激光雷达(Lidar)可以说是最常用的主动遥感技术。一直以来,激光雷达被认为是地球和大气科学中最重要的技术之一,现在正被用于大气监测、自动驾驶、智慧城市、安保等多个领域。

为了适应技术发展的要求,激光雷达滤光片的设计必需最大限度地提升信噪比,以便从噪声中筛选出目标信号。Alluxa高品质超窄带滤光片,可以做到带宽小于0.1nm,透过率大于95%,带外抑制能到OD8以上,且光谱曲线的边缘陡峭、呈方形形状,不同批次的滤光片一致性较好,热吸收小。由此可见,Alluxa滤光片可以有效的提升激光雷达系统的信噪比,从而减少对其他滤光技术的需要。

Alluxa滤光片在激光雷达中的应用插图
图1:一种航空激光测距仪系统,用于测绘地形和地貌
自动驾驶激光雷达

基于激光测距仪的基本技术,可以将激光雷达传感器集成到自动驾驶车辆中(图2)。它们通常使用905nm或1550nm脉冲激光器以及光电探测器,例如硅雪崩光电二极管。他们可以是一个360度的机械扫描系统或是全固态系统。由于基于软件的扫描系统,固态激光雷达单元体积小、价格便宜,并且没有运动部件。精度和分辨率往往与机械装置相当,主要的牺牲是降低视野。然而,这可以通过在一辆车上安装多个单元来抵消。

机械激光雷达系统的滤光片参数与激光测距仪一致。然而,全固态系统通常依靠滤波算法来提取反射信号。在某些情况下,带外抑制>OD4的宽带滤光片就能满足要求。

Alluxa滤光片在激光雷达中的应用插图1
图2:用于自动驾驶车辆的激光雷达系统示意图
荧光激光雷达

当自然界中某些物质被激光激发时会产生荧光,荧光激光雷达可以探测这些荧光光谱,如叶绿素、类胡萝卜素、藻胆素或其他光合色素。在水生环境中,荧光激光雷达可以检测有毒的赤潮或藻类,以及蓝藻浓度增加,这些可能表明缺氧。在陆地上,荧光激光雷达经常用于植被研究和评估文化遗迹的保护状况。

荧光激光雷达还用于大气研究,以研究复杂的有机气溶胶、空气中的病原体和大气气体。此外,美国宇航局最近提出了一种荧光激光雷达技术,即生物指示激光雷达仪器(BILI),用于探测其他行星上的生物特征和有机分子。

在这些仪器中,带通滤光片的中心波长(CWL)和带宽(FWHM)是与目标分子的荧光发射光谱相匹配。为了最大限度地提高信噪比,理想情况下,对于水生或陆地研究,激光和外来光应衰减至OD6或更高的水平,而对于大气系统,则需要更深的截止水平。 

米氏、瑞利、拉曼和多普勒大气激光雷达系统

米氏和瑞利激光雷达仪器用于空气质量监测。它们是对地或对空系统,可探测355nm、532nm和1064nm激光波长下气溶胶和同核双原子气体的弹性米氏或瑞利后向散射。多普勒激光雷达通常集成在这些系统中,通过检测气溶胶或气体的弹性后向散射的多普勒频移来确定风速。

由于大气激光雷达系统依赖相对较弱的后向散射信号,因此必须尽一切努力最大化信噪比。大气系统激光雷达的方程式间接强调了高性能滤光片的重要性:

Alluxa滤光片在激光雷达中的应用插图2

其中P(R)是信号功率,K是系统效率,G(R)是测量几何,β(R)是后向散射系数,T(R)是传输项,除K外的所有项都是距离的函数。只有K和G(R)能够通过系统修改得到改善,因为其他两个术语描述了固有的大气光学特性。由于系统效率取决于接收效率,因此使用高性能干涉滤光片是提高信号功率的一种简单方法。

Veselovskii等人最近使用Alluxa制造的超陡拉曼激光雷达干涉滤光片,在532.12 nm激光激发后,分离出相对温度不敏感的N2和O2的反斯托克斯纯旋转拉曼光谱。该滤光片的设计斜率为边缘波长的<0.1%,从90%透过到OD4。在这种特殊情况下,通带中大于95%的透过率允许作者选择使用两个相同的滤光片串联,以实现大于OD8对弹性信号的抑制,且过渡带宽<1 nm。

差分吸收激光雷达(DIAL)

差分吸收激光雷达利用水蒸气和大气气体的吸收光谱来确定它们的浓度。差分吸收激光雷达系统使用两种不同的激光器,第一种调谐到目标分子的共振或高吸收波长,第二种调谐到非共振波长。开和关共振波长之间的距离通常小于1nm,这使得研究人员可以假设,任何测量到的背散射差异都是由目标的吸收造成的。这允许根据作为范围函数的背散射比确定浓度分布。

由于DIAL系统的近、远通道的波长非常接近,这些系统通常需要超窄干涉滤光片来衰减阳光,而Fabry-Pérot标准具用于分离通道。超窄干涉滤光片通常具有<0.5 nm的半高宽和>OD6的宽范围带外截止,而多腔设计在接近通带的波长处最大化阳光衰减。

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