主要作者梅亮1，孔*1，林宏泽2，费若男1，成远1，宫振峰1，陈珂1，刘琨1，华灯鑫13
完成单位
1大连理工大学光电工程与仪器科学学院
2杭州电子科技大学自动化学院
3西安理工大学机械与精密仪器工程学院
导读
当成像系统的物面与光学透镜所在平面不平行时，如果像面、物面及透镜所在平面三者相交于一条直线——即满足沙氏成像原理（也称沙姆定律），则成像系统依然可对物面清晰成像，从而实现理论上的无穷远景深。基于沙氏成像原理而发展起来的沙氏激光雷达可采用连续波二极管激光器作为光源以及图像传感器作为探测器，因而具备近距离探测盲区小、结构紧凑、低维护、高性价比等特色和优势。近年来，沙氏激光雷达技术逐渐应用于大气环境监测、三维目标成像、荧光（高光谱）激光雷达探测、生态学研究、燃烧诊断、水体光学测量等领域。年3月，大连理工大学梅亮团队在《红外与激光工程》期刊上发表论文“基于沙氏成像原理的激光雷达技术研究进展”。文中将系统性地阐述沙氏激光雷达技术的基本原理，详细探讨其在相关领域取得的最新研究进展，并对未来研究工作进行展望。
图1沙氏成像原理示意图。f是接收望远镜的焦距，Θ是图像传感器所在像面相对于成像透镜光轴的倾角，Φ是接收望远镜的观测角，L是接收望远镜与发射望远镜光轴之间的间隔
研究背景
激光雷达（Lidar）作为一种主动式光学遥感探测技术，在空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力及实时监测等方面具有独特的优势，广泛应用在航空航天、地理测绘、三维建模、大气环境监测、海洋遥感、自动驾驶等领域。在大气遥感领域，基于飞行时间原理的脉冲式激光雷达技术可实现大气气溶胶、温度、风速、温室及污染气体分布的有效探测，测量范围从几公里到km不等，在大气辐射、大气化学、大气污染监测、天气预报及气候模式研究等方面发挥着不可或缺的重要作用。年，瑞典隆德大学研究小组提出了一种基于沙氏成像原理（Scheimpflugprinciple）的新型沙氏激光雷达技术（ScheimpflugLidar，SLidar)。通过对发射到大气中的激光光束在满足沙氏成像原理的条件下进行清晰成像，以角度分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号。近年来的研究工作表明，沙氏激光雷达技术在大气环境监测领域具有重要的应用价值。另一方面，基于沙氏成像原理而发展起来的激光雷达技术也逐渐被应用于水体光学参数测量、荧光激光雷达、三维成像、燃烧诊断等诸多领域。图2脉冲式大气激光雷达原理图
图3沙氏大气激光雷达原理图主要内容
1沙氏激光雷达的基本原理沙氏成像原理（也称沙姆定律）是一种光学成像原理，其原理可简述为：在成像系统的物面与光学透镜不平行的情况下，如果像面、物面及透镜所在平面三者相交于一条直线，则依然可对物面清晰成像。沙氏成像原理的优点在于采用大口径的光学成像系统的同时，依然可实现理论上的无穷远景深。
沙氏激光雷达一般以连续光（强度调制）二极管激光器作为系统发射光源，利用倾斜放置的面阵图像传感器探测待测目标的后向散射光。在满足沙氏成像原理的条件下，不同距离上的后向散射（反射）光会以不同入射角度会聚到图像传感器上，实现对探测目标（光束）的清晰成像。由于不同的像素对应着不同的入射光线及测量距离，沙氏激光雷达技术以角度分辨的方式实现了距离分辨的后向散射信号探测。SLidar系统采用高功率、多模、连续波二极管激光器和面阵CMOS/CCD图像传感器作为光源和探测器，因此沙氏激光雷达具有系统光源和光电探测部分相对简单、稳定，探测盲区小及性价比高等特点。
图4(a)基于牛顿望远镜的沙氏大气激光雷达系统示意图；(b)典型的像素-强度的激光雷达信号；(c)经过像素-距离转换后的距离-强度的激光雷达信号2气溶胶探测沙氏大气激光雷达研究进展由于高功率半导体激光器技术的迅速发展，大连理工大学课题组已实现了从nm到nm的多个波段的单波长、双波长及三波长偏振沙氏大气激光雷达探测系统。通过采用强度调制、窄带滤波、自动曝光、信号平均及数字滤波等一系列方法，在大部分情况下实现了全天时大气遥感探测。通过与点式监测站点以及传统脉冲式大气激光雷达测量结果的详细对比研究，进一步验证了沙氏大气激光雷达技术在大气气溶胶定量化遥感探测方面的可靠性。
