雷达散射截面测量系统

近期，科技部印发了2014年度国家星火计划、火炬计划、重点新产品计划和软科学研究计划立项清单。无锡中科光电技术有限公司的“基于激光光散射谱技术的智能传感器的产业化”成功入围国家火炬计划创新性产业集群项目。 本项目产品创新采用双波长三通道探测技术，发射20mJ高能量双波长激光，其中355nm激光因波长与细颗粒物直径相仿，散射截面大，回波信号强，特别适合灰霾等细颗粒物的探测；同时，532nm波长是人眼最敏感的波段，这一波长的颗粒物消光与大气能见度息息相关，其测量结果与视觉主观感受基本一致。接收望远镜收集颗粒物和云等对激光的后向散射回波，通过355nm回波信号以及532nm的垂直和平行偏振信号，分析颗粒物消光和退偏振特性，再结合其它信息，反演出颗粒物质量浓度的空间分布和边界输送通量。解决了微脉冲雷达霾层穿透能力差、回波信号弱、反演精度低的缺点，同时提高了对细颗粒物的探测能力，最小可探测粒径达5nm。 注：国家火炬计划项目，是以国内外市场需求为导向，以国家、地方和行业的科技攻关计划、高新技术研究开发计划成果及其他科研成果为依托，以发展高新技术产品、 形成产业为目标，择优评选并组织开发的具有先进水平和广阔的国内外市场及较好经济效益的高科技项目。其重点发展领域是：新材料、生物技术、电子与信息、光 机电一体化、新能源、高效节能与环保。

无人机自动分析识别检测系统方案一、方案背景低空无人机(Unmanned Aerial Vehicle缩写 UAV )也称为无人航空器或遥控驾驶航空器，是一种由无线电遥控设备控制，或由预编程序操纵的非载人飞行器。无人机具有机动灵活的特点，它体积小，重量轻，可随时运输和携带。它对起降的要求低，随时飞降。无人机一般在云下低空平稳飞行，弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷。除了具有广阔的军事应用前景外，用无人机替代有人飞机执行高风险任务，也是当今国际航天领域一个重要发展方向。特别是在近几年国际局部战争中无人机被大量地使用。对无人机的监管存在盲区，无人机的大量使用更是给公共安全带来隐患。本来是为合法用途使用的无人机越来越多的被用于犯罪目的。公众已经日渐强烈的意识到了无人机可能造成的危害。无人机能窥探隐私/技术；无人机能影响民航 – 接近撞机；无人机可能会出现在敏感地区、关键位置和政府设施区域；无人机甚至能自动射击… … 最近两年，全国已发生多起无人机空中逼停飞机事件，成为民航飞行的“隐形杀shou”。2013年底，北京一家公司在没航拍资质、未申请空域的情况下航空测绘，造成多架次民航飞机避让延误。2017年浙江萧山机场、绵阳机场，此次成都机场都是由于不明无人机，导致了数百架飞机延误，数万人滞留，给国家和人民带来的损失是数以亿计的。二、无人机监测与反制现状2.1无人机控制链路介绍无人机如何控制呢？无人机使用无线链路进行远程控制和视频数据回传，超过90% 的无人机使用ISM频段 (2.4GHz) 操作，包括跳频， Wi-Fi等， 其中控制链路采用：常用的频率为 ISM 频段: 2.4 GHz， 5.8 GHz很少使用: 433 MHz， 比2.4GHz传播距离更远少量使用过时的遥控频段: 27 MHz， 35 MHz， 72 MHz (使用 PCM 或模拟编码)，这类无人机逐步消失了。无人机根据价格水平有不同的控制方式，比如一些低成本的无人机采用蓝牙技术（ISM2.4GHz）；大部分无人机采用Wi-Fi或跳频（ISM2.4GHz）；也有部分高端无人机采用基于预设路径的卫星导航。 2.2无人机主要监控方式各国对无人机的监控主要的手段分为两种方式：行政监管、技术防范。2.2.1行政监管：日本为了加强无人机管理，实施了新的《航空法》，规定人口集中的地区一律禁止飞无人机，防止无人机引发事故或被用于犯罪，违者将处以50万日元的罚款；英国对无人机使用也作出规定，航空法第166条第三款规定，小型无人机操作员必须保持时时刻刻能看见无人机，对无人机能够完全掌控，在飞行时应与其它飞行器、人群、车辆以及建筑保持一定的距离，以免发生碰撞事故。2.2.2技术防范从技术角度来说。目前，国外无人机反制技术大致有信号干扰、雷达探测、激光炮击落、综合型技术等几大类。（1）信号干扰：无人机工作时需要知道自己的精确位置，但无人机自身无法获得足够精确坐标数据，因此，无人机上通过安装GPS信号接收机，采用GPS卫星导航系统与惯性导航系统相结合的方式进行飞行控制。信号干扰技术是通过影响无人机的GPS信号接收机，使其只能依靠基于陀螺仪的惯性导航系统，而无法获得足够精确的自身坐标数据。美国DroneDefender电波枪打击技术美国俄亥俄州非盈利开发机构“巴特尔”(Batfeoe)最近推出了一种DroneDefender反无人机设备。DroneDefender设备前端上部安装了一根白色的杆状天线。这种设备采用非破坏性技术，是首款能移动、精准、快速阻止可疑无人机靠近的专用设备。用户只需将其指向空中的无人机，扣下扳机，就可以将目标“击落”。该设备只对实时遥控型无人机或依靠GPS导航的无人机有效(如常见的四轴飞行器和六轴飞行器)，打击范围约400米；欧洲空客集团反无人机系统，空中客车防务及航天公司研发了一种反无人机系统，采用干扰技术对目标信号的频率进行干扰，而不会影响到周围其他频率的信号。该系统可远距离侦察在争议地区飞行的非法无人机并实施打击，同时又能尽可能地减少对其他物体的影响。该系统具备信号分析技术和干扰功能，并配有雷达、红外相机和定向仪，可以侦察到5至10公里范围内的无人机，还可对无人机的威胁性做出判断。基于庞大的信息库信息，该系统还可以对无人机的信号进行分析，一旦发现问题，系统就会通过干扰台切断无人机与其操作人员之间的联系，然后定向仪会追踪到无人机操作人员的具体位置，便于实施抓捕行动。（2）雷达探测：瑞典“长颈鹿”雷达系统，据美国H JS　Jane’s国防、安全情报网站2015年9月1 6日报道，瑞典萨博公司在苏格兰的西弗瑞格(WestFreuqh)靶场演示验证了其“长颈鹿”捷变多波束(AMB)雷达系统对低空、低速小型目标的探测能力。此次试验名为“布里斯托15”，显示了该雷达对低空、低速小型目标强大的探测能力(ELSS)，该雷达在执行全部空中监视任务的同时，能够执行反无人飞机系统(UAS)作战任务。在“布里斯托15”试验中，雷达散射截面精确到0.001平方米，增强了对低空、低速小型目标的探测能力，可自动识别低空、低速小型目标并对其进行跟踪，业余爱好者操作低速、小型四轴无人飞机系统。“长颈鹿”捷变多波束雷达系统属于地面和海洋的二维或三维G／H波段被动电子扫描阵列雷达家族系列，可在提供海岸监视能力的同时，对固定翼飞机、直升机、地面目标、干扰机和弹道目标进行分类与跟踪；意大利“猎鹰盾”系统2015年9月15日，在英国伦敦举办的英国军警装备展DSEI上，意大利芬梅卡尼卡集团SeIex ES公司展示了其研发的“猎鹰盾”无人机系统。该系统能够定位、辨识和控制对公共安全或是私人构成威胁的远程微型或者小型无人机，即所谓的“流氓无人机”。该公司称，这种设备的市场价值可能达数亿英镑；“猎鹰盾”系统利用摄像机、雷达和先进的电子设备监控无人机接收和传输的信号，从而对其进行追踪并确定其类型。一旦锁定目标，“猎鹰盾”就会利用其专有技术控制无人机，甚至将其坠毁。与其他企业利用电子战击毁无人机的系统相比，“猎鹰盾”优势在于，在精准击落“流氓”无人机的同时，可以有效避免对周边建筑物等环境造成伤害。此外，发送无线电信号控制无人机时，还不会妨碍紧急救援服务甚至移动通讯等其他重要信号的传输；墨西哥JAMMER公司防卫系统墨西哥JAMMER公司开发了Tamce Bloqueador Direccional Anti-Drone防卫系统，用于家庭防空。系统的干扰功率为20瓦，可压制几百毫瓦的无人机。启动开关后，干扰器可以干扰2．4G和5．8G信号，这对于大部分消费级无人机来说，遥控信号和图传信号都会丢失，丢失了信号后无人机只能返航或者原地降落；美国Drone Shield公司监测系统美国无人机探测系统制造商Drone Shield研发出了利用雷达或麦克风来监测无人机的技术。它内置了Raspberry Pi、信号处理器、麦克风、分析软件、无人机声音特性的数据库，通过监听周围环境的声音，通过声音对比确定是否有无人机。当有无人机在附近时，通过邮件或者短信发出警报。从原理上来看，预警技术并不难，因此监控的准确性和低误报率就非常关键，在这方面，Drone Shield拥有自己的专利技术。据悉，美国当局已经利用这种系统来为监狱、体育赛事和政府大楼提供安保。（3）综合型技术:英国反无人机防御系统AUDS，2015年10月，英国广播公司、美国国土安全新闻网、俄罗斯卫星网等网站分别对英国完全集成的“反无人机防御系统(AUDS)”进行报道。该系统俗称电磁干扰射线枪，由英国的三家防务技术公司(Blighter Surveillance　Systems，Chess Dynamics和Enterprise　Control Systems公司)联合研发，可以探测、跟踪并摧毁小型和大型无人机。该系统可以全天24小时开机，全自动运行。首先使用雷达和光学仪器(即雷达探测系统)搜索无人机，当雷达或光学系统探测到目标后，动态定位和视频追踪系统进行跟踪，随后定向射频干扰系统开始工作，发射定向的大功率干扰射频，干扰无人机自控系统，切断无人机与后方控制中心之间的数据联接或无线电通讯，致使无人机无法自主飞行，导致坠毁、迫降或者返航。AUDS系统的售价约为100万美元，可以安装在车载平台上，部署到军事前线、偏远边境或城市地区执行反无人机任务。该系统由三个子系统和一套总控设备组成。三个子系统分别是雷达探测系统、动态定位和视频追踪系统、定向射频干扰装置。雷达探测系统由Blighter公司研制，据称可探测反射面积0.01平方米大小的目标，最远探测距离可达8公里，并通过选配不同的天线来实现俯仰角度和水平旋转角度的变化；动态定位和视频追踪系统由CHESS dynamic公司开发，由一个可以旋转的机械平台加上高分辨的摄像机和热成像相机组成，以实现视频追踪，可以选装光学干扰装置发出高密度光束；定向射频干扰装置由Enterprise Control Systems公司研发，它使用高增益四频段天线来对准目标发出电波，可以使在C2频道下工作的无线遥控装置失灵，无法接收到指令的无人机只能盘旋不动，直到电力耗尽坠毁。报道称，该系统于2015年5月首次公开亮相，并在欧洲(如英国、法国)和北美(如美国)野外与城市等不同地形环境中进行了测试；泰利斯公司组合装备泰利斯公司正在推出一种由雷达、声像探测器、定向仪、射频和视频定位器和激光扫描装置组成的组合设备。对非法无人机的压制任务由动能杀伤武器完成，也可以通过激光干扰、选择性干扰、GPS电子欺骗、电磁脉冲来完成，还可以用另外一架装备干扰设备的无人机进行拦截。泰利斯公司已经针对4旋翼无人机和其他小型无人机进行过反无人机的技术试验。（4）其他技术：无线电控制采用接收器追踪并确定无人机，使用足够强大的电子信号照射无人机，夺取其无线电控制权。操作过程中，一旦无人机不能接收信号，就会坠毁，通过借助阻截无人机使用的传输代码，进而控制无人机，令其返航。美国联邦航空管理局(FAA) 与信息技术公司CACI推出了SkyTracker系统，该系统可在敏感地带如机场周围构建电子边界线。CACI表示，该系统可利用无人机无线电线路来识别和定位在禁飞或受保护空域内飞行的无人机，还可定位无人机的操纵人员。CACI网站提到：“CACI系统可精确定位黑飞无人机，并可将同一空域内其它无人机与此区别出来。”CACI称，SkyTracker还可有效地阻止指定无人机；微波干扰，微波武器又叫射频武器，这种武器可利用高能量的电磁波辐射去攻击和毁伤目标。与激光武器相比，微波武器作用距离远，受气候影响小，火力控制方便。军事专家们预测，随着新技术、新材料的不断发展，微波武器将会发挥越来越多的作用。俄罗斯联合仪表制造集团已制成超高频率微波炮，可用于帮助地对空导弹“山毛榉”攻击无人机及高精度武器电子设备。微波炮射程超过10公里，将其安装在特殊平台上可实现360度全方位防御。该款武器除了可搭配“山毛榉”地对空导弹用于防空外，还可检测俄军电子系统抗微波辐射能力；声波干扰，声波干扰技术就是利用声波使陀螺仪发生共振，输出错误信息，从而导致无人机坠落。研究人员发现，如果声音足够强(例如达到140分贝)，声波可以击落40米外的无人机。韩国2015年8月公开了一种利用声波干扰陀螺仪击落无人机的技术。研究人员给无人机接上非常小的商用扬声器，扬声器距离陀螺仪4英寸(约10厘米)左右，然后通过笔记本电脑无线控制扬声器发声。当发出与陀螺仪匹配的噪声时，一架本来正常飞行的无人机会忽然从空中坠落。当然，在真实的攻击场景中是不可能把扬声器接到无人机上的，这种方法还不是真正有效的反无人机措施。目前存在的难点在于瞄准和跟踪，未来可能与跟踪雷达配合使用。三、系统实现 目前国内低慢小目标探测需求突现，其中蕴藏的巨大市场需求。本系统依托激光雷达技术，多无人机进行实时在线监测。该系统可以全天24小时开机，全自动运行。首先使用激光雷达和光学仪器(即雷达探测系统)搜索无人机，当雷达或光学系统探测到目标后，动态定位和视频追踪系统进行跟踪。 整套系统由三部分组成：激光雷达探测系统、旋转云台、动态定位和视频追踪系统、定向射频干扰系统。光电设备，先由激光雷达，最远探测距离可达20公里，最小分辨率可达0.01m2大小的目标，发现目标后，动态视频追踪系统根据目标距离自动调节光学摄像机和热成像相机焦距，依靠旋转云台进行动态定位及视频追踪，提高系统检测的准确性及无人机的移动趋势；定向射频干扰系统根据无人机运行轨迹及距离，定向发射射频干扰或捕捉网等手段，对无人机进行干扰及捕捉。系统可以安装在车载平台上，部署到军事前线、偏远边境或城市地区执行反无人机任务。四、优势比较到目前为止，大多数雷达都是所谓的脉冲雷达。例如，这适用于几乎所有用于空中交通管制的雷达。脉冲雷达以固定的间隔发射短而强大的脉冲，并且该脉冲的一些被物体反射。通过测量发送和接收反射信号之间的时间，可以计算到物体的距离。脉冲雷达系统擅长检测大面积天空内的物体，并确定与物体的距离。另一方面，它们不太适合确定物体的速度和方向。多普勒雷达系统传输恒定信号。利用多普勒效应，当发射它的物体远离观察者时，信号的波长增加，而当物体向观察者移动时，信号的波长减小。正是这种效应导致救护车警报器在驶过后发出不同的声音。物体移动得越快，效果越强。因此，多普勒雷达可以基于从物体反弹回来的信号波长的变化以非常高的精度确定物体的速度。还可以以非常高的精度确定物体的运动方向。多普勒雷达系统提供了有关被检测物体的更多信息。另一方面，教科书会说多普勒雷达在覆盖大片天空和确定物体距离方面不如脉冲雷达。无人机的飞行速度非常慢。这使得它们难以使用脉冲雷达进行检测，也不适用于多普勒雷达系统。因为即使整个无人机移动缓慢，转子也会快速移动，并在多普勒雷达中产生独特的信号。“除了它们的小尺寸以及它们可以飞得极低的事实之外，无人机还带来了其他一些挑战。无人机尤其具有极强的机动性。熟练的操作员可以利用它来将无人机隐藏在不相关的物体之间，如树木，建筑物，鸟类等。这需要雷达集成的光学系统。通过组合雷达和光学传感器，跟踪无人机同时避免误报，例如当一只鸟飞过时更加可行。光学传感器还有助于识别无人机。激光雷达，采用不可见光对空域进行360°全方位不间断探测，整个系统具有以下优势：1、测量精度更高：激光雷达在测距领域拥有突出优势，测量更加准确。2、全机型覆盖式监测：激光雷达通过发出的光路对空域进行不间断扫描，当无人机出现在空域后，根据反射光的区别进行监测。完全覆盖全部无人机机型，从根本上解决了依靠不同频段监测对应频段无人机的弊端，真正实现了全机型覆盖式监测。3、高可靠性：动态视频追踪系统根据目标距离不同自动调节光学摄像机和热成像相机焦距，依靠旋转云台进行动态定位及视频追踪，大大提高系统检测的准确性，降低系统误报记录，可靠性高。五、系统结构图 创新点：通过组合雷达和光学传感器，跟踪无人机同时避免误报，例如当一只鸟飞过时进行区分。光学传感器还有助于识别无人机。激光雷达，采用不可见光对空域进行360° 全方位不间断探测，整个系统具有以下优势：1、测量精度更高：激光雷达在测距领域拥有突出优势，测量更加准确。2、全机型覆盖式监测：激光雷达通过发出的光路对空域进行不间断扫描，当无人机出现在空域后，根据反射光的区别进行监测。完全覆盖全部无人机机型，从根本上解决了依靠不同频段监测对应频段无人机的弊端，真正实现了全机型覆盖式监测。3、高可靠性：动态视频追踪系统根据目标距离不同自动调节光学摄像机和热成像相机焦距，依靠旋转云台进行动态定位及视频追踪，大大提高系统检测的准确性，降低系统误报记录，可靠性高。

