紫外激光熒光雷達探測生物氣溶膠

紫外激光熒光雷達探測生物氣溶膠

鄒炳芳 張寅超 劉小勤

（中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所 合肥 230031）

E-mail:******************

摘要 對生化毒劑進行探測是LIF技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。紫外激

[1] [2]

光熒光雷達是利用LIF技術(shù)進行遠距離探測實現(xiàn)預(yù)警的重要手段之

一，用于近地面至3.5km高度范圍內(nèi)生物氣溶膠熒光信號垂直廓線的

探測。對激光熒光雷達探測生物氣溶膠的原理進行了簡單的敘述，介

紹了研制的激光熒光雷達的總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，對其接收的熒光信

號進行數(shù)值模擬，分析討論了激光雷達參數(shù)對探測熒光信號信噪比影

響。對真實系統(tǒng)的搭建具有重要的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 紫外激光熒光雷達 生物氣溶膠 激光誘導(dǎo)熒光（LIF）

信噪比 數(shù)值模擬

UV fluorescence lidar detection of

bioaerosols

Zou Bingfang Zhang Yinchao Liu Xiaoqin

(Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chine Academy of Sciencer Hefei

230031)

E-mail:******************

Abstract: Detecting biochemistry warfare is the

main application domain of the Lar Induced

Fluorescence (LIF) technique. UV fluorescence

lidar is one of the important means in which LIF

technique is ud for stand-off detection and has

the ability to achieve early warning, it could be

ud to detect the perpendicular distributing of the

bioaerosols fluorescence from the ground to 3.5 km.

The basic principal of the Fluorescence lidar on

bioaerosols detection is described, the whole

structure and technique parameters are introduced,

a numerical simulation of the fluorescence of

bioaerosols particles as a function of ranges is

shown, the influence of the lidar parameter on the

detected fluorescence signal-to-noi is discusd.

It gives an important academic instruction on the

constructing lidar system.

Key Words:UV fluorescence lidar bioaerosols

Lar Induced Fluorescence (LIF)

signal-to-noi(SNR) numerical simulation

Ⅰ 引言

對生化毒劑進行探測是LIF技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代的

海灣戰(zhàn)爭結(jié)束不久，有關(guān)國家，特別是美國軍方就明確表示，在所有

大規(guī)模毀滅性武器中，他們最為關(guān)切和憂慮的就是生物武器和毒氣，

其理由十分清楚，與核武器和化學(xué)武器相比，這些武器價格低廉且容

易制造。此外，即使?jié)舛鹊偷纳飸?zhàn)劑也有很強的殺傷力，以一種炭

疽菌為例，所到之處80％未免疫的人都會被殺死。因此在生物戰(zhàn)劑

到達地面被人體吸收之前提出預(yù)警、有效地組織人員撤離是減少人員

傷亡的有效途徑，預(yù)警系統(tǒng)也就顯得尤其重要。用激光熒光雷達探測

生物氣溶膠具有重要的戰(zhàn)略意義，進行生物氣溶膠熒光信號和信噪比

的數(shù)值模擬計算對于確定激光熒光雷達的總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，了解

其探測生物氣溶膠的性能是很有益的。本文敘述了激光誘導(dǎo)熒光的產(chǎn)

生，介紹了我們正在研制的激光熒光雷達的結(jié)構(gòu)，分析討論了熒光信

號和探測信噪比的模擬計算結(jié)果。

Ⅱ 激光誘導(dǎo)熒光的產(chǎn)生及系統(tǒng)描述

[3]

當(dāng)有機物質(zhì)(如生物氣溶膠) 的分子受到適當(dāng)波長的激光照射時,

一些處于基態(tài)的分子吸收光子而躍遷到激發(fā)態(tài)的某條能級上,并通過

振動馳豫等無輻射躍遷轉(zhuǎn)移到激發(fā)態(tài)能帶的底部,在那里滯留很短的

時間,經(jīng)選擇定則所允許的躍遷回到基態(tài)某能級,同時向外界輻射熒

光。

圖1 給出我們正在研制的激光熒光雷達的總體結(jié)構(gòu)。它主要由激

光器，接收光學(xué)系統(tǒng)，信號探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。由于熒光

