主动光电探测及其大气遥感应用

1. 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

2. 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

3. 《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

4. 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 云 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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