大气分子和气溶胶激光距离选通成像

　　1、研究背景

　　大气密度的空间分布描述了大气层内空气密度如何随高度或空间位置变化。掌握这一分布对航空航天工程、气象预测、大气科学研究及环境监测等多个领域至关重要。高分辨率的大气密度测量可以揭示大气密度在垂直和水平方向上的细微变化，进而提供高精度数据。这样的数据不仅能够提高气象预测的准确性，还能为空间探测任务提供准确指导，并助力于其他大气相关的科学研究。例如，在航天工程中，高分辨率的大气密度数据对轨道设计、飞行计划以及卫星的稳定运行都有决定性的影响。

　　在气象预测领域，此类数据能够提高模型的准确性并增强预测的可靠性。此外，大气密度测量还可以应用于环境监测，评估大气中的污染物，如臭氧、颗粒物和化学气体的分布情况。高分辨率的大气密度数据也有助于深入研究大气层内的各种气象现象、季节性变化以及空间天气现象。

　　利用激光距离选通成像技术进行大气密度空间分布研究，我们能够达到所需的高分辨率测量标准，获得大气不同密度的回波信号在垂直方向上的三维立体视图。此技术还具备远程实时测量的能力，因而在气象学、航空航天工程、环境监测及大气应用等多个领域都有很好的应用潜力。

　　2、实验测试设备

　　本次实验使用：

　　1、中智科仪逐光IsCMOS像增强相机，TRC411-S-H20-U;

　　2、杏林睿光微片脉冲激光器MCB-532-1-075。

　　图1 实验装置图

　　3、实验流程

　　一、大气散射中相机应用的可行性检验

　　杏林睿光微片激光器的脉宽设定为500ps，重频为1kHz，单脉冲能量为70uJ，并在内触发条件下工作。

　　TRC411相机的曝光时间设定为5ms，快门为500ps，增益为3900，进行20次累加，在外触发输入条件下工作。观测范围为15-45m的信号变化。

　　使用的镜头为Nikon AF NIKKOR 70-300mm 5.6G，光斑准直输出直径为57mm。

　　如图2展示的是相对距离为0m时的大气散射斑。通过对散射斑区域的强度进行求和统计，可以得到大气散射强度与距离的变化关系，如图3所示。

　　仿真结果显示，随着切片距离相对于相机的增加，大气散射信号呈下降趋势。实际测试结果与仿真结果相吻合，从而验证了TRC411的500ps快门适用于米级大气散射衰减测试。

　　图2 大气散射斑

　　图3 大气散射强度

　　二、大气扰动测试

　　在实验一的测试条件下，使用保温杯置于光路正下方并尽量靠近光通道，以使得水蒸气能够扰动光路，产生明显的散射信号，如图4所示。

　　图5展示了在水蒸气扰动条件下，散射强度随相对距离增大的变化情况。

　　图4 水蒸气扰动

　　图5 水蒸气扰动条件下大气散射强度

　　三、逐光IsCMOS像增强相机与现有光源的最远探测距离测试

　　使用3ns的快门模块，并设定增益为3900，累加次数为20，曝光时间为5ms，门宽为1,000ns，推扫范围从1,000ns至50,500ns，步长为500ns。在第56步时信号消失，由此推断，基于当前设备配置，能够探测到的最远的散射信号距离大约为4,275m。如图6所示为大气散射信号的衰减情况。

　　图6 大气散射强度衰减

　　4、实验结果

　　逐光IsCMOS像增强相机，得益于其准确的同步时序和皮秒级的光学快门技术，已成功地实现了短程和长程的大气散射分辨。这一成果验证了该相机在大气散射测试的适用性。尤其值得关注的是，其500ps的光学快门能在米级尺度上准确地分辨大气散射信号的衰减特性。

　　5、解决方案

　　由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，准确适用于纳秒时间分辨的激光诱导等离子发光成像。

　　1. 500皮秒光学快门

　　以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。

　　2.超高采样频率

　　逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

　　3.精准的时序控制

　　逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

　　4. 创新“零噪声”技术

　　得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。