作者：Pro-Lite Technology Ltd 产品经理 Russell Bailey 和 Labsphere Inc 首席技术专家兼产品营销经理 Greg McKee图1 激光雷达激光雷达是一项成熟的技术，越来越多地部署在消费产品和无人驾驶车辆中。LIDAR 是 Light Detection And Ranging 的首字母缩写词。激光雷达系统已经使用了 50 多年，但直到最近，此类系统的成本仍使它们无法在大众市场中广泛应用。尽管雷达在自动驾驶汽车技术（例如自适应巡航控制系统）中被广泛应用，但LIDAR被认为是驾驶员辅助汽车的首选传感器，因为它可以精确地映射位置和距离，从而检测小物体和3D成像。它使用带有飞行时间感应的脉冲激光和固态光来测量距离。激光雷达系统的表征要求在宽反射率动态范围内补偿传感器对脉冲激光或固态光水平的响应。为此，需要使用已知和稳定反射率的大面积反射率漫反射目标板。Labsphere（蓝菲光学）的Permaflect漫反射涂层目标板，范围从5%到94%的反射率，使汽车制造商 OEM 及其供应商能够在广泛的环境条件下表征和校准其 LIDAR 系统。图2 Labsphere（蓝菲光学）的Permaflect漫反射涂层目标板激光雷达技术激光雷达最基本的形式是激光测距仪，自20世纪80年代以来已广泛应用于军事应用。激光测距仪由一个脉冲激光器(发射器)和一个光电探测器(接收器)组成。测距仪的设计可精确测量距离(所谓的“测距”)，主要测量激光脉冲被反射和接收到探测器所花费的时间(这被称为“飞行时间”测量)。测距仪对准目标物并发射激光脉冲。激光击中目标，被散射，并且一部分反射光由探测器测量。由于光速非常精确，因此可以非常精确地测量测距仪和目标物之间的距离。更先进的激光雷达系统使用相同的原理，但使用光学和移动或多个探测器在二维中映射目标。这些系统通常每秒脉冲数千次，每秒可以探测到数千个点。分析该点云的数据可以创建目标区域的准确映射。激光雷达的工作方式类似于雷达和声纳，它们分别使用无线电波和声波。来自雷达和声纳的数据可用于以类似方式映射周围环境，但激光雷达系统使用的是较短波长的红外辐射，而不是较短波长的无线电波。由于使用的波长较短，激光雷达测量比雷达更准确。部署在自动驾驶汽车上的激光雷达系统通常使用扫描激光束和闪光技术来测量空间中相对于传感器的 3D 点。这些激光雷达系统通常每秒发射数千个激光脉冲，以便车辆可以对行人和其他车辆等障碍物做出反应。激光雷达允许自动驾驶汽车以高精度、高分辨率和长检测距离传送和接收物体和周围环境的反射光。目前正在开发更先进的 AI（人工智能）系统，用来预测车辆和行人路径，并做出相应反应。当您将 LIDAR 数据与定位信息（使用 GPS 或类似信息）相结合时，您就可以全面映射车辆周围环境。激光雷达的性能在很大程度上取决于所使用的激光功率和波长。出于安全原因，可使用的激光功率有一个上限。在没有更高的激光功率的情况下，你可以使用更高灵敏度的探测器，或者使用波长延伸到更远的红外(IR)的激光。由于现有激光器的技术成熟，通常使用的波长为850nm、905nm或1550nm。1550nm激光比其他选择更安全，因为超过1400nm的红外辐射不会再通过眼睛的角膜，所以不会聚焦在视网膜上，但因水对1550nm的光吸收较强，1550nm要求更多的功率来补偿。消费电子产品和自动驾驶汽车中的激光雷达激光雷达作为关键性技能与摄像头系统和其他传感器一起在自动化中应用。激光雷达系统已经在专业测绘和相关应用中商用多年。然而，直到最近几年，激光雷达才变得越来越普遍，这主要是由于自动驾驶汽车应用（无人驾驶汽车）需要更小、更便宜的设备。自上世纪90年代初以来，激光雷达已作为自适应巡航控制的基础应用于半自动驾驶汽车，而激光雷达首次应用于自动驾驶汽车是在2005年。在消费电子领域，最新一代的 Apple iPad Pro（以及现在的 iPhone 12 Pro）已将 LIDAR 传感器集成到其摄像头阵列中，专门用于成像和增强现实 (AR) 应用。LIDAR 传感器可使 iPad 正确解析真实物体相对于由相机阵列成像的 AR 物体的位置。AR 还处于起步阶段，因此 LIDAR 在智能手机和其他消费设备上的应用还有待观察，但人们对为专业应用开发的 AR 产生了极大的兴趣，其中 LIDAR 可以成为非常有用的增强功能。专业 AR 的应用多种多样，从帮助仓库工人找到最快、最安全的路径到所需零件，到辅助工程师了解复杂维修的过程。这些应用中的激光雷达可精确定位和对齐，这对于任何需要高精度的应用都很重要。漫反射目标板在激光雷达系统测试与标定中的作用多年来，Pro-Lite 和Labsphere（蓝菲光学）多年来使用漫反射板一直在支持开发 LIDAR 系统开发。Labsphere（蓝菲光学） 更紧凑的 Spectralon 漫反射目标板通常被军方用于测试激光测距仪。精确校准的光谱反射率与近朗伯（漫反射）反射率相结合，意味着对于这些应用，您有一个准确性、重复性的漫反射目标板可在实验室或现场测试您的系统。用于更大规模测绘或自动驾驶汽车应用的激光雷达系统需要更大的目标区域。由于大多数自然物体都会漫反射光线，因此 Labsphere （蓝菲光学）的漫反射材料是用户的自然选择，可以提供质量保证、现场测试和比较。Labsphere（蓝菲光学） 开发了 Permaflect 目标板，以满足对大面积、耐用和光学稳定目标板材料的需求。大的漫反射目标板尺寸（标准尺寸高达 1.2m x 2.4m）与校准的光谱反射率数据相结合，可以精确测量 LIDAR 范围。在 100m、200m、300m 等长距离测试距离内，则需要更大的目标板来反映目标上具有代表性的点数。Permaflect 是一种喷涂漫反射涂层，可以将其应用于大面积或 3D 形状，从而可以模拟真实世界的物体。现实世界中很少有物体像目标面板一样平坦，因此 Permaflect 涂层物体可以实现可重复的近朗伯反射率水平，例如，可以应用于人体模型以模拟行人。图3 Labsphere（蓝菲光学） Permaflect 喷涂人体模型LIDAR 漫反射目标板通常部署在室外，因此随着时间的推移，当漫反射目标板的表面暴露在大气中时，可以预期校准的反射率值会出现一些漂移。Labsphere （蓝菲光学）的漫反射材料易于清洁。为了考察是否有反射率的下降，可以使用校准的反射率计（“反射率计”），它可原位测量漫反射目标板反射率并将红外反射率的任何变化考虑到内。漫反射目标板反射率的变化将直接影响测量范围。下图显示了不同漫反射目标板反射率水平范围内反射率变化对测量范围的影响。反射率的微小变化会对较低反射率目标板的测量范围产生很大影响。例如，如果目标板的反射率从5%降低到 4%，则原先 300 m的测量范围将下降到30 m。实时了解情况发生的方法是测量目标板的反射率，然后根据此调整修正您的计算。图4 Labsphere （蓝菲光学）漫反射板反射率测试仪（反射率计）图5 在300nm波长下对物体反射率进行距离测量的模拟灵敏度Labsphere（蓝菲光学） 的激光雷达反射仪套件就是为满足这一要求而开发的。这款手持式反射计测量测量在三个波长（使用可互换的 850nm、905nm 或 1550nm LED）中的8°/半球反射率。观看Labsphere 视频库中的短视频。这可用于验证 Permaflect 目标板或测试 LIDAR 系统的任何其他对象的反射率。图6 Labsphere 开发了 Permaflect 漫反射目标板，以满足对大面积、耐用和光学稳定漫反射目标板材料的需求。

近日，英国科学家首次展示了一种新型激光雷达系统，其使用量子探测技术在水下获取3D图像。该系统拥有极高的灵敏度，即便在水下极低的光线条件下也能捕获详细信息，可用于检查水下风电场电缆和涡轮机等设备的水下结构，也可用于监测或勘测水下考古遗址，以及用于安全和防御等领域。 在水下实时获取物体的3D图像极具挑战性，因为水中的任何粒子都会散射光并使图像失真。基于量子的单光子探测技术具有极高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。在最新研究中，研究人员设计了一个激光雷达系统，该系统使用绿色脉冲激光源来照亮目标场景。反射的脉冲照明由单光子探测器阵列检测，这一方法使超快的低光检测成为可能，并在光子匮乏的环境（如高度衰减的水）中大幅减少测量时间。激光雷达系统通过测量飞行时间（激光从目标物体反射并返回系统接收器所需的时间）来创建图像。通过皮秒计时分辨率测量飞行时间，研究人员可以解析目标的毫米细节。最新方法还能区分目标反射的光子和水中颗粒反射的光子，使其特别适合在高度浑浊的水中进行3D成像。他们还开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将其与图形处理单元硬件结合使用。在3种不同浊度水平下的实验表明，在3 m距离的受控高散射场景中，3D成像取得了成功。量子检测技术在陆地上的应用，较多见诸报道。其实这种技术在水下的应用，同样空间广阔。例如，利用它进行海底地形勘测、水下考古、海底设备检测等等。不过，将这种技术应用于水下，绝对不意味着将其直接“照搬”。以在海洋中的应用为例，需要考虑海水的腐蚀性、洋流的运动、海底光照条件等多种特殊因素。因此需要使用特殊的耐腐蚀材料，进行特殊的设计，以更加适应水下环境的应用。

