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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 - PowerPoint PPT Presentation


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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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Presentation Transcript
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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

主动光电探测及其大气遥感应用