主动光电探测及其大气遥感应用
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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. 《 主动激光探测及其大气遥感应用 》

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主动光电探测及其大气遥感应用

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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


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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

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:

  • 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

  • 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

主动光电探测及其大气遥感应用


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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

光学天线

激光发射机

接收信号

激光雷达接收机

参数反演

电信号处理

光电转换

光学接收机

时间

发射激光

主动光电探测及其大气遥感应用


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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

  • 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

主动光电探测及其大气遥感应用


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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

主动光电探测及其大气遥感应用


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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

      • 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

主动光电探测及其大气遥感应用


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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

主动光电探测及其大气遥感应用


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  • 激光在大气中的传输介绍

    • 激光大气气体吸收

      • 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

      • 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

      • 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

主动光电探测及其大气遥感应用


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  • 激光雷达在大气遥感中的应用

    • 激光雷达原理

      • 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

      • 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

主动光电探测及其大气遥感应用


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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

  • 主动光电探测及其大气遥感应用


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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

    主动光电探测及其大气遥感应用


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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

      • 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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