激光雷达是集激光、全球定位系统（GPS）、和IMU（惯性测量装置）三种技术于一身的系统，相比普通雷达，激光雷达具有分辨率高，隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势。随着科技的不断发展，激光雷达的应用越来越广泛，在机器人、无人驾驶、无人车等领域都能看到它的身影，有需求必然会有市场，随着激光雷达需求的不断增大，激光雷达的种类也变得琳琅满目，按照使用功能、探测方式、载荷平台等激光雷达可分为不同的类型。激光雷达类型图激光雷达按功能分类激光测距雷达激光测距雷达是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。传统上，激光雷达可用于工业的安全检测领域，如科幻片中看到的激光墙，当有人闯入时，系统会立马做出反应，发出预警。另外，激光测距雷达在空间测绘领域也有广泛应用。但随着人工智能行业的兴起，激光测距雷达已成为机器人体内不可或缺的核心部件，配合SLAM技术使用，可帮助机器人进行实时定位导航，实现自主行走。思岚科技研制的rplidar系列配合slamware模块使用是目前服务机器人自主定位导航的典型代表，其在25米测距半径内，可完成每秒上万次的激光测距，并实现毫米级别的解析度。激光测速雷达激光测速雷达是对物体移动速度的测量，通过对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，从而得到该被测物体的移动速度。激光雷达测速的方法主要有两大类，一类是基于激光雷达测距原理实现，即以一定时间间隔连续测量目标距离，用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距离差值的正负就可以确定。这种方法系统结构简单，测量精度有限，只能用于反射激光较强的硬目标。另一类测速方法是利用多普勒频移。多普勒频移是指目标与激光雷达之间存在相对速度时，接收回波信号的频率与发射信号的频率之间会产生一个频率差，这个频率差就是多普勒频移。激光成像雷达激光成像雷达可用于探测和跟踪目标、获得目标方位及速度信息等。它能够完成普通雷达所不能完成的任务，如探测潜艇、水雷、隐藏的军事目标等等。在军事、航空航天、工业和医学领域被广泛应用。大气探测激光雷达大气探测激光雷达主要是用来探测大气中的分子、烟雾的密度、温度、风速、风向及大气中水蒸气的浓度的，以达到对大气环境进行监测及对暴风雨、沙尘暴等灾害性天气进行预报的目的。跟踪雷达跟踪雷达可以连续的去跟踪一个目标，并测量该目标的坐标，提供目标的运动轨迹。不仅用于火炮控制、导弹制导、外弹道测量、卫星跟踪、突防技术研究等，而且在气象、交通、科学研究等领域也在日益扩大。按工作介质分类固体激光雷达固体激光雷达峰值功率高，输出波长范围与现有的光学元件与器件，输出长范围与现有的光学元件与器件(如调制器、隔离器和探测器）以及大气传输特性相匹配等，而且很容易实现主振荡器-功率放大器（MOPA）结构，再加上效率高、体积小、重量轻、可靠性高和稳定性好等导体，固体激光雷达优先在机载和天基系统中应用。近年来，激光雷达发展的重点是二极管泵浦固体激光雷达。气体激光雷达气体激光雷达以CO2激光雷达为代表，它工作在红外波段 ，大气传输衰减小，探测距离远，已经在大气风场和环境监测方面发挥了很大作用，但体积大，使用的中红外 HgCdTe探测器必须在77K温度下工作,限制了气体激光雷达的发展。半导体激光雷达半导体激光雷达能以高重复频率方式连续工作，具有长寿命，小体积，低成本和对人眼伤害小的优点，被广泛应用于后向散射信号比较强的Mie散射测量，如探测云底高度。半导体激光雷达的潜在应用是测量能见度，获得大气边界层中的气溶胶消光廓线和识别雨雪等，易于制成机载设备。目前芬兰Vaisala公司研制的CT25K激光测云仪是半导体测云激光雷达的典型代表，其云底高度的测量范围可达7500m。按线数分类单线激光雷达单线激光雷达主要用于规避障碍物，其扫描速度快、分辨率强、可靠性高。由于单线激光雷达比多线和3D激光雷达在角频率和灵敏度反映更加快捷，所以，在测试周围障碍物的距离和精度上都更加精 确。但是，单线雷达只能平面式扫描，不能测量物体高度，有一定局限性。当前主要应用于服务机器人身上，如我们常见的扫地机器人。多线激光雷达多线激光雷达主要应用于汽车的雷达成像，相比单线激光雷达在维度提升和场景还原上有了质的改变，可以识别物体的高度信息。多线激光雷达常规是2.5D，而且可以做到3D。目前在国际市场上推出的主要有 4线、8线、16 线、32 线和 64 线。但价格高昂，大多车企不会选用。按扫描方式分类MEMS型激光雷达MEMS 型激光雷达可以动态调整自己的扫描模式，以此来聚焦特殊物体，采集更远更小物体的细节信息并对其进行识别，这是传统机械激光雷达无法实现的。MEMS整套系统只需一个很小的反射镜就能引导固定的激光束射向不同方向。由于反射镜很小，因此其惯性力矩并不大，可以快速移动，速度快到可以在不到一秒时间里跟踪到 2D 扫描模式。Flash型激光雷达Flash型激光雷达能快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦，它运行起来比较像摄像头。激光束会直接向各个方向漫射，因此只要一次快闪就能照亮整个场景。随后，系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。Flash LiDAR有它的优势，当然也存在一定的缺陷。当像素越大，需要处理的信号就会越多，如果将海量像素塞进光电探测器，必然会带来各种干扰，其结果就是精度的下降。相控阵激光雷达相控阵激光雷达搭载的一排发射器可以通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向。目前大多数相控阵激光雷达还在实验室里呆着，而现在仍停留在旋转式或 MEMS 激光雷达的时代，机械旋转式激光雷达机械旋转式激光雷达是发展比较早的激光雷达，目前技术比较成熟，但机械旋转式激光雷达系统结构十分复杂，且各核心组件价格也都颇为昂贵，其中主要包括激光器、扫描器、光学组件、光电探测器、接收IC以及位置和导航器件等。由于硬件成本高，导致量产困难，且稳定性也有待提升，目前固态激光雷达成为很多公司的发展方向。按探测方式分类直接探测激光雷达直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，则可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度。相干探测激光雷达相干探测型激光雷达有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径，并由发送-接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学孔径，分别供发送与接收信号使用，发送-接收开关自然不再需要，其余部分与单稳系统相同。按激光发射波形分类连续型激光雷达从激光的原理来看，连续激光就是一直有光出来，就像打开手电筒的开关，它的光会一直亮着（特殊情况除外）。连续激光是依靠持续亮光到待测高度，进行某个高度下数据采集。由于连续激光的工作特点，某时某刻只能采集到一个点的数据。因为风数据的不确定特性，用一点代表某个高度的风况，显然有些片面。因此有些厂家折中的办法是采取旋转360度，在这个圆边上面采集多点进行平均评估，显然这是一个虚拟平面中的多点统计数据的概念。脉冲型激光雷达脉冲激光输出的激光是不连续的，而是一闪一闪的。脉冲激光的原理是发射几万个的激光粒子，根据国际通用的多普勒原理，从这几万个激光粒子的反射情况来综合评价某个高度的风况，这个是一个立体的概念，因此才有探测长度的理论。从激光的特性来看，脉冲激光要比连续激光测量的点位多几十倍，更能够精确的反应出某个高度风况。按载荷平台分类机载激光雷达机载激光雷达是将激光测距设备、GNSS设备和INS等设备紧密集成，以飞行平台为载体，通过对地面进行扫描，记录目标的姿态、位置和反射强度等信息，获取地表的三维信息，并深入加工得到所需空间信息的技术。在军民用领域都有广泛的潜力和前景。机载激光雷达探测距离近，激光在大气中传输时，能量受大气影响而衰减，激光雷达的作用距离在20千米以内，尤其在恶劣气候条件下，比如浓雾、大雨和烟、尘，作用距离会大大缩短，难以有效工作。大气湍流也会不同程度上降低激光雷达的测量精度。车载激光雷达车载激光雷达又称车载三维激光扫描仪，是一种移动型三维激光扫描系统，可以通过发射和接受激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出目标对象与车的相对距离，并利用收集的目标对象表面大量的密集点的三维坐标、反射率等信息，快速复建出目标的三维模型及各种图件数据，建立三维点云图，绘制出环境地图，以达到环境感知的目的。车载激光雷达在自动驾驶“造车”大潮中扮演的角色正越来越重要，诸如谷歌、百度、宝马、博世、德尔福等企业，都在其自动驾驶系统中使用了激光雷达，带动车载激光雷达产业迅速扩大。地基激光雷达地基激光雷达可以获取林区的3D点云信息，利用点云信息提取单木位置和树高，它不仅节省了人力和物力，还提高了提取的精度，具有其它遥感方式所无法比拟的优势。通过对国内外该技术林业应用的分析和对该发明研究后期的结果验证，未来将会在更大的研究区域利用该技术提取各种森林参数。星载激光雷达星载雷达采用卫星平台，运行轨道高、观测视野广，可以触及世界的每一个角落。为境外地区三维控制点和数字地面模型的获取提供了新的途径，无论对于国防或是科学研究都具有十分重大意义。星载激光雷达还具有观察整个天体的能力，美国进行的月球和火星等探测计划中都包含了星载激光雷达，其所提供的数据资料可用于制作天体的综合三维地形图。此外，星载激光雷达载植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测等方面也可以发挥重要作用。通过以上对激光雷达特点、原理、应用领域等介绍，相信大家也能大致了解各类激光雷达的不同属性了，眼下，在激光雷达这个竞争越来越激烈的赛道上，打造低成本、可量产、的激光雷达是很多新创公司想要实现的梦想。但开发和量产激光雷达并不容易。丰富的行业经验和可靠的技术才能保障其在这一波大潮中占据主导地位。

近日，中科院高能所自主研制的球面弯曲分析晶体取得突破性进展，助力高能同步辐射光源（HEPS）高能量分辨谱学线站建设。针对国内高压科学、能源材料等多学科的学科优势，为满足广大用户需求，HEPS高能量分辨谱学线站正在设计建造一台具有先进国际水平的X射线拉曼散射（XRS）谱仪—“乾坤”。其中，球面压弯分析晶体基于罗兰圆几何条件，将特定能量的X射线聚焦至探测器上，是XRS谱仪的核心光学部件。聚焦面形精度和高能量分辨是球面弯曲分析晶体的两项极为关键，又互相影响的技术指标，因而极具挑战性。“乾坤”谱仪采用6组模组化分析晶体阵列，由90余块半径1m的分析晶体构成，其晶体能量分辨的设计指标与电子-空穴态寿命展宽数量级相当，达到ΔE/E~10-5，球面弯曲面形精度满足1:1聚焦需求。在HEPS工程指挥部的部署下，HEPS高能量分辨谱学线站团队与光学设计、光学机械、光束线控制系统相关人员，联合多学科中心晶体实验室积极攻关。线站核心成员郭志英、多学科中心晶体实验室刁千顺，经过多年技术攻关和反复尝试，不断改进优化分析晶体制备工艺，最终探索出兼顾能量分辨与聚焦特性于一体的球面弯曲分析晶体制备方法。今年10月2日-5日，项目团队在北京同步辐射装置（BSRF）1W2B线站上，采用Si(111)双晶单色器Si(220)切槽单色器两次单色化、毛细管微聚焦的光学配置，利用自研三元谱仪样机，对谱仪单模组内15块分析晶体（图1），采用EPICS-Bluesky控制系统实现单色器联动扫描，开展了批量、高精度指标测试（装置见图2）。优化后入射能量带宽实现高分辨，达到半高全宽0.8eV@9.7keV，分析晶体自身能量分辨（图3）达到半高全宽~1eV@9.7keV，与理论预测值相当，聚焦特性得到充分验证(图3、图4)，各项指标全部满足工程设计需求。HEPS高能量分辨谱学线站是我国首条专注于硬X射线非弹性散射谱学实验的线站，聚焦核能级超精细结构、声子态密度、芯能级电子跃迁和价电子激发的探测，主要提供核共振散射（NRS）、XRS、共振非弹性散射（RIXS）等谱学方法，服务于量子科学、能源科学、材料科学、凝聚态物理、化学、生物化学、地学、高压科学、环境科学等多学科前沿研究。其中，XRS是一种基于X射线非弹性散射原理的先进谱学实验技术，欧洲ESRF （72块分析晶体）、美国APS（19块分析晶体）、日本SPring-8（12块分析晶体）、法国SOLEIL（40块分析晶体）、英国Diamond光源等光源已建成或规划建设XRS旗舰线站。由于非弹性散射截面极小，比X射线吸收截面小4~5个量级，XRS实验技术需要高亮度光源以增加入射光子通量，同时也需要大立体角谱仪提高探测效率，而大立体角探测需要多块发现晶体实现。首批分析晶体的指标通过在线测试，将满足大批量分析晶体加工的工程需求，对HEPS“乾坤”谱仪、高能量分辨谱学线站的实施都具有里程碑意义。值得一提的是，该类型分析晶体的工艺也已经用于多种类型谱仪分析晶体的研制。接下来，该团队将高质量完成其余模组分析晶体的批量加工，同时，将致力攻关无应力高能量分辨分析晶体的研制。晶体研发工作还获得先进光源技术研发与测试平台PAPS的支持，BSRF-1W2B、3W1、4W1A、4W1B线站提供机时。图1. HEPS自研分析晶体图2. 分析晶体测试装置，其中，左图给出了散射光和分析晶体分析光路示意图图3 分析晶体测试结果，左上为4#晶体能量分辨率实验结果和拟合曲线，左下为三块晶体在探测器上的聚焦光斑，右侧为分析晶体能量分辨率批量测试结果图4 扫描单色器能量时探测器上的光斑变化情况图5 测试人员合影

近日，中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室牛铮研究员团队，在新型主动光学传感器高光谱激光雷达(hyperspectral LiDAR， HSL)辐射效应产生机制及相应校正算法研究方面取得重要进展。距离效应和入射角效应作为高光谱激光雷达面临的两大几何辐射效应，严重限制了其在定量遥感方面的应用。该团队研究发现，高光谱激光雷达距离效应和入射角效应分析及校正可以独立进行，并提出了一种耦合二次函数和指数衰减函数的分段函数模型用以分析和校正距离效应，发展了一种改进的Poullain算法用以目标入射角效应分析和校正。上述研究得到了国家自然科学基金重点项目“植被生理生化垂直分布信息遥感辐射传输机理与反演研究”的支持，有关成果发表在遥感领域国际顶级期刊ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing和IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上，第一作者为实验室博士研究生白杰。面对高光谱激光雷达主要几何辐射效应即距离效应和入射角效应校正的技术难题，团队自2020年起开展科技攻关，发现距离效应源于系统本身，所有波长拥有统一的距离效应函数，在此基础上提出了一种耦合二次函数和指数衰减函数的分段函数模型用以分析和校正距离效应 而对于不同种类植被叶片目标，因其表面微观尺度物理结构和内部生化参数不同，因此通常表现出不同的入射角效应，该效应与被测目标种类在高光谱激光雷达条件下二向反射特性密切相关，因此该团队指出关于高光谱激光雷达入射角效应，更准确的表述应为“某一目标高光谱激光雷达入射角效应”，并发展了一种新的改进的Poullain算法，用以目标入射角效应校正。与传统基于各向同性散射假设的朗伯余弦定律和原始Poullain算法相比，该算法考虑了目标粗糙度因子和漫反射系数在不同入射角和波长下的异质性，更加符合自然目标物回波强度的反射特征，不同植被叶片实验显示，相对于标准0度入射角下的回波强度和反射率，校正结果标准差减少了30%～60%。有关算法为后续植被三维生化参数准确反演提供了重要的理论基础和技术支撑。目前，实验室已经完成具备高速采集能力的第二代高光谱激光雷达系统设计与研制工作，正在开展性能测试，预计2023年底投入使用。早在2014年，遥感科学国家重点实验室就设计、研制了具有完全自主知识产权的国际上首台32波段高光谱激光雷达系统。自此，相关团队围绕这一新型传感器持续开展研究，在高光谱激光雷达系统设计研制、数据获取与处理、辐射信息提取、辐射效应校正及植被三维生理生化参数反演等方面取得了丰富的研究成果，为我国抢占高光谱激光雷达设备研制与应用这一领域做出系统性贡献。

p　　近年来，大雾及团雾成为秋冬季交通事故、特别是高速公路重特大事故的重要元凶。由于团雾具有突发性和局地性，监测预警难度极大。日前，由国内自主研发的一款商用团雾监测预警雷达在安徽合肥面世，对团雾的定位精度可达7.5米。/pp　　安徽中凯信息产业股份有限公司研发中心负责人周剑介绍说，这一团雾监测预警雷达由该企业与中科院合肥物质研究所共同合作，历时2年研发成功，其核心探测单元为团雾监测预警与能见度测量合成光学雷达。/pp　　“团雾”往往出现在大雾中数十米到上百米的局部范围内，雾气更浓，能见度极低，且不断变化。/pp　　“团雾监测预警雷达是基于光学遥感技术开发而来，内部有一个激光光源，在工作时，发射出来的激光照射到大气里，会使颗粒物产生后向散射，而雷达内部的光学望远镜系统会将散射光信号转为电信号，并通过数据采集系统记录分析，从而对团雾进行定位，目前定位精度可达7.5米。”周剑说。/pp　　据介绍，这一雷达具有两项特点使其能够满足商用需要:一是能够探测出团雾区与非团雾区的界线以及雾区可见度 二是光源发射和工作原理的改进，大幅降低了成本。目前，该系统的激光雷达自动采集和防护的方法已申请国家发明专利，预计2018年将实现量产。/pp/p

p style="text-indent: 2em "来自空天院等单位的研究人员成功研制了我国首套自主知识产权的超算合成孔径雷达干涉测量系统，并首次实现全国尺度地表形变合成孔径雷达干涉测量制图。/pp style="text-indent: 2em "作为受地质灾害影响最严重的国家之一，我国地质灾害造成的损失逐年增加。“利用空间遥感技术实现地表形变大范围监测，对开展固体地球运动研究和地质灾害调查具有重要意义。”空天院研究员王超说。/pp style="text-indent: 2em "合成孔径雷达干涉测量技术是通过利用合成孔径雷达图像中的相位信号来获取毫米级地表形变信息的技术。随着宽幅合成孔径雷达成像技术的成熟，国内外合成孔径雷达卫星数据爆炸式增长。/pp style="text-indent: 2em "在计算机存储与计算能力不断增强的背景下，针对全国尺度的地质灾害调查、监测的迫切需求，研究人员结合卫星大数据处理技术与超算硬件平台，经过2年多时间对早期独立研发的相干目标时序合成孔径雷达干涉测量处理软件进行算法改进及并行优化，研发了我国首套具有自主知识产权的超算合成孔径雷达干涉测量系统，实现了合成孔径雷达干涉测量大数据自动化、批量并行处理。基于该系统，研究人员首次获取了全国尺度的地表形变合成孔径雷达干涉测量结果。/pp style="text-indent: 2em "王超表示，该系统所提供的大尺度地表形变产品不仅可以促进地球科学的新发现，服务于板块运动、全球环境变化等地球科学领域，而且还可以提高我国遥感数据处理能力，服务于我国大范围地面沉降的地理国情监测及地质灾害普查等领域，对社会经济可持续发展具有重大意义。/ppbr//p

