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| 微脉冲激光雷达 |
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| 简介 |
中科院安徽光学精密机械研究所大气光学中心，于2001年研制成功我国第一台微脉冲激光雷达(MPL-T1)，2003年研制成功国际上第一台偏振微脉冲激光雷达(MPL-T1P)，可区分非球形颗粒物的时空分布，是探测烟、沙尘以及高云冰晶的有利工具。2005年成功研制第一台扫描式微脉冲激光雷达(MPL-T1S)，可以水平方向大范围的自动扫描，能获取城市上空水平方向的大气气溶胶的分布状况；2006完成了同轴透射式微脉冲激光雷达，并已达到商品化程度，MPL微脉冲激光雷达可实现由地面至14km高度的大气参数探测，空间分辨率30m，可以由计算机控制实行间歇或者连续探测，并且能够联网通讯，整机系统不超过40kg，真正实现了自动化、小型化、商业化。目前，MPL已作为科技部基础性工作专项重点项目“我国东部整层大气重要参数高分辨垂直分布探查”的探测仪器之一,承担了昼夜连续观测大气气溶胶的相关任务。 |
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| 一、MPL-T1微脉冲激光雷达 |
激光雷达是大范围快速监测大气环境的新一代的高技术手段。它根据大气对激光的散射、吸收、消光等物理效应，通过定量分析激光大气回波，进行大气环境探测。激光具有单色性好、相干性强、方向性高以及高亮度、大功率等特点。激光的高方向性、高亮度和高脉冲重复率，使激光雷达可以对几公里以至几十公里大范围大气环境进行实时快速监测；激光的短脉冲使空间分辨率可达几米；单色性好，使用窄带滤光片可有效提高探测信号的信噪比，从而具有高探测灵敏度。由激光雷达的探测数据可获得大气边界层的结构和时间演变特征、大气气溶胶（飘尘）消光系数垂直廓线和时间演变特征、云高度及多层云结构、大气能见度等信息，监控工业烟尘的排放以及研究它们的扩散规律、它对大气环境监测和大气科学研究都有着重要的意义,具有其它测量手段不可替代的优势。
微脉冲激光雷达（Micro Pulse Lidar，简称MPL）从研究到应用在国际上仅有十年的历史，微脉冲激光雷达由半导体激光泵浦的Nd:YAG脉冲激光器、非共轴的发射和接收光学系统、高灵敏度光电探测器(CPM)、高速多道计数器和计算机、以及控制和数据处理软件等组成。激光发射单元主要包括激光器和扩束器。光学接收单元包括接收望远镜、微孔光栏、窄带滤光片和聚焦透镜。回波信号抵达到探测器并由多道光子计数器按照时序累加平均接收的信号，同时将它们存储到数据存储单元。数据的分析和整个系统的控制软件由一台小型计算机执行。
微脉冲激光雷达系统的突出特点是：统结构简单、体积小、重量轻、造价低、可连续运行和移动携带方便，关键器件的模块化结构确保了系统工作的稳定性和探测数据的可靠性,能够昼夜自动连续探测。这些优点使激光雷达的推广应用成为可能。是大气环境检测和研究的理想设备。 |
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1. 主要性能 |
| 探测范围 |
0.03～30km（与天气状况有关） |
| 空间分辨 |
30m（最小） |
| 工作方式 |
计算机控制自动运行( 间歇或连续 ) |
| 通讯方式 |
可连网（根据用户需要） |
| 工作环境温度 |
15℃～30℃ |
| 重量 |
<30kg(包括全部设备 ) |
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2. 主要技术参数 |
| 激光波长 |
532nm（LD泵浦Nd:YAG） |
| 能量 |
≥10μJ/脉冲（在2500Hz） |
| 激光脉宽 |
15ns |
| 发散角 |
～25μrad（半角） |
| 接收望远镜 |
口径φ160mm |
| 接收视场 |
～50μrad（半角） |
| 滤光片带宽 |
0.5nm |
| 数据采集器 |
多道计数器 |
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| 3. 应用范围 |
• 大气边界层的结构和时间演变特征。
• 大气气溶胶（飘尘）消光系数垂直分布和时间演变特征。
• 云顶、云底及云中心的高度及多层云结构。
• 大气能见度测量。
• 颗粒物（如PM10等）的时空演变特征 |
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图1.1 MPL-T1微脉冲激光雷达实物照片 |
图1.2 MPL-T1工作照片
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图1.3 MPL探测的对流层气溶胶消光系数的垂直廓线
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图1.4 MPL测量的大气和云的后向散射回波信号垂直廓线 |
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| 二、MPL-T1P 微脉冲偏振激光雷达 |
在弹性后向散射（MIE 散射）原理基础上发展起来的偏振激光雷达，是根据探测到的激光回波的退偏振特性，可有效地区分球形颗粒（云滴、雾滴）与非球形颗粒物（飘尘、沙尘、冰晶），从而在激光雷达自动测量的大量数据分析中能够有效地区分云和沙尘暴，也可用来探测高层冰晶组成的卷云。由于激光雷达系统的高时空分辨能力,以及具有连续、实时、大范围遥感监测的特点，激光雷达将越来越多地用于大气污染环境的监测和大气探测研究，它已成为大范围快速以及长期监测大气环境的新一代高技术手段。
MPL-T1P微脉冲激偏振光雷达重量轻、体积小，移动携带方便，运行可靠，能够昼夜自动连续探测。它可用于探测沙尘暴、空气中颗粒物和飘尘消光系数的垂直分布、云高和云结构、边界层结构、大气能见度等。本激光雷达的特色是可以有效区分非球形粒子（如沙尘、烟尘、卷云等）和球形粒子（水云云滴、雾滴等）。MPL-T1P微脉冲激偏振光雷达是大气污染环境监测和大气探测的新一代高技术手段。
