激光雷达Lidar Architecture and Lidar Design（下）

Considerations on Lidar Design

双基地还是单基地？

双轴还是同轴？

几何重叠

向上还是向下看？

关心分散还是只关心时间？

发射器和接收器的波长

是否可调？

发射器和接收器的带宽

功率/能量考虑

bit宽度-脉冲持续时间，重复率

夜间还是全天工作？

体积、质量、成本、可靠性、稳健性、操作性等？

Configuration & Arrangement

大多数现代激光雷达采用单站结构，双轴或同轴布置。

通常选择双轴或同轴布局。

由探测范围决定。如果近场范围是理想的。同轴布置是首选的，因为它提供完整的接收器视场与激光束的重叠。如果近场双轴排列有助于防止探测器因强近场散射而饱和。

扫描能力也可以发挥作用，以选择双轴或同轴。

地面激光雷达通常是向上的，而星载的激光雷达通常是俯视的。机载激光雷达可以是向上或向下看，取决于应用程序的需要。

Bandwidth Consideration

发射机和接收机的可能组合

Wavelength Consideration

决定波长选择的三个主要因素：

第一，检测对象-是否需要特定波长，例如Na或Fe原子跃迁波长，或H2差分吸收波长。

第二，太阳光谱强度-低太阳辐射是有益的在白天安装信号音调比（SNR）。通常紫外太阳辐射低于可见光和红外。

第三，激光通过介质（如大气或水）的传输。此外，可用的硬件往往是主要的限制。

太阳辐射中的Fraunhofer线是由若干条线组成的

在连续太阳光谱的明亮背景下出现的上百条黑线，是由太阳外层大气中较冷的气体以与这些气体的原子跃迁频率相对应的频率吸收光而产生的，如原子H、Fe、Na、K、Ca、Mg、Li等，或地球大气中的氧。

Fraunhofer Lines

夫琅和费线是以这位德国物理学家的名字命名的Joseph von Fraunhofer（1787-1826）。

在Fraunhofer深部工作的激光雷达线路得益于较低的太阳背景。

Nighttime-Only & Full Diurnal

这主要是对背景抑制的考虑。

即使只在夜间工作，干扰滤光片也是必要的，以抑制背景（如月亮、星星或城市光）并确保光电探测器的安全运行。

与仅在夜间运行相比，白天运行需要在强得多的太阳背景下进行额外的抑制。不仅需要带宽非常窄的额外频谱滤波器，还需要空间滤波器或最小化滤波器。

视场对于很大程度上抑制太阳背景是必要的。当然，这也受到层饱和或几何重叠问题的限制。

两种主要的窄带光谱滤波器：F-P标准具和原子/分子光谱过滤器（如法拉第过滤器或碘过滤器）。

Lidar Types & Hardware

传统的Mie、Rayleigh、Raman激光雷达：

宽带谐振

荧光激光雷达：

窄带共振

荧光激光雷达：

宽带差分吸收激光雷达：

窄带差分吸收激光雷达：

相干多普勒激光雷达：

直接探测测风激光雷达：

瑞利多普勒：

高光谱分辨率激光雷达：

Transmitter & Receiver

根据应用需求和激光雷达类型，可能有几种可能的发射器和接收器组合，以满足相同的目标。根据科学需要、技术可行性、成本、性能、可靠性等选择最佳方案。

可调谐激光器的选择取决于应用的需要，例如共振荧光和拨号激光雷达需要可调谐，而传统的Mie、Rayleigh和Raman散射激光雷达只需要固定的波长。

脉冲能量、重复频率和持续时间的选择，主要考虑信噪比、测量分辨率以及整个系统的成本、体积、质量等。

选择远程的面积、类型、结构；探测器类型、尺寸、量子效率、最大计数率；

滤波器的类型、尺寸、带宽、传输，主要关系到信噪比、测量分辨率以及整个系统的成本、体积、质量等。

Further Considerations

是否记录每个脉冲？

bit宽度或分辨率

是否记录系统参数？

定时控制

移动还是不移动？

是否需要精确的光束点控制？

是否需要实时数据缩减？

眼睛安全与否？

Summary

激光雷达体系结构是激光雷达设备的一门技术结构，涉及到激光雷达的硬件和软件、激光雷达的配置和布局等。

激光雷达的基本结构包括激光雷达发射器、接收器和数据采集和控制系统。有的合并了收发机。基本的激光雷达配置是双基地和单基地配置。基本的激光雷达布置是双轴和同轴布置。

设计基于对所涉及的物理相互作用和过程的理解、激光雷达模拟以及激光雷达类型、配置、布局以及硬件和软件的选择，以设计满足测量目标（主题、准确的、精度、分辨率、可靠性等）的激光雷达。

除了基本结构、配置和布局外，还应更多考虑波长（具体要求和太阳光谱强度）、发射器和接收器的带宽（应用需求-光谱是否解决，仅夜间或全日循环）、激光功率/能量、重复率，脉冲持续时间、接收面积、探测器效率和性能、数据采集软件、系统定时和协调控制。成本、体积、质量、可靠性等也将成为现实。