英国科学家首次展示了一种新型激光雷达系统，其使用量子探测技术在水下获取3D图像。该系统拥有极高的灵敏度，即便在水下极低的光线条件下也能捕获详细信息，可用于检查水下风电场电缆和涡轮机等设备的水下结构，也可用于监测或勘测水下考古遗址，以及用于安全和防御等领域。相关研究论文刊发于4日出版的《光学快报》杂志。　　在水下实时获取物体的3D图像极具挑战性，因为水中的任何粒子都会散射光并使图像失真。基于量子的单光子探测技术具有极高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。在最新研究中，研究人员设计了一个激光雷达系统，该系统使用绿色脉冲激光源来照亮目标场景。反射的脉冲照明由单光子探测器阵列检测，这一方法使超快的低光检测成为可能，并在光子匮乏的环境（如高度衰减的水）中大幅减少测量时间。　　激光雷达系统通过测量飞行时间（激光从目标物体反射并返回系统接收器所需的时间）来创建图像。通过皮秒计时分辨率测量飞行时间，研究人员可以解析目标的毫米细节。最新方法还能区分目标反射的光子和水中颗粒反射的光子，使其特别适合在高度浑浊的水中进行3D成像。他们还开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将其与图形处理单元硬件结合使用。在3种不同浊度水平下的实验表明，在3米距离的受控高散射场景中，3D成像取得了成功。

受中国物理学会光散射专业委员会委托，第二十二届全国光散射学术会议将于 2023 年 9 月 22-26 日在开封召开，会议由河南大学承办、陕西师范大学协办。会议内容涵盖广泛，包括拉曼、荧光、小角散射等光散射的理论和技术、表面等离子体光学及表面增强光谱、光谱在新材料、生物、医学、食品安全等领域的应用等。大会将邀请国内外知名专家学者就光散射和相关光谱学术领域的前沿热点问题进行交流，全力展示中国在光散射领域所取得的最新进展及成果，增进光散射及相关领域广大科技工作者的交流与合作，促进我国光散射和光谱事业的发展。我们诚挚地邀请各界同仁莅临本届盛会！大会特邀报告1. 李灿院士，大连化学物理研究所2. 徐红星院士，河南省科学院3. 戴庆研究员，国家纳米中心4. 陈卓教授，湖南大学5. 倪振华教授，东南大学6. 雷党愿教授，香港城市大学会前讲座2023 年 9 月 22 日下午将安排会前讲座，邀请著名学者刘玉龙研究员、王玉芳教授和谭平恒研究员就“理解光散射截面内涵是深入物质结构研究与做好产业的基础”、“晶格振动光谱的微观机制和理论研究方法”和“拉曼光谱技术探索及相关仪器研制”等进行专题讲座，请参会的研究生和青年教师做好行程安排，争取参加会前讲座。会议注册请登录会议网站“在线注册”，登陆用户名以英文和（或）数字组成（不可为中文字符）或用自己的邮箱为用户名，所有参会人员均需要进行会员注册，请牢记自己的密码。注册成功后，登录后通过“编辑信息”可修改个人信息，进入“下载中心”可下载论文摘要模板等相关资料，进入“在线投稿”可投稿会议摘要或全文，进入“酒店及交通”可查阅酒店预订信息。会议网址：http://conf.iphy.ac.cn/web/?m=143投稿须知 拟在会议上进行交流的科研工作者需提交会议论文摘要，请通过会议网站http://conf.iphy.ac.cn/web/?m=143注册后登录，通过“在线投稿”进行投稿。论文摘要经审稿录用后将被收入会议论文集；论文全文经审稿录用后将在中文核心期刊《光散射学报》上正式发表。同时欢迎推荐或自荐优秀分会邀请报告，有需要推荐或自荐分会邀请报告的老师请到网站http://conf.iphy.ac.cn/web/?m=143“下载中心”点击下载 -- CNCLS22邀请报告候选人推荐自荐表.docx，填写后请发到邮箱gsshenu2023@163.com，统一收集。 论文摘要包括中文（或英文）题目、作者姓名、单位、单位所在地、关键 词和摘要，文档格式要求为 docx。摘要模版参见会议网站的 “资料下载”，请点击下载--论文摘要模版.docx进行下载。在会议论文集摘要中，请务必填写投稿说明，勾选报告类型（邀请报告、口头报告、 墙报等）、相应的研究领域及上传论文清单（摘要、全文等）。 论文全文的字数约为 3000-6000 字（含图表在内），包括中英文的论文题 目、作者姓名、单位、单位所在地、关键词和摘要及中文正文，论文全文格式要求为 docx。具体要求和论文投稿模版参见会议网站的“投稿简则”查看，论文模版请点击会议网站“下载中心”下载--论文投稿模版.docx。 本次会议将继续设立“青年优秀论文奖”，欢迎 40 岁（含）以下的青年 学者和研究生积极申报。申报材料包括申请表、论文全文（中英文均可），请在上传论文清单中勾选“青年优秀论文申请表”和“青年优秀论文全文”，并提交相关资料（docx格式）。“青年优秀论文申请表”请在会议网站http://conf.iphy.ac.cn/web/?m=143的“下载中心”点击下载--青年优秀论文奖申请表.docx。 会议论文投稿时的注意事项：只接受docx 格式文档的上传。为便于组委会区分上传论文的类型，通过“在线投稿”时，请在“文题”一栏填写“摘要-论文题目”，或“全文-论文题目”，或“青年优秀论文全文-姓名”；同时，请留意在“投稿信息”对话框中选择稿件的拟交流类型和分会场以便后期分类。会议地点开封中州国际饭店地址：开封市龙亭区宋城街道大梁路9号 重要时间开放注册投稿：2023 年 4 月 16 日论文截稿日期：2023 年 6 月 30 日会议召开日期：2023 年 9 月 22 日-26 日（22 日为注册日） 会议赞助及产品展示会议热诚邀请国内外仪器厂商前来展出拉曼、红外、荧光光谱仪以及其它各种与会议交流内容相关的仪器设备。我们将在本次会议的网站和会议现场提供展出场所，希望各厂商充分利用这次机会展示自己的最新产品及应用。会议网站http://conf.iphy.ac.cn/web/?m=143邮箱gsshenu2023@163.com联系方式河南大学物理与电子学院毛艳丽、刘仁明电话: 13633781306, 15975645160陕西师范大学物理学与信息技术院张正龙、付正坤电话: 15502919758, 17778918601 注册报名咨询联系人:刘仁明 (河南大学) 电话：15975645160赞助咨询联系人: 游文武 (河南大学) 电话：18837858922中国物理学会光散射专业委员会 第二十二届全国光散射学术会议组委会河南大学物理与电子学院（代章） 陕西师范大学物理学与信息技术学院

仪器信息网讯 2023年9月23日，第二十二届全国光散射学术会议在河南开封正式拉开帷幕。此次会议由中国物理学会光散射专业委员会主办、河南大学承办、陕西师范大学协办。会议邀请了国内外光散射，以及相关光谱原理和技术领域的诸多知名专家学者，共同探讨光散射领域的最新研究成果和发展趋势，吸引了近500人注册参会。会议现场开幕式由会议主席、河南大学毛艳丽教授主持，河南大学副校长王学路教授、中国物理学会光散射专业委员会主任、苏州大学副校长姚建林教授、河南大学莫育俊教授分别致辞。会议主席、河南大学毛艳丽教授 主持开幕式河南大学副校长 王学路教授致辞致辞中，王学路教授代表河南大学对各位参会代表表示热烈欢迎，并介绍了河南大学以及河南大学物理学科的发展概况。王学路教授介绍说，河南大学物理学科始建于1923年，今年恰逢百年华诞。此次光散射会议是河南大学物理学科百年之交的一次盛会，也是我国光散射研究领域的一次盛会。大会汇聚了全国各地著名的专家学者，将围绕光散射的基础研究、应用推广等多个方面展开深入探讨，相信这次会议必将为我国光散射研究的发展注入新的活力，推动我国光散射学科迈上一个新的台阶。中国物理学会光散射专业委员会主任、苏州大学副校长 姚建林教授致辞姚建林教授在致辞中介绍到，光散射学术会议是聚焦于光散射与相关光谱原理与技术等领域的学术交流盛会，每两年举办一次，到目前为止已经成功举办了21届。经过40余年的发展，我国光散射研究的范围不断拓展，研究人员不断年轻化，研究水平也在不断提升，培养了一批又一批国内外光散射领域的知名学者。不仅如此，中国光散射仪器相关的制造产业不断创新，部分研究领域和仪器制造产业在国际上崭露头角，有的甚至已经成为相关领域的国际领跑者和标准制定者。此次会议更是迎接了众多海内外专家学者、科研工作者以及企业界的代表，所有这一切已经预示着中国光散射事业保持着良好的发展势头，相信未来我国的光散射事业发展前程必将光辉灿烂！他期待所有参会专家学者和企业界的朋友，充分利用这次大会开展良好地互动，深入地交流，广泛地讨论，共同为未来光散射研究和相互合作探索新思路，为中国光散射事业的新发展注入更大的生机和活力。河南大学 莫育俊教授致辞作为一名已退休的科研工作者，河南大学莫育俊教授在致辞中从原创性成果、团队内部和团队之间合作与交流、跨学科合作，以及对科研工作的激情和耐心等四个方面进行分享。莫育俊教授介绍说，光散射研究是一个复杂并具有挑战性的领域，光散射原创性的研究成果可以推动光学、物理学、材料学科等的发展，为相关领域的研究提供新的思路和方法，可以拓宽各学科的边界。从实际应用来说，光散射的研究成果在材料学科、生物医学、环境检测等许多应用领域具有广泛的应用前景，可以为相关行业和领域提供具体解决方案和技术支持。从竞争力来说，原创性成果是评估专家和团队的重要标准之一，取得原创性成果，可以提升研究者和团队的竞争力。莫育俊教授呼吁，大家要坚定信心开展原创性的研究，推动光散射领域的发展，带来更多的创新和突破，同时他也希望各位领导积极鼓励和支持光散射领域有更多的原创性成果。开幕式之后，迎来了报告环节。据介绍，本次会议收到了280余篇摘要和论文投稿，会议主题涵盖了物理材料、SERS/TERS、生物医药等多方面的内容。3天的会议安排了6场大会特邀报告，59场分会场邀请报告，57场分会口头报告，8场仪器展商报告以及135份墙报交流。23日上午的大会报告环节，中山大学王雪华教授、国家纳米科学中心戴庆研究员、湖南大学陈卓教授分别作报告分享。武汉大学胡继明研究员、中科院半导体研究所谭平恒研究员分别主持大会报告。武汉大学 胡继明研究员主持大会报告中科院半导体研究所 谭平恒研究员主持大会报告中山大学 王雪华教授报告题目：《微纳光子的高效操控与室温量子态》光子和电子是信息的两大载体，它们的高效耦合相互作用是高性能微纳光电子器件及其集成芯片的物理基础。王雪华教授的报告从微纳光子源和室温光电量子态的研究现状和面临的挑战开始，讲述为了突破微纳光子源难以高效和按需调控的瓶颈开展的一系列工作，包括高效按需可控的量子光源、基于强耦合的室温量子态等多方面的内容。报告最后王雪华教授还对微纳光子源和室温光电量子态的发展进行了展望。国家纳米科学中心 戴庆研究员报告题目：《极化激元增强纳米红外光谱》极化激元具有能量高度局域的光学近场，可将光与物质相互作用强度提高数个量级，是实现增强纳米红外光谱的有效方案。戴庆研究员团队构筑了无红外活性声子干扰基底，实现极化激元动态调控，并将其成功应用于气、固、液相中纳米物质的远场红外光谱检测；同时，还构筑了极化激元纳腔结构，实现了具有超高Purcell因子（1012）的回音壁模式激发与测量。他们设计的极化激元晶体管器件，实现了纳米尺度光场的动态聚焦。湖南大学 陈卓教授报告题目：《基于烯碳材料设计的生物医学分析》烯碳石墨纳米材料作为一种特异的纳米材料，因其独特的理化性质，为生理特殊环境下的生化分析提供了新的思路。陈卓教授研究团队设计构筑了具有超薄壳层的石墨纳米囊生化分析平台，实现了对生理特殊环境下的生化分析。同时，从通过对增强基底-拉曼探针一体化结构设计，再到新型磁性石墨纳米囊材料以及表面药物分子功能化设计的期间，他们实现了一系列在生物分析领域的创新性突破。其团队基于烯碳材料建立的生物医学分析平台，为生物医学等复杂体系的研究提供有效的工具，并显示了广阔的应用前景。为了更深入的进行学术交流，大会报告之后，组委会设置了物理材料仪器、SERS/TERS、分析医药等三个会场，分别进行邀请报告和口头报告。此外，本次会议同期也举行了小型仪器展，得到了20余家仪器公司的赞助支持，会议期间多家仪器公司的代表也将分享最新的产品和技术。厂商展位一览值得一提的是，在会议开幕前夕——22号下午15点整，会议特别举办了会前特邀讲座，中科院物理研究所刘玉龙研究员分享了《理解光散射截面内涵是深入物质结构研究与做好产业的基础》的主题报告；南开大学王玉芳教授分享了分子和晶体拉曼散射基本原理和分析方法；中科院半导体研究所谭平恒研究员分享了显微共焦拉曼光谱模块及其应用。会前特邀讲座现场参会人员合影照片