大连理工大学近年来研制的小型化、便携的扫描式沙氏大气激光雷达系统实现了大气污染源扫描探测、大气边界层遥感等一系列应用。在西安、天津、秦皇岛、辛集等20余个省市环保部门的应用效果表明，沙氏大气激光雷达技术可在大气污染监测中发挥重要作用，可成为脉冲式大气激光雷达技术的有力补充。图5沙氏大气激光雷达系统安装示意图图6沙氏大气激光雷达扫描测量
图7大气颗粒物反演与溯源
3基于沙氏成像原理的差分吸收激光雷达（DIAL）技术差分吸收激光雷达（DIAL）技术向大气中交替发射波长不同的激光脉冲（其中一个波长位于待测气体吸收峰λon，另一个波长偏离待测气体吸收峰λoff），通过探测两个波长的大气后向散射信号，并根据待测气体的差分吸收来获取待测气体浓度分布。利用脉冲式DIAL探测大气污染气体时，系统对光源的要求苛刻，需要双波长、高脉冲能量、窄线宽、可调谐且稳定性好的纳秒量级（10-ns）脉冲光源，这正是该领域困扰国际学术界的主要难题，也是限制其实际应用的重大挑战。为了克服这一难题，瑞典隆德大学课题组在年提出了基于沙氏成像原理的连续波差分吸收激光雷达（CW-DIAL）方案，并开展了大气中O2浓度距离分布探测的研究工作。通过对O2吸收截面的遥感探测，论证了CW-DIAL技术方案的可行性，为基于成像原理的CW-DIAL技术在大气气体浓度分布探测方面的实际应用奠定了理论和方法基础。此后，大连理工大学、瑞典皇家工学院等单位分别开展了基于成像原理的NO2-DIAL和CO2-DIAL探测技术研究，为DIAL技术在大气污染、温室气体探测中的实际应用提供了新思路。4沙氏激光雷达三维成像与多光谱技术沙氏激光雷达不仅可应用于大气环境监测领域，在三维目标成像领域也有重要的应用前景。浙江大学课题组在满足沙氏成像原理的基础上，将发射光束由一维线光束替换为二维面光束（片光束），可将二维面阵探测器上每个像素点与探测平面的空间位置一一对应起来，从而实现了二维平面目标距离的有效探测，由此可构建二维沙氏激光雷达探测技术。与此同时，利用平扫或转动机构转动二维沙氏激光雷达系统可实现三维点云扫描测量，最终实现待测目标的三维成像。华南师范大学、浙江大学等单位将激光雷达技术与多（高）光谱成像技术相结合可实现对待测目标的多维度探测，在地理测绘、植被探测、海洋遥感等领域具有重要应用价值。植物荧光光谱可反演叶绿素含量，并间接反映植物氮含量与生长状况。对植物的荧光进行探测，并结合三维点云进行生长状况监测与分析，能够加深对植物或农作物生长过程的理解。杭州电子科技大学联合大连理工大学将沙氏激光雷达结合激光诱导叶绿素荧光技术，可以实现植物多（高）光谱荧光点云的准确测量。5沙氏激光雷达在生态学方面的应用飞行动物对生态和人类生存条件至关重要。有些物种（比如蜜蜂、蝴蝶）是必不可少的传粉媒介。有些物种则是传播致命疾病（如蝙蝠及传播疟疾的蚊子等）的危险媒介。沙氏激光雷达在1-2km范围内具有较高的时空分辨率，瑞典隆德大学、华南师范大学等单位利用nm（偏振）沙氏激光雷达技术开展了对昆虫、鸟类和蝙蝠飞行活动的测量研究工作。通过使用沙氏激光雷达对大气中的飞行昆虫、鸟类及蝙蝠等物种的飞行行为进行探测研究，可深入了解其活动特性和规律，在传染疾病的预防、农业害虫的防治及昆虫生态学研究等方面具有重要应用价值。6沙氏激光雷达在燃烧诊断方面的应用沙氏激光雷达采用小型化、连续波二极管激光器作为发射光源以及图像传感器作为探测器，可实现距离分辨的光学测量与诊断，隆德大学课题组研发了可在20m范围内进行燃烧诊断测量的便携式沙氏激光雷达系统，为高空间分辨率的单端燃烧诊断提供了一种新思路。7沙氏激光雷达在水体探测中的应用激光雷达技术在海洋遥感探测中具有重大应用价值，沙氏大气激光雷达技术具有结构简单、体积质量较小、成本较低、易于维护等特点，中国海洋大学吴松华教授课题组从海洋科学应用出发，针对小角度后向散射现场测量的问题，设计了水体沙氏激光雷达系统，为海洋水体小角度后向散射测量提供了一种简单、有效的技术手段。结论