信號比較弱，用光子計數(shù)卡接收。表1為激光熒光雷達的技術(shù)參數(shù)

。

圖1。熒光激光雷達系統(tǒng)圖

表1激光熒光雷達主要技術(shù)參數(shù)

激光器 Nd:YAG

波長（nm） 355

脈沖能量(mJ) 100(150)

脈沖工作頻率(Hz) 20

脈沖寬度(ns) 20

累計脈沖數(shù) 2000(600,6000,12000)

望遠鏡 近牛頓型

直徑(mm) 300

視場(mrad) 3(1,2)

濾光片中心波長(nm) 465

濾光片帶寬(nm) 60(2,10,20,40,80)

總光學(xué)透過率 0.16(T=0.8，T=0.2)

光電倍增管的量子效率 0.2

光電倍增管的暗記數(shù)(s) 500

-1

采集時間(?s)/垂直分辨率(m) 0.1(15)

生物氣溶膠的平均濃度(/L) 1000

熒光中心波長(nm)及半高寬(nm) 465(160)

NADH的量子產(chǎn)率 0.1

平均熒光截面(m) 5E-12

2

tr

Ⅲ 熒光信號的數(shù)值模擬計算

一 激光熒光雷達方程

當(dāng)激光雷達從地面垂直向天空發(fā)射355nm波長的激光時，如果大氣

中含有生物氣溶膠云，

對每一發(fā)激光，其接收到高度Z處熒光信號光子數(shù)滿

足熒光雷達方程

[4]

?

?

2

?

c?

EA

000

?

d

?

2

Nr(z)?n(z)tt(c)T(,z)?zNT(,z)(,)

pu000

????????

(1)

??

?

?

2

?

?

c?

hczd?d

?

2

其中：

??

z

T(,z)?exp?zdz

??

??

?

?

??

''

(2)

??

0

n

pu

是發(fā)射激光脈沖數(shù)； 光電倍增管的量子效率；

?

E是發(fā)射的激光脈沖能量

0

（mJ）；是光速（）；h 普朗克常量

?

0

發(fā)射激光波長；

c

3?10m?s

8?1

()；是激光熒光雷達的幾何重疊因子，在我們的計算中設(shè)

6.626276?10J?s

-34

?

(z)

其值恒等于1；是接收望遠鏡的有效接收面積（m）； 是發(fā)射

A

0

2

t

??

?

0

,分別

t(c)

?

和接收光學(xué)單元的透過率；

，分別為對發(fā)射激光波長和接受熒光波長

T(,z)

?

0

T(,z)

?

激光雷達與被測生物氣溶膠之間的單程大氣透過率； 垂直距離分辨率；N 生物氣溶膠

?z

d

2

?

的平均濃度； 非彈性散射體的微分散射截面， z處的大氣消光系數(shù)(k)。

?

?

??

z

m

d?d

?

'

-1

?()A

?

0

d

2

?

(,)?(,)

????

00

(3) 表示為

d?d4

??

其中

?()

?

0

為非彈性散射體對激發(fā)波長的有效量子產(chǎn)率；A 是生物氣溶膠的平均熒

?

0

光截面；是歸一化的生物氣溶膠熒光光譜線型。

()

?

激光熒光雷達除了接收到大氣回波信號外還接收到天空的背景光以及探測

Nr(z)

N

b

器產(chǎn)生的暗記數(shù)，它們分別表示為：

N

d

2

?

????

???

?????

N?P?AT?t

bbrr

??

(4)

?

????

hc2

?

N?CPS??t

?

d

在（4）式中，是天空背景輻射光亮度，對于355nm波長，白天設(shè)為

P

b

0.2w/m-sr-nm，夜晚可視為零；是接收望遠鏡的接收視場(rad)；是濾光片

2

?

?

?