日前记者从中国科学技术大学获悉，该校地球和空间科学学院教授薛向辉团队在相干测风激光雷达系统研制方面取得重大突破，首次实现空间分辨率3米、时间分辨率0.1秒的风场探测。据悉，这是迄今为止有报道的全球最高精度的风场连续探测。相关成果发表在国际知名光学期刊《光学快报》。测风激光雷达的封装样机 课题组供图 米级-亚秒级分辨率的大气风场探测在航空航天安全、高价值目标保障、数值天气预报等方面具有重大意义，但高时空分辨的连续风场观测对激光雷达仍是一个挑战。比如，为获取3米和0.1秒时空分辨率的风场观测结果，需要将现有激光雷达信号检测灵敏度提高2个数量级以上。 为了实现“看的远、看的细，测的快、测的准”的高时空分辨测风激光雷达，团队通过在激光光源、光学收发系统、高速数据采集电路和数据处理算法上对激光雷达进行全面优化，并在时频分析、脉冲编码基础上提出一种新的反演算法，大大提高了风场反演精度和稳健性，最终实现了一套全国产化的“产品级”测试样机。图1 3米距离分辨率相干测风雷达实验装置：(a)实验装置实物；(b)白天观测；(c)夜间观测；(d)光学系统及电路控制示意图；(e)连续5分钟观测的阵风结构图（时间分辨率为1秒）。图2 高铁尾流风场结构观测及模拟结果：(a)雷达观测的0.1秒分辨率尾流中风场结构图；(b)基于CCM+模拟的300km/h运行列车的尾流风场结构。 据介绍，雷达样机工作波长为1550.1纳米，具有人眼安全、设备轻便（整装设备40公斤）、工作稳定、环境适应性强等特点。通过外场对比试验，该雷达样机风场观测结果与定标设备对比误差小于0.5米每秒。 为进一步测试雷达观测性能和环境适应性，团队在安徽省宿州市高铁站实地测量了高速列车尾流中的风场结构。雷达在无人值守下连续稳定工作超过100小时，获得了3米和0.1秒高时空分辨率下的350公里每小时的高铁尾流连续观测，并首次利用激光雷达捕捉到高铁尾流中类似于冯卡门涡街的风场结构，与计算流体力学模拟结果高度一致。 审稿人认为，“观测结果是引人注目和印象深刻的”、“迄今为止首次实现连续观测的高分辨率结果”。

“拉曼和米散射气溶胶激光雷达”荣获“气象专用技术装备使用许可证”近日，无锡中科光电的自产设备“拉曼和米散射气溶胶激光雷达”通过中国气象局的审查，荣获气象专用技术装备使用许可证，这标志着公司在气象领域的开拓迈出了具有标志性意义的一步。气象专用技术装备使用许可是指专门用于气象探测、预报、服务以及通信传输、人工影响天气、空间天气等多轨道气象业务的气象设备、仪器、仪表及消耗器材的使用许可。放眼未来，团队将以“监测精密，预报精准，服务精细”为目标，以气象行业需求为导向，坚持创新，聚焦气象和环境的监测与服务，努力推出更多监测装备，为气象和环境事业做出更多贡献。拉曼和米散射气溶胶激光雷达产品简介该产品针对我国大气污染重，细颗粒物分布多，灰霾层较厚的典型特征，创新性地采用高能量脉冲激光作为探测光源，通过测量氮分子振动的拉曼散射信号，计算雷达比；同时能够实时获得大气水汽混合比与相对湿度廓线数据，可用于扣除湿度对颗粒物浓度的影响，提高其反演精度，还可以研究大气中颗粒物吸湿增长特性以及对能见度的影响。主要优势 大功率激光器，适应复杂天气监测，拉曼通道探测4公里以上 三波长八通道探测，实现消光系数、多粒径颗粒物占比、水汽混合比探测 模拟+光子组合采集，避免近场信号饱和、远场信号弱，降低盲区、实现远距离探测 探测过程自动化，无需标定，支持长时间无人值守运行应用场景 提供气溶胶、水汽廓线，完善大气垂直观测系统，提升数据质量 支撑短临天气预报，特别是短期降雨、降雪、降雹等 支撑沙尘等极端天气传输过程分析，提前预警 多雷达联用评估天气过程、预测天气系统发展趋势 指导人工影响天气作业，评估作业效果 雷达质控标定，实现激光雷达远程控制和无人值守，监控激光雷达运行状态，保障数据输出标准化典型应用1、拉曼-米雷达可实时获得水汽混合比数据，进行气象要素探测、云相态识别、污染物识别和污染过程分析。2、以拉曼和米散射气溶胶激光雷达为核心，组建区域雷达监测网络体系，对不同传输通道的污染过程进行监测，通过模式溯源、通量反演，分析本地贡献和区域传输情况。3、作为区域质控雷达，构建区域雷达网质控体系，通过标准雷达控制器，解决目前各型号、厂家雷达台站数据输出格式不统一、监测方法和结果不统一、数据传输监测不完整、运行状态无法实时监控等问题，使得各类型雷达都可以接入气溶胶激光雷达数据质控及反演平台。

1998年初秋，我第一次离开故乡，踏上了来重庆的求学之路，心中的喜悦和忐忑夹杂在一起。喜悦是对即将到来的大学生活的向往，而忐忑则是对未来的迷茫，我会在这高等学府里遇见什么呢？我的人生之路又将如何呢？随后，四年本科和四年半的硕博连读（图1），求学生涯是那么的匆匆忙忙、转瞬即逝。九年间，我如饥似渴地学习，了解了很多新东西，掌握了很多新知识，但是，我要做什么？我能做什么？我内心仍然很迷惘。2007年，在导师黄尚廉先生的辅导下，我第一次撰写了国家自然科学基金（National Science Foundation of China, NSFC）申请书，并获得青年项目资助，随即开始从事面向显示的光栅光调制器的研究，这才算真正开始了自己的科研工作。2007年到 2009年，我的工作重心逐步过渡到基于光调制器的光谱检测领域，并于2009年再次获得NSFC面上项目资助。同年，我获得国家留学基金委资助，到加州大学伯克利分校访问。这是一所世界著名学府，有众多耳熟能详的著名学者，有世界顶尖的科学研究实验室，特别是当时的纳米加工实验平台让我见识了更多的纳米光学前沿研究工作。也正是这次访学，使我眼界大开，更加明晰了我的研究方向。图1 2006年冬，博士毕业答辩2010年回国以后，我注意到自己前期开展的光栅光调制器研究与在伯克利访学期间从事的碳纳米管相关研究之间有很大的差异。如何把二者有机结合起来？如何把新型的纳米材料研究与自己的光学工程学术背景相结合，做一些有创新性的工作？这些问题一直回荡在我脑海里。碳纳米管有极大的比表面积，可以吸附更多的金属纳米结构，将有可能产生强的局域电场，如果将它与拉曼光谱检测结合，有可能实现痕量分子的检测，这种检测在食品安全、水污染等领域有着重要的研究意义。为此，我把自己研究的注意力转移，集中到表面增强拉曼散射机理和基底的构筑方向上，开始了拉曼散射的研究。2013年，我获得了第三个自然科学基金项目资助，开始“基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列三维结构的光流控SERS（surface-enhanced Raman scattering，表面增强拉曼散射）微系统研究”，实现了痕量分子（液态）的检测。有一次去中科院重庆绿色智能研究院交流学习，有幸认识了在拉曼光谱领域有深厚功底的刘玉龙老师，他给了我很多拉曼散射研究方面的建议和意见（图2）。随后，我成为了《光散射学报》编委委员，参加了多次的光散射学会的学术会议，和光散射学会的前辈和同行有了更多的学术交流，对拉曼散射的理解也不断的加深，我的一些研究思路也得益于和他们的不断讨论。我的第一个博士生张晓蕾的课题为“碳纳米管/银复合结构的拉曼增强机理和实验研究”，我们采用磁控溅射和高温退火的方法将银纳米粒子修饰到碳纳米管管壁。其中，溅射银的厚度、退火温度、气体配比、退火时间等参数都需要多少次的实验和摸索，张晓蕾博士经常在实验室工作到深夜。攻读学位期间，她两次拿到博士研究生国家奖学金，获得王大珩光学奖高校学生奖等一系列奖励，并于2018顺利毕业（图3）。我经常会回忆起和她一起工作情景，讨论实验方案，开展实验过程，探索过程的艰苦，看见实验结果的喜悦，点点滴滴都是那么的难以忘怀。图2 2018年，刘玉龙老师来重庆大学指导工作图3 2018年夏，第一个博士生张晓蕾毕业答辩2018年，我的工作面临一个重要的选择：是继续深入研究纳米材料和构筑纳米结构为主？还是以SERS检测技术为主，并逐步在国民经济的重要领域开展应用探索？我选择了后者。这种方向的选择带来了很多新的问题，经费紧张，加工困难、博士生招生受挫等等。那些日子工作压力非常大，开车上下班的路上脑子都是增强拉曼散射新思路的构想。本来就消瘦的我，加上愁容满面，同事们经常怀疑我患病了。很幸运，我于2018年第四次获得NSFC项目资助，开展“全光纤表面增强拉曼散射气体检测关键技术研究”。气体的拉曼散射截面小，其拉曼信号非常微弱，SERS基底的构筑、拉曼信号收集效率等都需要进一步的优化和提高。在这个研究过程中，我们考虑在SERS定量检测方面做一些工作，我们以碳纳米管和石墨烯有典型特征拉曼峰为参照，构筑了自标定SERS基底，在增强拉曼信号的稳定性方面做了大量的工作。这里不得不提到我的一个硕士研究生尹增鹤，他刚刚入校的时候，和我讨论研究方案，分析实验结果总是显得很懵，我曾一度担心他不能按时毕业。没想到，他经过三年的努力，在自标定理论机理和实验方面做了大量深入的探索，极大提高了SERS基底的性能，他也获得了2019年重庆市优秀硕士学位论文奖；这也是我作为导师以来，培养的第一个获得省部级学位论文奖的学生。2019年，由于在光栅光调制器、微型光谱仪以及拉曼光谱检测技术领域的工作成绩，获得了重庆市杰出青年基金的资助，它既是奖励，也是鞭策。2020年以来，根据科研工作的需求，同时考虑到自己在学校主要讲授《物理光学》和《傅里叶光学》等课程，有不错的理论基础，我对波导增强拉曼和SERS耦合的产生了研究兴趣。我的研究工作进一步扩展到波导-SERS双增强拉曼传感领域，我的思路是把拉曼增强传感器和拉曼光谱采集系统一体化设计，并集成在一片光子芯片上；2021年，这个思路使我获得了第五个NSFC项目资助。波导-SERS双增强芯片的研究，有望在拉曼传感器性能、拉曼光谱仪体积、应用场合等多个方面取得新的突破；但其中有太多的科学问题和技术问题需要解决，真是路漫漫兮！过去的十多年里，我所在的“光微纳器件及系统”研究小组为解决现场光谱检测系统难以实现小型化、高一致性、高灵敏度等问题，以光微纳器件及系统中光调制技术及器件研究为基础，提出了将MEMS光调制器与单点探测器结合的近红外光谱检测的新方法，实现了近红外光谱仪的微型化，极大程度上减小了光谱仪的台间差，为近红外快检技术的大规模应用打下了良好的基础；随后将研究从吸收光谱进一步拓展到散射光谱，开展了表面增强拉曼散射技术研究，揭示了SERS增强检测中光子、表面等离子激元、分子间耦合相互作用和自标定机理，完成了表面增强拉曼器件和便携式拉曼光谱仪研制，在现场快检光谱学方面形成了一定的研究特色（图4）；我们获得了2020年度重庆市技术发明二等奖。今年的十一月中旬，我参加了颁奖大会，高兴的同时，我更感到责任重大（图5）。图4 研制的各类型光谱仪，SERS器件图5 2021年初冬，参加重庆市科学技奖励大会过去的十年，我国的拉曼散射、增强拉曼散射、拉曼光谱仪、拉曼光谱应用等研究都获得了蓬勃发展；十年岁月，我把青春留在实验室、讲台上，也留在了每一个SERS和拉曼光谱检测的新构想里；十年时光，见证了我科研工作中的风风雨雨，也见证了我成长路上的喜怒哀乐。“无情岁月增中减，有味科研苦后甜”，人生路上的下一个十年，我将继续在拉曼散射研究路上奋力前行！作者简介： 张洁，重庆大学，教授。主要研究方向：增强拉曼散射，拉曼光谱系统。作为项目负责人，主持国家自然科学基金五项、国防特区科技创新项目一项、重庆市杰出青年基金一项等。获2020年度重庆市技术发明二等奖（排名第一）。

p■ 系统概述/pp 近年来，对于环境质量检测的联网综合监测系统的需求越来越迫切，这一类联网综合测量系统的特点是利用分布在区域内相关的多个单点测量设备的数据，再结合相关气象及环境信息数据，使用一定的算法分析模型计算出区域内各空间位置的环境数据从而对区域内总体的环境质量情况有一个明确的掌握和了解，进而还可以预算出未来一段时间内的区域环境质量情况变化做到对环境质量的提前预警预报。激光雷达设备由于其能向一定程度的高空探测环境数据，所以如果使用相关算法分析模型利用激光雷达测量的高度空间的环境测量数据作为基础数据来进行计算繁衍，就可以在很大程度上进行区域内空间立体环境质量数据的监测和预测，对于整个区域的立体空间环境监测和预报有着很大的现实意义，比如一个城市区域或一个工业园区空间立体监测等。/ppimg title="640.webp.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201601/uepic/53deeae0-078b-4d52-a0a2-cc8b1303ed58.jpg"//pp■ 系统功能说明/pp(1) 雷达组网解决的问题/pp※ 空间立体评价区域环境空气质量：区域污染的时空立体演变情况、区域污染的生消过程、典型区域污染过程的解析、区域污染的主要来源等；/pp※ 区域污染贡献率问题：区域污染输送通量计算，本地污染及外来污染所占的贡献率；/pp※ 区域环境空气质量预警预测：通过相应的计算模型结合环境气象信息来预测未来一段时间内空间立体区域的环境空气质量变化；/pp（2）雷达组网系统主要有四个部分的功能/pp※ 区域内联网的雷达设备信息及状态监视/pp※ 区域内联网的各雷达单点设备数据收集与显示/pp※ 区域立体空间雷达数据的由点到面的同化繁衍计算/pp※ 区域立体空间雷达数据的未来发展预测数据的计算/pp /pp(3) 雷达组网系统中实时雷达测量数据主要有以下类型/pp※ 355消光系数/pp※ 532消光系数/pp※ 退偏振度/pp※ 波长指数/pp※ 颗粒物浓度空间分布/pp※ 边界层/pp※ 能见度/pp※ 光学厚度/pp※ 污染物分布/pp※ 污染物输送通量/pp(4) 雷达组网系统会使用相关计算模型结合相关环境和气象数据来进行区域空间立体雷达检测数据的同化繁衍计算，可以在系统中进行立体空间雷达数据的展示/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="6401.webp.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201601/uepic/f30a694d-a87f-4f6b-b39e-6c3efec20b9b.jpg"//pp※ 各高度水平层面的雷达数据繁衍计算/pp※ 各垂直剖面的的雷达数据数据繁衍计算/pp(5) 雷达组网系统会使用相关计算模型结合相关环境和气象数据来进行区域空间立体雷达检测数据的未来一段时间的预测计算，可以对未来的空气质量的变化趋势进行提前预警预测/ppbr//pp 安徽蓝盾LGJ-01激光雷达系统以激光为光源，运用空间遥感技术原理，利用其发射的激光与大气的相互作用，产生包含气体分子和气溶胶粒子有关信息的辐射信号，再结合相关反演算法就可以从中得到关于气体分子和气溶胶粒子的信息。/pp 本激光雷达同时发射出355nm和532nm激光，利用接收望远镜收集气溶胶、沙尘暴粒子等对激光的后向散射信号，通过接收355nm信号以及532nm的2路消偏信号，分析其回波强度和消偏振特性，可解析出大气中粒子的属性，识别沙尘暴粒子（非球形）及气溶胶粒子的垂直廓线信息。/pp 该款雷达可置于室内、室外环境（配置箱体）。/pp 适用于：环境监测、气象探测、相关研究单位。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img style="WIDTH: 1px HEIGHT: 1px" title="6402.webp.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201601/uepic/04c46d7b-7571-4eba-acc3-91b50e2c18ac.jpg"/img style="WIDTH: 357px HEIGHT: 327px" title="6402.webp.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201601/uepic/22393891-a47c-4092-b5ef-91ac27bb9f77.jpg"//ppbr//pp关注微信公众号“蓝盾环保”请扫描以下二维码，为您提供及时的环保行业动态信息和解决方案！/pp style="TEXT-ALIGN: center"img style="WIDTH: 307px HEIGHT: 244px" title="6403.webp.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201601/uepic/3f91991c-3402-4a9a-92a0-fdc9f5958ad4.jpg"//p