沙氏激光雷达技术采用高功率二极管激光器作为光源以及图像传感器作为探测器，具备探测盲区小、结构紧凑、后期维护小、性价比高等特色和优势，近年来在大气遥感研究及应用方面取得了长足的进步。由于高功率半导体激光器技术的迅速发展，已实现了从nm到nm的多个波段的单波长、双波长及三波长沙氏大气激光雷达探测系统。近年来研制的小型化、便携的扫描式沙氏大气激光雷达系统实现了大气污染源扫描探测、大气边界层遥感等一系列应用。在气溶胶沙氏大气激光雷达研究方面，未来的工作将主要包括两大部分：首先，研究系统硬件设计、信号探测、大气参数反演新方法，进一步提升大气回波信号信噪比，提高大气参数反演精度和鲁棒性；其次，针对边界层气溶胶演变过程、大气退偏振比、粒子谱等观测需求，研究自动化、全天时、高精度的单（多）波长偏振成像大气激光雷达探测技术，为激光雷达观测网等大范围应用提供低维护、高性价比的技术手段。通过融合差分吸收光谱技术，沙氏大气激光雷达可实现O2、NO2、CO2等大气气体浓度分布探测，克服了传统脉冲式DIAL技术对窄线宽、高能量脉冲、可调谐光源的严苛要求，为DIAL技术在大气污染、温室气体探测中的实际应用提供了新思路。由于DIAL技术对信噪比的要求远高于气溶胶探测激光雷达技术，如何进一步提高沙氏大气激光雷达技术大气回波信号信噪比，从而提高探测灵敏度将是下一步研究工作需要重点考虑的问题。瑞典隆德大学、浙江大学、中国海洋大学、华南师范大学、杭州电子科技大学及大连理工大学等单位开展了基于沙氏成像原理的激光雷达在三维目标成像、荧光（高光谱）激光雷达探测、生态学研究、燃烧诊断、水体探测等方面的技术及应用研究工作，充分展示了沙氏激光雷达技术在这些领域的应用潜力和前景。然而，相关研究工作大多处于起步阶段，围绕这些领域的新方法、新系统、新应用将是未来研究工作的重要方向。作者简介梅亮，男，教授，博士生导师。年于华中科技大学获学士学位，、年以独立博士论文分别获得浙江大学和瑞典隆德大学博士学位。年起在大连理工大学任教，并入选辽宁省百千万人才计划。长期从事激光光谱与遥感方面的研究工作，承担国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金及辽宁省面上项目等。在光学工程领域权威期刊LaserandPhotonicsReviews、OL/OE、APL及国际会议上发表论文70余篇，获发明专利1项(已转化)，软件著作权2项。近年来，提出并发展了基于沙氏成像原理的大气激光雷达新方法，研制的扫描式沙氏大气激光雷达系统在20余个省市环保部门试用与应用，并实现了专利成果转化。
华灯鑫，男，日本福井大学工学博士，现任西安理工大学*委常委、副校长，二级教授，博士生导师，陕西省三秦学者，教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室主任，“仪器科学与技术”一级博士学科的学科带头人，教育部认定的首批“全国高校*大年式教师团队”及陕西省首批“三秦学者”创新团队的负责人。兼国际著名期刊JQSRT客座编辑，SPIE亚太遥感会议的学术委员会委员，《红外与激光工程》杂志第十七届编委，《激光与光电子进展》第九届编委，《大气与环境光学学报》副主编，中国仪器仪表学会教育工作委员会的副主任，陕西省测试计量学会副理事长，陕西省自动化教指委副主任等。长期从事激光雷达探测技术、光电测试技术及仪器等方面的研究，发表学术论文余篇，获国际与国内授权发明专利8项。主持国家基金自然科学基金重大、重点及面上项目、计划、科技部国际科技合作项目等20余项。曾获陕西省科学技术奖2项，中国光学工程学会创新科技奖及发明奖各1项，陕西省教学成果奖2项。
引用格式
GaoLi,ZhangXiaoli,MaJingting,YaoWenxiu,WangQingwei,SunYue,LiuZunlong,WangYajun,TianLong,ZhengYaohui.QuantumenhancedDopplerLiDARbasedonintegratedquantumsqueezedlightsource(Invited)[J].InfraredandLaserEngineering,,50(3):0031.doi:10./IRLA0031
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