MPL-T1P微脉冲偏振激光雷达由半导体激光泵浦的Nd:YAG偏振脉冲激光器、非共轴的发射和接收光学系统、高灵敏度光电探测器(CPM)、两个高速多道计数器和计算机、以及控制和数据处理软件等组成。激光发射单元主要包括偏振激光器和扩束器。光学接收单元包括接收望远镜、微孔光栏、窄带滤光片和聚焦透镜。来自非球形粒子或球形粒子的回波信号有不同的退偏振特性。分束器将回波信号分成两路，从而测量回波的退偏振度。两个多道光子计数器按照时序分别累加平均接收的信号，同时将它们存储到数据存储单元。数据的分析和整个系统的控制软件由一台小型工控计算机执行。 |
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| 探测范围 |
0.03～30km（与天气状况有关） |
| 空间分辨 |
30m（最小） |
| 工作方式 |
计算机控制自动运行(间歇或连续) |
| 通讯方式 |
可连网（根据用户需要） |
| 工作环境温度 |
15℃-30℃ |
| 重量 |
<30kg(包括全部设备) |
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2. 主要技术参数 |
| 激光波长 |
532nm（LD泵浦Nd:YAG） |
| 能量 |
≥10μJ/脉冲（在2500Hz） |
| 激光脉宽 |
15ns |
| 发散角 |
～25μrad（半角） |
| 接收望远镜 |
口径φ166mm |
| 接收视场 |
～50μrad（半角） |
| 滤光片带宽 |
0.5nm |
| 数据采集器 |
多道计数器 |
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| 3. 应用范围 |
• 卷云、沙尘、烟尘等非球形粒子的形态特征。
• 大气边界层的结构和时间演变特征。
• 大气气溶胶（飘尘）和高卷云消光系数垂直分布和时间演变特征。
• 云顶、云底及云中心的高度及多层云结构。
• 大气能见度测量。
• 退偏比的时空变化
• 颗粒物（如PM10等）的时空演变特征 |
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| 4. 典型探测结果 |
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图2.1 MPL-T1P 偏振激光雷达工作照片 |
图2.2 飘尘、扬沙的时空演变过程 |
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图2.5 实时采集的回波信号显示界面 |
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图2.6 退偏比的空间分布显示界面 |
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| 三、MPL-T1S 扫描式微脉冲激光雷达 |
| 扫描式微脉冲激光雷达设计有扫描装置和配套软件，它不仅具有微脉冲激光雷达所有的特性，还可以利用它在短时间内测得一个立体空间区域的大气气溶胶的分布，可以实时监测到烟尘的排放及分布。这对于城市污染源的监测和城市气溶胶颗粒的水平分布状况的监测提供了一种有效的手段。 |
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| 1.主要性能 |
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| 探测范围 |
0.03～30km （与天气状况有关） |
| 空间分辨 |
30m（最小） |
| 工作方式 |
计算机控制自动运行(间歇或连续) |
| 通讯方式 |
可连网（根据用户需要） |
| 工作环境温度 |
15℃-30℃ |
| 重量 |
<50kg(包括全部设备) |
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2. 主要技术参数 |
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| 激光波长 |
532nm（LD泵浦Nd:YAG） |
| 能量 |
≥10μJ/脉冲（在2500Hz） |
| 重复率 |
2.5kHz |
| 激光脉宽 |
15ns |
| 发散角 |
～25μrad（半角） |
| 接收望远镜 |
口径φ166200mm |
| 接收视场 |
～50μrad（半角） |
| 滤光片带宽 |
0.5nm |
| 数据采集器 |
多道计数器 |
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| 3. 应用范围 |
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• 大气边界层的结构和时间演变特征。
• 大气气溶胶（飘尘）和高卷云消光系数垂直分布和时间演变特征。
• 云顶、云底及云中心的高度及多层云结构。
• 大气能见度测量。
• 反演颗粒物（如PM10等）的时空演变特征。
• 污染源分布状况的监测。 |
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| 4. 典型探测结果 |
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图3.1 扫描式雷达实物图 |
图3.2 扫描式雷达工作时照片 |
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图3.3 实时测量的界面显示 |
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图3.4 近一步的数据分析得出的大气气溶胶消光因子的时空分布图 |
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图3.5 2008年04月12日（00:00—24:00）24小时大气气溶胶时空演变图 |
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