发展环境气象业务是国家和省委、省政府加强大气、水污染防治的迫切要求，江苏作为全国率先基本实现现代化试点省，也在率先建设完善环境气象服务体系上痛下功夫。省气象探测中心金坛实验站作为省环境气象业务建设的重点规划之一，已建成一套涵盖了颗粒物、常规气体、气溶胶、垂直高度上分层温度、液态水含量观测的环境气象综合观测站点。在诸多的环境气象影响因子中，云层、气溶胶和边界层属于非常重要但又变化快的因素。气溶胶通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射影响大气系统的辐射手指，从而影响局地、区域的环境气象变化；云层直接影响大气辐射平衡，从而影响的气象变化；有效地确定边界层高度和准确的监测其变化过程，对空气污染的扩散、传输模式以及污染物预报模式都有十分重要的意义。利用激光雷达技术对云层、气溶胶和边界层的监测在探测高度、垂直跨度、时间和空间分辨率、测量精度等方面有全面的优势，是其他手段所无法比拟的。省气象探测中心金坛实验站所选用的大气颗粒物监测激光雷达由无锡中科光电技术有限公司提供，代表了国内气溶胶激光雷达产业化的最高水平。江苏省气象探测中心于2015年5月27—5月31，在金坛基地对激光雷达进行了现场验收试验。验收组由中国气象局气象探测中心正研级高工柴秀梅担任组长，组员包括江苏省气象探测中心副主任周红根、江苏省气象探测中心高工王凌震、中国科学院安徽光机机密研究所环境光学中心副主任以及无锡中科光电技术有限公司的专家组成。测试组对金坛基地激光雷达系统的性能参数、功能、产品生产和随机资料等进行了检查、测试，并对系统进行了48小时连续运行的考机检验和参数复测。根据测试结果，测试组一致同意激光雷达系统通过现场验收。 激光雷达验收会现场

11月10日，中科院合肥物质科学研究院安光所大气光学研究中心研制的第三代测污激光雷达“AML-3大气环境激光雷达监测系统”在北京通过验收并交付中国环境科学研究院使用。　　“AML-3大气环境激光雷达监测系统”是一台可移动大气环境质量监测系统，能够监测大气边界层气溶胶，O3、SO2和NO2的时空变化，系统配备的地面大气参数测量分系统能够同时测量近地面O3、SO2、NO2、温湿度、大气压力和风速风向等大气成分和气象参数。　　在项目合作方北京国科世纪激光技术有限公司的参与下，验收专家组对激光雷达系统进行了现场测试，测试显示系统各项指标均符合研制合同要求，专家组一致同意通过验收。　　验收会上，用户对系统的研制工作给予了高度评价，并与研制方达成共识——AML-3大气环境激光雷达监测系统的圆满交付是开展合作的良好开端，此举将为双方在大气环境质量监测领域进行更广泛深入的合作交流打开局面。　　 　　验收会会场　　可移动大气环境质量监测系统

X 产品简介高光谱气溶胶激光雷达(HSR10K)由旗云中天、浙江大学和南京信息工程大学团队针对气象和环保领域联合研发，探测技术可获得远优于市场上米散射激光雷达和微脉冲激光雷达的探测范围与精度，是多波长技术与极窄带光谱鉴频技术在商业气溶胶激光雷达方面应用的先行者。激光雷达主要由四部分组成，分别为发射系统、接收系统、数据处理系统以及控制系统。发射系统包括激光光源和锁频模块；接收系统包括主、辅望远镜与接收光路；数据处理系统包括数据储存、反演、分析以及显示模块；控制系统包括电源管理模块与远程监控模块。 图1 高光谱激光雷达可更准确识别气溶胶类型和定位气溶胶分布（左图）。X 产品主要功能可输出产品包括：原始信号、距离校正信号、消光系数、后向散射系数、激光雷达比、边界层高度、退偏比、AOD、云高云厚、水平/垂直能见度、气溶胶分类、云分类等。? 探测大气气溶胶(颗粒物、飘尘)垂直分布及时空演变；? 探测云（云底、多层云）的垂直分布及时空演变；? 探测颗粒物粒子谱垂直分布及时空演变；? 探测大气边界层的高度、垂直结构与时空演变；? 探测气溶胶水平分布及时空演变，实现大气能见度测量；? 实现雾/霾的识别及探测其时空演变；? 实现气溶胶类型识别(城市、沙尘、烟尘、海盐等)及污染快速溯源；? 实现云(卷云、积云等)的形态特征及相态识别。X 产品应用n 应用领域：环保、气象、航空、应急等应用和科研领域。X 主要技术指标激光器波长355nm、532nm、1064nm脉冲能量10mJ@355nm；20mJ@532nm；30mJ@1064nm重复频率10~30Hz发散角1.5mrad (扩束器前)；0.4mrad (扩束后)能量波动3%*稳频精度30MHz*锁频功能锁频电路控制激光频率，使其保持稳定*望远镜口径(双视场)主望远镜：280mm；副望远镜：50mm接收视场角0.25~3mrad (可自行调节)干涉滤光片0.5nm*探测通道偏振双通道@355nm偏振双通道&高光谱通道@532nm米散射通道@1064nm*采集方式模拟采集+光子计数*探测范围200m~10km时/空分辨率7.5m/15s数据产品原始信号、距离校正信号、消光系数、后向散射系数、激光雷达比、边界层高度、退偏比、AOD、云高云厚、水平/垂直能见度、气溶胶分类、云分类等。*工作温度/湿度-10℃~40℃/ 0~90%RH（其他情况可定制）通讯方式CAN总线供电/功率220V/2.6kW(最大功率)重量及尺寸~300kg，1.3m×1.0m×1.9m 创新点： 高光谱气溶胶激光雷达(HSR10K)由旗云中天和浙江大学团队针对气象和环保领域联合研发，探测技术可获得远优于市场上米散射激光雷达和微脉冲激光雷达的探测范围与精度，是多波长技术与极窄带光谱鉴频技术在商业气溶胶激光雷达方面应用的先行者。 旗云中天高光谱气溶胶激光雷达HSR10K

位于重庆市两江新区的超大分布孔径雷达高分辨率深空域主动观测设施，也就是中国复眼，近日完成一期工程的安装调试和开机观测工作，成功拍摄出世界首张基于分布式雷达的三维成像月面图。据了解，超大分布孔径雷达类似于很多小天线合成一个大天线，虽然单一雷达功率有限，但是由于雷达和雷达之间的功率叠加，因此可以实现超远程探测功能。据介绍，与中国天眼不同的是，中国复眼可以自己发射电磁波，并能接收回波，从而对太阳系内的小行星和类地行星进行观测。中国复眼项目由北京理工大学重庆创新中心牵头建设，一期工程通过实现对月的高分辨率成像观测，验证了大系统分布式的工作模式，为后续的二期和三期工程奠定了基础。计划三期工程建成后，由上百台雷达组成的大科学装置探测距离能达到1.5亿公里，实现我国在深空探测雷达领域保持50年的领先优势。

激光雷达的研究起源于上世纪60年代末，起初主要用于军用领域，自1995年正式实现商业化之后，在测绘、资源勘探等领域发挥了越来越多的作用，在最近盛行的“黑科技”无人驾驶技术的开发上，激光雷达更是核心技术之一。随着技术的发展和完善，激光雷达的应用范围也越来越广，其中环境监测领域就是很重要的一个方面，可以用来测量颗粒物、臭氧、温度和湿度的变化等等。　　中科院安徽光学精密机械研究所于1991年建立了当时我国最大L625激光雷达系统，用于探测平流层气溶胶分布，该激光雷达系统被美国国家宇航局选为全球10个激光雷达站之一。后来又陆续开发出了探测平流层臭氧的紫外差分吸收激光雷达、可移动式双波长米散射L300激光雷达、车载式拉曼-米散射激光雷达等等，受到了广泛的关注。　　近日，仪器信息网编辑专门针对激光雷达在环境监测领域的应用采访了中科院安徽光学精密机械研究所所长刘文清院士。刘院士为我们详细介绍了激光雷达在我国环境监测领域的应用、技术发展以及未来的技术需求。中科院安徽光学精密机械研究所所长刘文清院士　　Instrument: 我们知道刘院士在环境光学领域有很多研究成果，今天我们把目光聚焦在空气质量监测上，空气质量监测仪器和技术种类众多，如常规六参数、VOCs监测仪、激光雷达、卫星遥感等等。首先请刘院士谈一谈目前我国空气质量监测仪器的整体情况?国产环境监测仪器与同类进口产品相比有何不同?　　刘文清：我国大气环境监测技术现阶段主要还是以点式监测方式为主，如AQI六参数、VOCs等。这些监测设备组成了我国现阶段的地面空气质量监测网，为我国空气质量监测做出了巨大的贡献，逐步形成了具有中国特色的环境监测技术规范、环境监测分析方法、环境质量标准体系。目前采用的标准方法，主要以人体健康为关注重点，测量的是人们日常生活和工作活动范围内的空气质量，可以较为准确的监测空气中气溶胶和污染气体的含量，但它的局限性主要是获得局部低层、较小地域范围内的污染物浓度变化信息，缺乏污染物区域性变化、时空演变等指标的数据演变信息。近年来随着分析仪器的快速发展，结合卫星遥感，探空气球和高塔能够测量一些气溶胶、气体成分的垂直分布特征，但是卫星遥感直接获取的是整层大气污染，反演近地面污染有一定误差，而探空气球及飞机受时间空间影响，此类探空设备仍然存在着不足之处。　　对于区域性复合污染监测，需要快速有效的技术手段进行区域范围内时间和空间上的监测。与以上传统点式监测方法相比，激光雷达等光学遥感监测技术的发展改变了传统的由点到线再到面的演绎方法，为大气环境研究提供了一个新的技术手段，克服了传统大气环境研究中的诸多局限性，实现了大空间、长时间、多尺度、多参数的遥感遥测。此类技术已达到了国际先进水平，尤其在业务化应用方面，我们已根据中国环境监测现阶段的需求进行了深入的研发，这是国外进口设备所不能做到的。目前，国产环境监测仪器已基本打破了进口产品的国际垄断地位，全面实现了中国造。　　Instrument:颗粒物激光雷达技术被越来越多的用户所接受，请刘院士重点谈一谈颗粒物激光雷达技术。颗粒物激光雷达的核心技术要点是什么?在我国大气环境领域的应用情况?此技术在空气质量监测系统中的独特作用?　　刘文清：激光雷达主要由激光器、发射和接受光学系统、探测器、高速数据采集卡和数据分析软件等部件组成，其核心技术在于稳定可靠的激光器和性能优良的反演算法。激光器单脉冲能量大小直接决定了激光雷达的探测高度。保证激光器单脉冲能量，能够有效保证系统信噪比，实现理想高度的探测。国内外不同厂家的激光雷达反演算法存在一定的差异性，应用最为广泛的是Fernald方法，也是我们安光所选择的反演算法。应用该算法，参考点的选择尤为重要，一般须假定一个近乎不含大气气溶胶的清洁大气层所在高度来视作参考点，为保证反演结果的有效性，必须通过明显气溶胶层或者云层的剔除方法来确认合适的参考高度。　　随着“说清环境质量、改善环境质量”重大管理需求的发展和监测事权上收等管理机制的改革，地方政府动态精准管理能力支撑成为越来越迫切的要求，尤其是快速说清空气质量监测点数据变化原因、重污染应对、事故应急监测与快速评估等。针对区域性大气污染问题，及监测管理的迫切需求，作为一种成熟的主动遥感手段，颗粒物激光雷达在大气环境监测方面具有重要的意义。其在大气环境监测中的应用可分为以下几点：1)垂直监测：监测边界层变化特征，了解污染来源和变化趋势 2)水平扫描监测：可获取区域污染物的空间立体分布、变化规律和排放特征，摸清局地污染物对污染形成的贡献 3)车载移动监测：对污染源进行快速溯源，应对污染突发事件，并对污染气团进行跟踪 4)雷达组网监测：说清区域间污染跨界传输，为短时间空气质量预警预报提供及时、有效、准确的数据支撑。　　Instrument:安徽光机所可以说是我国激光大气探测研究领域的先行者，在激光雷达技术的研发上，刘院士主要做过哪些工作?您认为未来还有哪些技术需要突破?　　刘文清：激光雷达按照监测方法和监测种类可分为米散射激光雷达、大气成分差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达等。我所在颗粒物激光雷达和大气差分吸收激光雷达方面已取得了阶段性进展。在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会、北京APEC会议、北京九三阅兵式、南京青奥会、福州青运会、郑州上合首脑会议、乌镇物联网大会的联合环境空气保障工作中交上了令人满意的答卷，相应成果也证实了我们激光雷达在稳定性、有效性方面取得了一定的成绩。但在某些方面还是存在一定的不足，需要我们进一步完善，如：1)拉曼激光雷达方面。由于其监测原理的限制，拉曼激光雷达白天会受到天空背景噪声的严重影响，如何有效提高其信噪比，将拉曼激光雷达成功的应用于环境监测日常业务中，为环境污染的扩散、大气化学过程的演变提供有效的气象数据。2)颗粒物激光雷达方面。雨水消光系数大，颗粒物雷达在降雨天气条件下应用效果不佳，如何去除降雨对颗粒物监测的影响，也是接下来的研究重点。3)细粒子质量浓度空间分布。我们已在无锡中科光电成功产业化了双波长三通道颗粒物激光雷达，应用532nm波长我们已可以反演PM10质量浓度的时空分布。对于细粒子质量浓度的时空分布也是迫在眉急的管理需求，目前我们已加大投入，研究开发应用355nm反演PM2.5质量浓度的时空分布的相应工作。4)大气差分吸收激光雷达方面。应用大气差分吸收原理监测臭氧的时空分布，已被成功运用，为证实其监测准确性，我们也参与了由上海环境监测中心举办的探空联盟比对实验。实验中监测臭氧的差分吸收激光雷达与探空气球、无人飞机等监测技术进行了廓线比对，比对结果令人非常满意。对于差分吸收激光雷达只能监测臭氧不是我们的目的，我们希望应用一种技术可以进行多参数测量，如同时监测二氧化硫、二氧化氮等，此类设想我们已取得了阶段性的成果。　　Instrument: 安徽光机所的产业化公司——中科光电最近推出了高能扫描系列的大气颗粒物监测激光雷达，此台仪器的主要特点是什么?其研发目的是什么?其市场竞争力主要体现在哪?　　刘文清：高能扫描颗粒物激光雷达是基于快速扫描振镜的激光雷达技术，该技术使激光雷达在保留原有垂直探测的功能上，还可以实现快速多角度扫描功能。如此针对固定安装的激光雷达，高能扫描激光雷达不仅可以监控5KM半径范围内的污染源(本地源以及外来源)变化过程，还可以同时获取垂直的颗粒物时空演变数据、边界层高度变化数据。使一台雷达可以同时获取区域内垂直与水平立体空间数据，为说清区域污染变化提供了更有力的数据支撑。同时，在产品设计中，我们也考虑了车载走航监测获取线源数据的技术要求，在固定加走航监测结合的模式下，可以全面获取“点面域、地空天”一体化数据。　　我所张天舒研究员率领的激光雷达团队联合中科光电，组织技术骨干进行技术攻坚，经过近两年的不懈努力，攻克了快速扫描振镜技术、高重复频率激光器技术、多姿态雷达扫描数据分析技术、车载雷达减震避震技术和快速走航观测技术等一系列关键问题。其中，快速扫描振镜技术其核心竞争力在于，可以使扫描及成图时间分辨率达到3分钟，确保了监测数据的时效性(目前国内外采用3D支架扫描方式，完成扫描及成图时间需要2小时，没有时效性保证，无法动态说清变化过程)。　　Instrument:在环保领域，标准被认为是一类仪器推广的“利器”，对于激光雷达，有没有正在制定的标准?或者说您认为需要哪些方面来规范此类仪器的生产和应用?　　刘文清：激光雷达目前还没有正式的国家规范标准，很多单位对于激光雷达的性能校验也一直存在着疑问。实际上，为了保持激光雷达的有效探测距离及探测精度、保证激光雷达的稳定性及准确性，我们联合合作企业已经编制了相关的企业技术规范标准，希望能够逐步发展为行业和国家标准。　　激光雷达标准规范的建立目的是为了保证雷达数据的有效性和一致性，科学的系统测试和校验方法是其重要的技术支撑。完整的系统测试即包括仪器组成部分的性能测试，如激光器的功率、脉冲能量、发散角，光学发射和接受系统与激光准直系统的匹配性，数据采集系统本身的采集速率、电子学噪声，以及雷达数据处理和分析软件性能 也包括功能指标，包括探测成分、探测距离、距离分辨率以及信噪比等。对于激光雷达这样一个复杂的光电探测系统的校验也可以与其他观测设备进行一致性的对比分析。使用激光雷达与能见度仪、太阳光度计等观测仪器进行数据一致性对比分析，采用探空气球数据对激光雷达观测数据产品的准确性进行校验等。　　后记：随着我国大气环境治理工作的深入，大气环境质量监测的项目、时间要求和空间要求都在提升，随之而来的是监测手段的多样化。除激光雷达之外，卫星遥感、无人机、探空气球等技术不断被引入大气环境质量监测领域，不同的手段为我们多维度了解大气污染过程提供了依据，也为我们更精准的治理大气环境提供了技术支持。（编辑：李学雷）

