中国科学技术大学地球和空间科学学院 孙东松

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1 中国科学技术大学地球和空间科学学院 孙东松
主动光电探测及其大气遥感应用 中国科学技术大学地球和空间科学学院 孙东松

2 课程介绍 主动光电探测及其大气遥感应用 主动光电系统 主动激光大气遥感 主动－－人造辐射源 被动－－自然辐射源
激光：固体激光器、半导体激光器、气体激光器、燃料激光器等 被动－－自然辐射源 日光，月光，物体热辐射等 光电探测－－光电转换、电子学处理 光电探测器：红外探测器、可见光和紫外探测器、CCD等 可以用于主动系统和被动系统 主动激光大气遥感 激光与大气粒子相互作用 激光在大气中的传播 大气参数探测技术 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

3 《主动激光探测及其大气遥感应用》 是基于激光和大气粒子的相互作用的物理过程，利用激光技术探测大气参数的空间和时间分布特征，为大气科学研究、环境科学研究、气象预报、气候预测、空间天气预报等研究领域提供技术支撑。 特点： 高空间、高时间分辨率（源于激光的特性） 长期、连续观测（遥感探测手段的特点） 唯一探测手段（现有技术条件下，限于部分参数） 支持地基、空基、星载平台 局地、区域、全球探测范围 限于全天时观测（光学遥感的天气条件限制） 维护成本比较高或工作环境要求较高 技术先进但是技术成熟性相对较低 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

4 主动激光探测系统的基本构成 激光发射机 收发天线（光学） 接收机 望远镜 光学接收机 光电转换 电子学处理系统 激光发射机 光学天线
激光雷达接收机 光学接收机 光电转换 电信号处理 参数反演 激光发射机 光学天线 时间 接收信号 发射激光 云 激光发射机 收发天线（光学） 望远镜 接收机 光学接收机 光电转换 电子学处理系统 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

5 课程学习内容 光电转换探测器 激光在大气中的传输 激光雷达在大气遥感中的应用 相关基础知识 光电探测器 光电探测模式 激光雷达原理
光电探测系统的信噪比 激光在大气中的传输 大气吸收 大气散射 激光在湍流大气中的传输 大气背景噪声 激光雷达在大气遥感中的应用 激光雷达原理 大气参数探测 激光雷达系统 相关基础知识 数学软件：Mathcad，Matlab，Mathematica 激光技术 雷达原理 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

6 课程内容介绍 光电转换探测器 半导体光电器件 PMT光电倍增管 应用分类 特点 单元器件：高能粒子探测、UV、可见光、近红外、红外
成像器件：1D、2D 位置器件：离散探测器、非离散探测器 特点 体积小、响应面积相对较小、响应速度快、线性动态范围小、内增益小、输出信号相对弱 PMT光电倍增管 单元器件：高能粒子探测、UV、可见光、近红外 位置器件：离散探测器 体积大、响应面积大、响应速度1ns左右、线性动态范围大、增益大、输出信号强 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

7 热效应探测器 CCD器件介绍 应用分类 特点 基本工作原理 极限性能 测辐射热计 热释电 热伏效应 响应速度慢 大面积响应 受环境温度影响小
主要用于激光功率和能量计、温度传感器 CCD器件介绍 基本工作原理 极限性能 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

8 光电探测模式 光电探测系统的信噪比 直接探测 外差探测 信噪比概念和计算 噪声类型及其估算 信噪比的改善技术
光信号直接入射到光电探测器上，探测器输出与光辐射强度相对应的电流或电压。直接反映来自光源的光强度（调制）信息 直接探测系统的距离方程 外差探测 利用相干光作为载波，携带振幅、频率、相位信息。解调时采用光波相干理论 特点：可以携带目标的全部信息。 光外差探测的实现条件 光电探测系统的信噪比 信噪比概念和计算 噪声类型及其估算 信噪比的改善技术 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

9 激光在大气中的传输介绍 激光大气气体吸收 激光大气散射 激光在湍流大气中的传输 大气光学背景噪声 吸收系数、光学厚度、光谱透过率
吸收函数、总吸收 单吸收线： 大气气体吸收谱线 激光大气散射 大粒子散射（米散射） 分子散射（瑞利散射） 大气气溶胶光学模型 云和雾散射 激光在湍流大气中的传输 一般介绍 激光束的湍流展宽 激光束相干场的畸变 激光束的强度起伏 大气光学背景噪声 大气背景辐射的一般描述 太阳辐射背景 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

10 激光雷达在大气遥感中的应用 激光雷达原理 大气参数探测 激光雷达系统（系统案例分析） 激光雷达方程：点目标、线目标、面目标、大气探测
几何重叠因子（overlap），激光雷达盲区 大气透过率 收发光学结构 大气参数探测 气溶胶和分子特性参数 温度探测 湿度或水汽探测 风探测 压力探测 激光雷达系统（系统案例分析） Mie散射激光雷达 瑞利散射激光雷达 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

11 相关知识 数学模拟方法 雷达原理 激光原理和激光技术 Raman 散射激光雷达 Doppler 激光雷达 Na层探测激光雷达 水汽激光雷达
相干激光雷达 星载激光雷达 相关知识 数学模拟方法 软件：MathCAD, MatLab, Mathematica任选其一 Monte Carlo方法介绍 雷达原理 自学 激光原理和激光技术 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

12 课程安排 第一部分 第二部分 第三部分 讲解为主 Hamamatus或PerkinElmer公司产品举例分析 辅助自学
具体系统分析：各种功能的系统介绍和参数分析 系统设计举例：系统设计方法、参数选取和元器件分析 独立系统设计：参数提出方法、方案确定、技术方案分析 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用

13 参考资料和书籍 主要参考书 其它参考资料 《光电探测技术与系统》，付小宁，电子工业出版社
《Laser beams in the atmosphere》，V. E. Zuev 《Laser remote sensing》，Takashi Fujii（电子版） 其它参考资料 Mathcad or Matlab or Mathematica技术资料 《激光原理》，自选 《雷达原理》，自选 《概率论》，自选 孙东松 主动光电探测及其大气遥感应用