的半寬度(nm)；是接收光學(xué)單元的透過率；CPS是探測器的暗計數(shù)（s）；其

T

r

-1

余參數(shù)的意義同前。

上述(1)-(4)式中的參數(shù)除

??

(z)(z)

，外，都可以從激光雷達的技術(shù)參數(shù)中獲得。

??

(z)(z)

，可以使用大氣模式進行計算。

二 大氣模式

大氣分子消光模式與氣溶膠消光模式分別用下面的兩組公式來表示：

4

?

??

532

3

?

?

m

????

z?1.54*10exp?z/7

??

??

?

(5)

?

?

???

z?z*8/3

mm

????

?

?532532

2

????

36

?5.13*10exp?z?20/36z?2.47*10exp?z/7

??????

?

?

a

????

????

??

(6)

?

?

??

????

z?z*50

aa

?

??

其中

?

是激光波長，是大氣分子消光后向散射比，50為氣溶膠相對于355nm波

8/3

?

長的氣溶膠小光后向散射比。圖2給出由上述兩組公式計算的355nm波長的大氣分子消光

系數(shù)垂直廓線與大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線。

???

??????

Z?Z?Z

ma

，其中，(Z)和(Z) 分別是高度Z處的大氣分子和

?

ma

?

氣溶膠粒子的后向散射系數(shù)(kmS)。是大氣透過率，可表示為：

-1-1

r

TZ

??

TZ?exp{?ZdZ}

????

?

?

(3.1.2)

0

Z

其中的，和分別是高度Z處的大氣分子和

???

??????

Z?Z?Z

ma

?

ma

????

ZZ

?

氣溶膠粒子的消光系數(shù)（km）。。

-1

30

10

A

l

t

i

t

u

d

e

(

k

m

)

A

l

t

i

t

u

d

e

(

k

m

)

11101101100.010.1

20

5

10

0

543

???

Extinction coefficient(km-1)

molecule

aerosol

0

34567

100110110110110110

?????

?Signal

圖2模式大氣分子和氣溶膠粒子消光系數(shù)垂直廓線 圖3模擬計算激光雷達熒光信號

將上述大橋模式和我們已有的激光熒光雷達技術(shù)參數(shù)代入到激光

雷達方程（1）式計算出熒光模擬信號，結(jié)果如圖3所示。

三 激光熒光雷達探測熒光信號的信噪比

熒光信號的信噪比可以寫成下列的形式：

SNRz??n

??

Nsz

??

Nsz?2N?N

????

bd

（7）

式中，等同于（1）式中的 ，和由（4）式給出，n是發(fā)射的激光

NszNrzNz

??????

b

N

d

脈沖數(shù)。由（7）式可以看出，

接收到某一高度上的大氣后向散射的光電子數(shù)

NZ

S

??

越多，天空背景輻射光越低和探測器的暗計數(shù)越小，該高度處回波信號的

NN

bd

信噪比就越高。同時增加發(fā)射激光脈沖數(shù)n也可以提高便攜式米散射激

SNRZ

??

光雷達的探測回波信號的信噪比。

10

A

l

t

i

t

u

d

e

(

k

m

)

5

0

0.1110100110110110

SNR

???

345

100mJ(daytime)

150mJ(daytime)

100mJ(nighttime)

150mJ(nighttime)

圖4. 不同激光脈沖能量對白天和晚上SNR的影響

圖4給出激光熒光雷達在探測的熒光信號信噪比廓線（設(shè)激光脈沖數(shù)n=2000），

通常認為SNR>10可以基本滿足反演生物氣溶膠濃度的要求。從圖中看到夜間探

測時SNR比白天好的多。

參考文獻：

[1].Steven D. Christen 1994 Proc SPIE Vol. 2222 pp 228-237

[2]Steven C. Hill 1999 FIELD ANALYTICAL CHEMISTRY AND

TECHNOLOGY 3(4–5): pp 221–239

[3] Yan Jixiang 2001 Lidar in Environment Monitoring(Beijing: Science Press)

[4]. R.M. Measures 1984 LarRemote Sensing: Fundamentals and Applications

John Wiley & Sons, Inc. New York New York