激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.

2021年，《高分子学报》邀请了国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写从基本原理出发的高分子现代表征方法综述并上线了虚拟专辑。仪器信息网在获《高分子学报》副主编胡文兵老师授权后，也将上线同名专题并转载专题文章，帮助广大研究生和年轻学者了解、学习并提升高分子表征技术。在此，向胡文兵老师和组织及参与撰写的各位专家学者表示感谢。更多专题内容详见：高分子表征技术专题高分子表征技术专题前言孔子曰：“工欲善其事，必先利其器”。 我们要做好高分子的科学研究工作，掌握基本的表征方法必不可少。每一位学者在自己的学术成长历程中，都或多或少地有幸获得过学术界前辈在实验表征方法方面的宝贵指导！随着科学技术的高速发展，传统的高分子实验表征方法及其应用也取得了长足的进步。目前，中国的高分子学术论文数已经位居世界领先地位，但国内关于高分子现代表征方法方面的系统知识介绍较为缺乏。为此，《高分子学报》主编张希教授委托副主编王笃金研究员和胡文兵教授，组织系列从基本原理出发的高分子现代表征方法综述，邀请国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写。每篇综述涵盖基本原理、实验技巧和典型应用三个方面，旨在给广大研究生和年轻学者提供做好高分子表征工作所必须掌握的基础知识训练。我们的邀请获得了本领域专家学者的热情反馈和大力支持，借此机会特表感谢！从2021年第3期开始，以上文章将陆续在《高分子学报》发表，并在网站上发布虚拟专辑，以方便大家浏览阅读. 期待这一系列的现代表征方法综述能成为高分子科学知识大厦的奠基石，支撑年轻高分子学者的茁壮成长！也期待未来有更多的学术界同行一起加入到这一工作中来.高分子表征技术的发展推动了我国高分子学科的持续进步，为提升我国高分子研究的国际地位作出了贡献. 借此虚拟专辑出版之际，让我们表达对高分子物理和表征学界的老一辈科学家的崇高敬意！小角中子散射技术及其在大分子结构表征中的应用The Basic Principle of Small Angle Neutron Scattering and Its Application in Macromolecules作者：左太森，马长利，韩泽华，李雨晴，李明涛，程贺作者机构：中国科学院高能物理研究所 中国散裂中子源 2.散裂中子源科学中心,东莞,523803 中国科学院大学,北京,100049作者简介：程贺，男，1978年生. 中国科学院高能物理研究所东莞研究部研究员. 1996年考取中国科学技术大学，2006年在吴奇教授课题组获得博士学位. 随后赴中国科学院化学研究所韩志超研究员课题组工作，建设我国第一台SANS(2012年国家验收). 2014年加入中国散裂中子源，中国科学院高能物理研究所东莞研究部，现正在主持建设世界上第二台基于散裂中子源的VSANS. 致力于使用和发展散射方法，研究软物质多相多尺度结构和动态学行为.摘要小角中子散射(SANS)是一种表征从纳米到微米尺寸物质特征结构的有力工具，配合中子的强穿透性和同位素辨识等特性，在软物质大分子结构表征方面发挥着独特的作用. 随着中国散裂中子源(CSNS)在2018年正式对外接受机时申请，国内SANS用户群逐年扩大. 本文首先简要介绍小角中子散射技术的基本原理、谱仪结构和实验技巧，然后紧扣小角谱仪的特点和方法学方面的最新进展，介绍小角中子散射在高分子溶液、高分子共混物和复合材料、高分子结晶、凝胶、多孔材料、生物大分子等研究领域的结构表征方面的典型应用. 小角中子散射和其他表征手段，如小角X射线散射(SAXS)相互紧密配合和补充，成为连接大分子内部多相多尺度的微观结构和宏观性的桥梁.AbstractSmall angle neutron scattering (SANS) is a powerful tool to characterize multi-scale structures in macromolecules. Deep penetration and H/D isotope labeling make it a unique scattering method. To make it more familiar to the users, basic principle of SANS, instrumentation and experimental skills were firstly demonstrated. Then typical applications in the fields of polymer solution, polymer blends, nanocomposites, crystallization, gels, porous materials and biomacromolecules were introduced. As for the data analysis of complex systems, such as biomacromolecules, in addition to the traditional data analysis methods, advanced methods such as the ab initial analysis and Reverse Monte-Carlo (RMC) simulations provide more detailed information. Combine with small angle X-ray scattering (SAXS), static light scattering (SLS), electron microscope (EM)et al., SANS enables us to solve the structure and interaction of more complicated systems such as interaction of biomacromolecues and solvation of polymers in mixed solutions. As the China Spallation Neutron Source (CSNS) was officially opened to the users around the world in 2018 and SANS instruments equipped with various sample environments are being built, more opportunities are opened to the SANS communities domestically and abroad.关键词小角中子散射  大分子  多相多尺度  结构表征  中国散裂中子源KeywordsSmall angle neutron scattering  Macromolecules  Multi-scale and multi-phase  Structure characterization  China spallation neutron source 小角散射，通常包括小角光散射(SLS)、小角X射线散射(SAXS)和小角中子散射(SANS)，都是表征物质纳米到微米的多尺度特征结构的有力手段[1,2]. 它们的基本原理[3]和数据处理分析方法[4]十分类似，三者可以互补和互相验证. 3种散射方法有两点主要不同之处：一是光源与样品的作用机理不同，所以使用不同散射方法时样品的衬度不同；二是波长不同，所以研究的特征尺度范围不同. 首先，衬度直接决定了散射实验的可行性. 光散射衬度来自样品的微分折光指数；X射线与核外电子相互作用，衬度来自于电子云密度，所以原子序数高的元素衬度高；对于中子，由于中子直接作用于原子核，与核的性质有关而与原子序数无关，反而同一元素的各种同位素的中子衬度有很大不同. 小角中子散射的衬度等于样品与分散剂的相干散射长度密度之差，这里的相干散射长度密度(ρcoh，单位：Å-2)是散射体中所有的元素或同位素的相干散射长度(bcoh, 单位：Fermi，1 Fermi = 10-15 m)的加权平均与散射体的摩尔体积之比；同位素的散射截面相当于原子核与中子相互作用被散射的概率( σσ，单位barn, 1 barn = 10-24 cm 2)，正比于散射长度的平方. 中子与原子核相互作用，除了被散射外，还会有一定的概率被吸收. 常见天然元素和同位素对于1.8 Å中子的相干散射长度、相干和非相干散射截面以及吸收截面的数据如表1所示[5]. 设计SANS实验的第一步需要估算样品的中子衬度和透光率，前者决定了SANS实验的可行性，后者决定了数据分析的可行性. 根据表1，已知大分子体系的元素、同位素组成和密度，可以计算中子衬度，溶液体系衬度为溶质和溶剂的中子相干散射长度密度差，二元共混体系衬度为二元组分大分子的中子相干散射长度密度差. 衬度低的样品无法进行SANS实验(比如一般的非晶碳氢化合物样品，化学组成一般为CH2，根据表1，bc+2bH≈0bc+2bH≈0，在不进行氘代的情况下无法进行SANS实验)；而样品对中子的透过率可以通过式(1)所示的朗伯-比尔定律计算.其中：d为样品厚度.nini为样品中第ii种元素的原子比例，pij、σij(λ)σij(λ)和ρijρij分别为第i种元素的第j种同位素的丰度、全截面和数密度. 其中全截面包含相干、非相干和吸收截面，同位素截面相关数据可以参考ENDF数据库[6]. 传统的散射基本理论是建立在单次散射的基础上的，如果样品太厚，透光率较低，可能在实验中引入多次散射，造成数据无法用常规分析方法解析，所以一般的SANS实验要求 Ttrans85%，如果是溶液样品，尽量采用氘代溶剂.Table 1Coherent scattering length and coherent, incoherent and adsorption scattering cross section of common elements in macromolecules and commonly used isotopes in SANS experiments[5].一些吸收截面非常大的天然元素或者同位素通常用于中子吸收材料，如表1中的B-10，在实验样品中要尽量避免这类对热中子具有强吸收的同位素，除B-10外，还有Cd-113、Gd-155、Gd-157、Sm-149、Eu-151等同位素.对于结构表征的各类技术，能够覆盖的尺寸范围很大程度上决定了这一技术的应用范围. 用于光散射的激光波长在可见光范围，所以小角激光光散射观察尺度在微米的数量级，而静态激光散射的观察尺度在20~300 nm；由于X射线和中子的波长在埃的数量级，所以常规的SAXS和SANS可以测量1~300 nm的特征尺度.表2总结了3种小角散射方法的一些基本特征，可以看到每种方法都有其特点和不足. 小角光散射波长较长，需要样品透明并且容易受到灰尘的影响；小角X射线散射的优势是亮度非常高，特别是同步辐射X射线小角，缺点是穿透能力一般，容易被吸收(当然共振散射赋予了它另外的特点)；小角中子散射的特点是穿透能力强，可以加载各类样品环境，同时还能够识别同位素，可以得到样品的绝对散射强度，缺点是中子源亮度太低. 所以实际使用中，用户需要依据自身样品的特点和需要观察的特征尺度范围，选择合适的散射手段，互相验证和补充.Table 2Comparison between SLS, SAXS and SANS.随着小角中子散射方法的应用越来越广泛，谱仪和方法学上出现了2种趋势，一方面通过中子束的聚焦或准直向更小散射矢量方向扩展1~2个量级，研究特征尺度更大的体系，典型的就是发展微小角(VSANS)[7]甚至超小角(USANS)中子散射谱仪[8]；另一方面利用波长更短的中子的散射将散射矢量扩展到50 Å-1以上，研究无序体系在原子尺度上的结构，即所谓的无序大分子中子全散射方法[9]. 谱仪技术发展的驱动力在于实现通过一次散射实验来表征样品从原子到分子，再到组装体，甚至相区的多相多尺度结构的梦想. 虽然这些谱仪的设计思路和物理结构千差万别，但是它们的基本散射原理完全相同. 下文将着重介绍SANS谱仪.1小角中子散射谱仪、基本原理、实验技术和方法小角中子散射谱仪通常分为两类，一类是基于反应堆的固定波长小角谱仪[10]，国内有绵阳研究堆的狻猊谱仪和中国先进研究堆的小角中子散射谱仪；另一类是基于强流脉冲中子源的飞行时间小角谱仪[11]，国内有CSNS的小角中子散射谱仪. 固定波长小角谱仪，利用速度选择器将中子单色化后进行散射实验；而飞行时间小角谱仪则采用白光中子进行散射实验，利用脉冲中子从中子源运动到探测器的飞行时间标定中子波长. 两类SANS的基本原理完全一样，准直系统通常为如图1所示的小孔几何，源光阑和样品光阑用于中子准直，1个或者多个探测器接收散射中子[7].Fig. 1(a) Schematic diagram of the SANS instrument (b) The relationship between the characteristic length scaled and the scattering vector q⇀q⃑ (Bragg's Law). 运动的中子从量子力学的观点可以看成一种物质波，其波长λ = h/(mnv)(其中h为普朗克常数，mn为中子质量，v为中子速度)，入射中子的波矢量记作k⇀i，其绝对值为2π/λ，中子被样品散射后，散射波矢量记作k⇀s，如果是弹性散射，中子波长不变，其绝对值仍为2π/λ.散射前后，入射波矢量和散射波矢量的差值k⇀s−k⇀i定义为散射矢量q⇀.图1是CSNS的VSANS谱仪在小角模式下的示意简图. 根据如图 1所示的几何关系和矢量加减规则得到布拉格公式：其中θ为散射角. 如果样品的特征长度为d，根据如图1几何关系和布拉格方程，两束被样品散射的中子的波程差为2dsin(θ/2)，当波程差等于波长λ的整数倍时，散射中子相干增强，即：当n取1时，由公式(4)可知，正空间的样品特征长度与散射矢量q是倒易关系，即1/q是正空间的尺子，在计划实验时，需要对样品的特征尺寸范围有一个预判. 根据香农采样定理[12]：如果谱仪q范围为0.001~0.3 Å-1，其可表征的样品特征尺寸范围为300~1 nm. 