1 北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室, 北京 100081
2 安徽科创中光科技股份有限公司, 安徽 合肥 230031
3 中国气象局气象探测中心, 北京 100081
微脉冲激光雷达技术是大气气溶胶观测的重要手段, 当使用紫外激光光源时, 可利用激光诱导荧光信号探测环境中的有机气溶胶。建立了微脉冲荧光激光雷达水平探测有机气溶胶的仿真模型, 并对回波光子数及信噪比进行了数值仿真计算。根据仿真结果设计并搭建了一台微脉冲荧光激光雷达, 通过对系统进行几何重叠因子标定, 减小了近场荧光回波信号的强度误差。以营养肉汤溶液为气溶胶样本对该激光雷达系统开展了测试实验, 实验表明该MPFL系统空间分辨率为7.5m, 实验最大探测距离达到200m。同时与另一台低重频高脉冲能量的荧光激光雷达进行了对比实验, 对比结果显示, 两型激光雷达接收的荧光信号强度变化趋势具有很好的一致性, 相关系数达82%以上。在相同的累加时间下, MPFL荧光信号变化率矩阵标准误差小于0.02%, 具有更好的抗干扰性能, 能够实现对有机气溶胶准确探测, 验证了系统有效性和实用性。
大气光学 微脉冲激光雷达 水平探测 几何重叠因子 atmosphere optics micro-pulse lidar horizontal detection geometric overlap factor
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 中国气象局气象探测中心，北京 100081
结合毫米波雷达和双波长激光雷达对水云粒子进行微物理特性和光学特性建模，构建水云粒子有效半径与反射率因子-消光比、反射率因子-后向散射比的关系。通过假设参考高度处的云滴粒子有效半径和下一个距离门处的雷达比，以双波长反演的有效粒子半径和后向散射系数反演误差为约束条件得到边界值处的后向散射系数。进而，利用 Fernald后向积分方法反演水云天气下的气溶胶后向散射系数廓线。仿真结果与所提方法处理后的粒子有效半径一致性系数为0.98，与双波长后向散射系数的一致性系数均为0.81。实际处理结果表明，所提方法能够改善水云天气下气溶胶反演的连续性，得到相对准确的后向散射系数。
遥感 激光雷达 毫米波雷达 后向散射系数 边界值 光学学报
2022, 42(24): 2428002
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院, 北京 100071
麦卢卡蜂蜜产自新西兰, 具有很强的抗菌及抗氧化作用, 其售价较高, 近年来掺假事件时有发生, 利用激光诱导荧光技术对掺杂糖浆的麦卢卡蜂蜜进行分类识别研究。 选用266, 355, 405和450 nm四种常用激光作为激发源, 选择三种品牌的新西兰进口麦卢卡蜂蜜(编号A, B, C)中掺杂烘焙糖浆作为实验样品, 掺杂比例为0%~90%, 间隔10%; 每个激发波长下每种样本溶液重复测试60次, 共7 200组数据。 光谱数据首先进行荧光波段截取、 平滑及归一化等预处理; 然后随机选取80%的数据做训练集, 20%的数据做测试集; 对训练集数据使用主成分分析(PCA)结合线性判别分析(LDA)做数据降维; 最后对降维后的数据分别建立K最近邻(KNN)和支持向量机(SVM)分类模型, 对测试集数据进行分类识别, 重复进行50次随机分组及分类识别后对得到的分类识别率求平均值及标准差。 实验分析结果表明, 激发光波长对最终识别结果影响较大, 266 nm激发的荧光光谱分类识别正确率最高, 三种麦卢卡蜂蜜掺杂溶液的分类识别率均能达到98.5%以上, 最高能达100%; 355和405 nm激发的分类识别效果次之, 所有样品的分类识别率均大于92%; 而450 nm激发的荧光光谱分类识别率最低, 不同样品的分类识别率均低于66%。 因此, 后续分类算法的比较仅使用266, 355和405 nm激发的荧光光谱数据, 分析结果表明, KNN算法的分类效果要优于SVM算法, 不同激发波长下三种蜂蜜掺杂溶液的分类识别率均是KNN算法更高, 且对266 nm激发的三种蜂蜜掺杂样品, KNN算法的分类识别率比SVM算法要高1%以上。 实验结果表明, 使用激光诱导荧光技术对掺假麦卢卡蜂蜜进行分类识别是可行的, 对于掺杂糖浆的麦卢卡蜂蜜, 在使用的所有组合中, 266 nm激发结合PCA-LDA降维和KNN分类算法的分类识别率最高, 分类效果最好, 可用于掺假麦卢卡蜂蜜的快速准确鉴别。
激光诱导荧光 多波长 麦卢卡蜂蜜 掺假检测 分类识别 Laser-induced fluorescence Multi-wavelength Manuka honey Adulteration detection Classification and identification 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2807
水平探测荧光激光雷达是观测大气有机气溶胶的有效工具，系统常数的标定是利用荧光回波信号反演有机气溶胶浓度的关键。提出了一种基于荧光-米回波信号强度比的水平探测荧光激光雷达系统常数标定方法。该方法利用水平探测的荧光-米回波强度比和粒子计数器定点测量的气溶胶浓度数据来获得激光雷达的系统常数，进而减小系统几何因子的影响。在仿真计算中，将所提方法与传统标定方法进行对比，验证了所提方法的精度与稳定性。最后，利用一台水平近场探测的荧光-米散射双通道激光雷达进行实际标定实验，验证了所提方法的可行性和有效性。结果表明，所提方法可以较好地减小几何因子对标定精度的影响，并具有更好的稳定性。
遥感 荧光激光雷达 水平探测 系统常数标定 荧光-米信号比 光学学报
