成分包括了大气气体分子和气溶胶粒子，由于分子尺寸小，所产生的散射光相对较弱，瑞利散射截面与激发波长的四次方成反比，大气气溶胶粒子对激光的散射光为米散射。对某一激光雷达的特定波长，分子散射直接随着大气分子的浓度而发生变化，但气溶胶散射却很复杂，取决于粒径分布以及气溶胶粒子的折射率。这些气溶胶粒子随地域、时间变化明显，所以无法对其准确估算与预测。而分子散射却可以相对较准确地估计出，只要通过标准大气信息或观测点上空的大气温度、压力分布数据即可获得。 因此，实际大气体积后向散射系数和大气消光系数就包含了两个部分:分子散射部分和气溶胶散射部分，即:  zzzma (1.4)    zmzza （1.5） 下标 a 表示气溶胶，m 表示大气分子。 接收信号如图 1-4 所示，在 0-A 段，发射光束还没进入接收视场，接收不到后向散 射信号，探测到的信号强度为0。在 A-B...