2022, 42(18): 1828006
1 北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 中国人民解放军军事医学科学院，北京 100850
激光扩束系统可以扩大激光光束直径、压缩空间发散角，被广泛应用在激光测距、大气探测等领域。为了压缩激光扩束系统的外形尺寸，减小出射与入射光束之间的距离，设计了一种由多个共焦离轴抛物面镜组构成的多级反射式激光扩束系统。根据设计指标，计算了多级反射式激光扩束系统的系统参数，使用ZEMAX光学设计软件对单组扩束系统和两个多级扩束系统进行了仿真和公差分析，对比了单组扩束系统和多级扩束系统的尺寸和公差。结果表明，在比较宽松的公差范围内，多级扩束系统能够实现在更短距离上的高倍激光扩束。
光学设计 激光扩束系统 多级 反射式 离轴抛物面镜 光学学报
2022, 42(13): 1322001
1 北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室， 北京 100081
2 中国气象局气象探测中心， 北京 100081
基于激光雷达连续观测数据反演得到的多种气溶胶光学参数，包括气溶胶后向散射系数(355/532/1064nm)、消光系数(532/607nm)、退偏比(532p/532s)、激光雷达比(532nm)及波长指数(355/532nm和532/1064nm)，分析了2019年10月北京城区三种不同污染事件(空气污染/污染沙尘/纯沙尘)的气溶胶光学特性。结果表明，空气污染气溶胶退偏比(波长指数)为0.10±0.02(1.2±0.19)，激光雷达比(43±7sr)相比典型城市污染气溶胶偏低，可能与硝酸盐等水溶性气溶胶吸湿增长或二次有机气溶胶的生成有关; 污染沙尘退偏比(波长指数)为0.19±0.03(1.0±0.35)，激光雷达比为51±7sr; 纯沙尘相比前者退偏比(0.25±0.03)较大，波长指数(0.11±0.44)较小，激光雷达比为40±4sr。
激光雷达 气溶胶 沙尘 激光雷达比 退偏比 波长指数 lidar aerosol dust lidar ratio depolarization ratio A°ngstrm exponent
北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室， 北京 100081
荧光激光雷达技术作为长距离探测有机气溶胶的主要手段之一，常用于有机气溶胶的探测、预警、识别与追踪，为了尽早发现有机气溶胶防止危害，提高荧光激光雷达系统探测时间分辨率及预警速度具有重要意义。针对以上荧光激光雷达对高时间分辨率、响应快的需求，提出了一种数据采集系统设计方案，该系统基于生产者/消费者模式将激光雷达信号探测过程分为数据生产和数据消费两模块，结合软件多线程技术降低了两模块的耦合度，提高了两模块的并行度，有效地缩短了荧光激光雷达的探测周期。测试结果表明，当荧光激光雷达多脉冲累加采集周期为100ms，单次触发采样点数量为20000时，激光雷达探测时间分辨率的实际提升率达到40.51%，且与理论公式具有良好的一致性，该系统可以应用于荧光激光雷达的高时间分辨率数据采集。
荧光激光雷达 时间分辨率 数据采集 生产者/消费者模式 fluorescence lidar time resolution data acquisition producer/consumer design pattern
北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
为了解决传统激光雷达几何因子计算方法存在偏差的问题，通过几何光学推导出望远镜中全视场和半视场的视场函数，通过对均匀发射激光光束区域的视场函数二重积分与激光光束截面积的比值得到几何因子.考虑激光光轴倾斜失调的影响，推导出大气探测同轴激光雷达的几何因子计算公式.根据所提出的计算公式对典型大气探测同轴激光雷达的几何因子进行计算，并与传统方法进行了对比，结果显示最小全重叠距离一致.最后分析了与激发发射相关的激光光束直径、发散角和激光光轴倾斜角对几何因子的影响，结果表明激光发散角的影响比光束直径更大.该方法适用于均匀分布激光发射光束的激光雷达几何因子快速计算，可为激光雷达的光机设计提供参考.
激光雷达 几何因子 全视场 大气探测 同轴 Lidar Geometric factor Full field of view Atmospheric detection Coaxial 光子学报
2020, 49(10): 1001001
北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
激光雷达作为大气主动遥感探测的重要手段之一，被广泛用于气溶胶和云层探测。基于简单多尺度层检测算法，通过添加尺度个数阈值，提出了一种在时均可提高云底反演高度准确性的云检测算法。该算法通过仿真云层内部多峰时的回波信号，得到了最优化尺度个数阈值范围；同时通过添加特征段合并有效减少了单层多峰情况下的漏判。分别使用微分零交叉法、简单多尺度法和改进后的算法对532 nm米通道激光雷达在2019年5~7月探测的20组探测时长75 min以上、结构稳定、时序上无突变的有效数据进行检测，并以微分零交叉法的云底高度为准，通过改进算法得到的均方根误差平均减小32.65%，不确定度平均减小33.80%，验证了改进算法在提高云底高度准确度上的有效性。
激光雷达 云检测 云底高度 简单多尺度算法 lidar cloud detection cloud-base height simple multiscale algorithm 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200379