如果能将中子聚焦，或者放弃一个方向的分辨率，将最小q向低q方向推进1~2个量级，从而能够表征的样品的特征尺度将增加1~2个量级. 我们将这类谱仪称为微小角中子散射谱仪(qmin=10-4 Å -1)[7]和超小角中子散射谱仪(qmin=10-5 Å -1)[13].考察一个由N个大分子链组成的链间有相互作用的体系，假设每根链聚合度为n，并粗粒化单体作为基本的散射单元. 为了方便表示，如图2所示，考察体系中的链α和链β. 链α和链β的质心距离坐标原点分别为Rα和Rβ，链α和第i个单体距离链α的质心为Sαi，链β的第j个单体距离链β的质心为Sβj，链α和链β之间的距离为Rαβ，i，j距离原点分别为rαi和rβj. 根据散射基本原理，中子入射到单个单体后形成球面波，其散射振幅：Fig. 2Schematic draw of the polymer chain and the vectors between atoms and polymers.一条链的散射振幅：考虑大分子与周围介质的散射长度密度差为Δρ，大分子单体的体积为υ，体系总体积为V.α和β遍历体系中的每一根链，i，j遍历链的每一个单体，得到体系的宏观散射截面可表示为公式(8).公式(8)右边第2项可以近似为倒易2根链的质心相互作用的相干散射得到公式(9).根据如图2所示的几何关系，代入(9)得到：其中F(q)为形状因子的散射振幅，定义单粒子的形状因子P(q)，注意，这里的i,j位于同一个散射体或者同一条链上.散射体可近似视为连续介质，P(q)可改写为：其中，Vpart为散射体的体积，ρpart(r)为散射体内部的密度空间分布.定义散射体之间的结构因子SI(q)，式(11)适用于所有散射体系对于密度分布均匀的散射体，∣∣F(q)2∣∣=|F(q)|2，而这里的dΣ(q)dΩ是散射矢量为q时的绝对散射强度(单位为cm-1). 小角中子散射实验中，经过样品散射进入立体角为ΔΩ的探测器的中子计数Is(q)(单位为count/s)与q的关系为：其中T(λ)为样品透过率，d为样品厚度，定义入射中子强度I0(λ)：Φ(λ)为入射中子波长分布，ε(λ)为探测器效率，A为样品光阑面积，t为数据采集时间.所以对于典型的小角散射实验，如果实验的q值范围已经覆盖了样品的多相多尺度结构，通过一次SANS实验，可以得到Δρ(衬度)，n(分子量)，P(q) (基本形状)和SI(q) (相互作用)，但需要注意的是SANS用了一个粗粒化的模型，所能观察的最小尺度是π/qmax，一般不小于1 nm.2小角中子散射实验一个完整的小角中子散射实验过程包括(1)计划实验：根据科学目标准备合适大小和数量的样品；(2)确定实验方案，并采集小角中子散射数据；(3)对散射数据进行处理和分析.2.1样品准备和要求在样品准备阶段需要注意几个问题，第一，衬度：样品中散射体与周围介质的散射长度密度的差异是否足够. 一般而言，如果衬度Δρ≥1×10-6 Å -2就完全没有问题，否则就需要与谱仪科学家进行沟通，依据谱仪本身的信噪比进行调整. 如果衬度不够就可能需要对溶剂或者散射体进行氘代. 第二，样品的特征尺寸是否在谱仪的测量范围内，通常谱仪的测量范围在π/qmax到π/qmin内；第三，做一些前置实验，如小角X射线散射、电镜等确定合成的样品状态是否由于聚集、结晶等过程的发生而改变. 此外，还需要注意样品的使用量和样品厚度. 根据样品内散射体的尺寸和与周围介质之间的衬度，样品量从300~1500 mg不等，样品厚度根据散射强度选择，通常为1和2 mm. 对于强散射样品，如果样品太厚会产生多重散射；对于溶液样品需要注意样品的结构与浓度有关，稀、亚浓和浓溶液结构会随着样品间相互作用而改变，为区分‍P(q)和‍SI(q)对‍I(q)的影响，除硬球体系之外，一般需要在稀溶液中先确定样品P(q)，这时也许需要在0.1 wt%~5 wt%之间做多个样品，从而外推到无限稀溶液的情况.2.2实验数据处理实验数据处理是通过对原始实验数据进行一系列的物理校准和校正，最终得到与实验仪器和样品厚度等无关的，体现样品本质特征的绝对散射强度(dΣ(q)dΩ，cm-1)随着散射矢量(q，Å-1)变化的信息. 一个完整的实验通常包括5组数据的采集：空样品池透过率数据Tc(λ)、空样品池散射数据Iexpcb(q)、样品加样品池透过率数据Tsc(λ)、样品加样品池散射数据Iexpscb(q)、空背底测量Ibackground(下标s表示样品，下标c表示样品池，下标b表示背底). 小角中子散射实验中，散射信号Iexpscb(q)有以下来源：样品、样品池和各种背底(如天然背底、空气散射和电子学噪声等).各种散射信号之间的关系可以用式(1)和式(2)表示，其中I0(λ)代表零散射角度的散射强度. 扣除样品池的散射和其他各种背底，最终计算得到dΣ(q)dΩ. 式(1)和式(2)只是简化和近似，真实SANS数据处理还需要考虑探测器效率、死时间和入射中子波长分布等因素[14].2.3实验数据分析SANS数据分析方法多种多样. 一般来说，可分为不依赖于模型的分析方法和依赖于模型的分析方法. 不依赖于模型的分析方法植根于数学，是数据分析的起点. 具体来说，包括吉尼尔(Guiner)、Porod、Kratky等分析方法. Guiner分析方法是样品的散射强度的自然对数对散射矢量的平方作图，即1n(I(q))对q2作图，在qRgPorod分析方法是主要用于分析散射体尺寸的局部结构信息，要求qRg1. Porod作图即是将散射强度对散射矢量作图，即1g(I(q))对lgq作图，其斜率即为散射体的Porod因子n. 高q的散射数据通常可表示为或者对于长棒形散射体，n=1；对于二维光滑散射体，n=2；如果三维散射体拥有光滑表面，n=4； 否则，n为3~4之间. 对于大分子链，Porod因子与排斥体积参数ν有关，即n=1/v，对于稀溶液中的有排斥体积高斯链n=5/3(或者1/0.588)，对于稀溶液中没有排斥体积的高斯链n=2，对于完全蹋缩的大分子链n=3.n为2~3之间可能是枝状大分子或者是形成网络结构.图3为半径为R=50 nm的硬球的散射模型，可以用贝塞尔方程拟合. 对曲线低q区域(qRg≤1)进行Guinier拟合，如图3中的小插图所示，得到均方旋转半径为38.94 nm，与理论值500 × (3/5)0.5 = 38.73 nm相符. 需要注意的是在得到 Rg之后需要进行一次验证，验证拟合区间确实满足qRg≤1.Fig. 3Guinier and Porod fit of the form factor of the hard sphere with a radius of 50 nm.对高q区域(qRg1)进行Porod拟合，得到斜率为-4.0，符合光滑球体表面分形维数. 更详细的关于Guiner、Porod和Kratky作图的图文解释和示例，读者可以参考Hammouda的SANS TOOLBox的第15章[15].常用的依赖于模型的分析方法是借助已知的样品信息，以有限多个初始参数建立正空间中散射体的几何模型，并根据公式(13)计算与之对应的倒空间的数学曲线，采用最小二乘法，不断迭代输入参数，直到模型的计算散射曲线与实验曲线的偏差在可接受范围内. 常用的分析软件有Igor[16]和SASView[17]等. Svergun和McGreevy等发展了新从头算起(ab initio)和逆蒙特卡罗模拟的分析方法[18~21]，可以将正空间三维结构的傅里叶变换与散射曲线进行比较.对依赖模型的分析方法，初始模型的设计至关重要. 所以在SANS实验之前，需要进行一系列的前置散射、光谱或者成像实验，估计样品的初始结构. 根据不依赖于模型的Guinier和Porod等方法对一维散射曲线的分析结果，验证初始模型的选择是否正确. 需要注意的是，拟合参数或者基本假设越少，分析结果的准确性越高. 拟合参数多的方程可以拟合大多数SANS曲线，但必须通过结合其他研究手段固定大部分的参数.3大分子相关领域典型应用小角中子散射在物理学、化学、材料、生命科学和工业界等均有大量应用. 本文主要聚焦于大分子领域，即合成高分子、生物大分子和大分子材料领域的典型应用. 为方便讨论，依据样品的特点进行分类，分为高分子溶液、高分子共混物和复合材料、高分子结晶、凝胶、多孔材料、生物大分子. 以下就这些方面的一些经典案例和最新发现进行讨论. 由于小角中子散射应用领域众多，并且各个领域之间还会出现交叉和重叠，所以以下分类讨论并不一定严格和全面，本文只是抛砖引玉，旨在说明小角中子散射的特点和在各领域的典型应用.3.1高分子溶液体系大多数用户使用SANS研究溶液体系是为了得到溶质的多尺度形貌，所以高分子溶液体系的样品处理，实验方法，数据处理与分析具有普适性[22,23]. 大分子在溶液中的基本构象(confor-mation)的确定需要使用SANS进行证明，一般在稀溶液测定. 1974年，Cotton等使用SANS研究了线形聚苯乙烯(PS)在二硫化碳(良溶剂)和环乙烷(θ溶剂)中的构象，验证了高分子在良溶剂中是有排斥体系的高斯链，分形维数5/3，在θ溶剂中是无扰高斯链，分形维数是2[24]. 随着高分子化学的进步，科学家们合成了不同几何形状的单分散大分子. 2014年，Goossen等使用SANS研究了环形PS在氘代甲苯(良溶剂)，氘代环乙烷(θ溶剂)和氘代线形PS(类θ本体)中的构象，如图4所示[25]. 环形PS在良溶剂中，Porod区间的表观分形维数1.56，小于线形PS在良溶剂中的5/3，作者解释是由于第2维利系数(A2)的影响，通过扣除A2，得到没有端基的环形PS在良溶剂中的分形维数；环形PS在θ溶剂和相同分子量的PS本体中，分形维数为2. 我们需要着重指出两点：一是对θ溶剂体系，或者高分子本体体系，图4的拟合区间在0.006~0.2 Å-1，对于低q区间，0.002 Å-1qP(q)的基本定义(公式(13))进行计算[15].Fig. 4Scattering functions and representative slopes for the overall and internal structure of ring polystyrene in good andθ solvents at different length scales. The linear polymeric matrix in the ring/linear blend is congruent with the θ‍-solvent. (Reprinted with permission from Ref.‍[25] Copyright (2015) American Chemical Society).相分离过程的研究是高分子溶液研究领域的重点之一. 大多数情形下，基于平均场理论的Ornstein-Zernike方程可以描述溶液中相分离过程的浓度涨落的变化[26,27]. Jia等使用SANS，研究了聚(N,N′-二乙基丙烯酰胺)(PDEA)在氧化三甲胺(TMAO)水溶液中的相分离发生前浓度涨落(concentration fluctuation)的变化，如图5所示[28]. 浓度涨落的强度和幅度都随温度升高而增大，随TMAO含量的增高而增大；通过外推零散射角度散射强度的倒数随着温度的倒数曲线，得到浓度涨落趋近无穷时的温度，就可以得到该共混体系的旋节线相图. 同样，这里需要注意两点：一是SANS是唯一的直接测量旋节线相图的研究手段，其他研究手段，例如浊度法，测量的都是双节线相图；二是越靠近相边界，浓度涨落的尺度越大(图5)，这与温敏性高分子靠近最低共溶温度(LCST)时体积收缩[29]并不矛盾：由于图5的SANS实验的衬度来源于浓度涨落的微区，而不是单链高分子. 如果需要看到PDEA单分子链的LCST塌缩(就像使用动静态激光光散射观察PDEA极稀水溶液一样)，需要使用衬度匹配技术. 典型的例子可以参考Hammouda等的实验，使用氘代和氢化聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)在衬度匹配的重水/水混合溶剂中，用SANS观察PNIPAM单链的塌缩过程[30].Fig. 5SANS profiles of 4% mass fraction PDEA in TMAO-d9/D2O mixtures. (a) Temperature dependence of PDEA atcTMAO = 0.28 mol/L the arrow is used to guide the eye, indicating the increase of concentration fluctuations with temperature. (b) TMAO concentration dependence at 15 °C when TMAO concentrations are 0, 0.1, 0.28, 0.44, 0.58, 0.76, 0.90, 1.13 and 1.25 mol/L, respectively. (Reprinted with permission from Ref.[ 28] Copyright (2017) American Chemical Society).随着大分子在溶液中的浓度增加，分子之间相互作用(SI(q))逐渐变强，这时相互作用在散射曲线上将会表现为最小散射矢量附近的散射强度相对无相互作用时变小，中间q区间的散射强度相对无相互作用时变强. 如果体系中存在复杂的相互作用，如氢键相互作用、静电相互作用、憎水相互作用、π-π堆叠作用[31]等，在溶液中将形成亚稳的并且能够响应外界刺激的微相自组装结构，在污水净化、废油回收、药物输送等方面有着广泛的应用[32]. 小角中子散射是研究这类体系的非常有效的方法，既可以研究大分子或组装体在溶液中的结构(P(q))的变化[33]，又可以研究组装体的结构在溶液中的相互作用(SI(q)).大分子组装结构是小角中子散射研究的一个热点. Sternhagen等合成了一系列的两亲性离子类肽嵌段共聚物，这些共聚物唯一不同的是肽链序列的离子单体的位置不同. SANS研究表明，这些肽嵌段共聚物组装成星形胶束结构，并且离子单体的位置越靠近星形胶束中心，胶束的均方旋转半径越小，并且二者呈现一定的指数关系[34]. 此项研究为利用肽键氨基酸序列调控组装胶束结构开辟了新的道路.3.2高分子共混物和复合材料通过将高分子共混、复合，石油化工工业只需要生产常见的几十种高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等，就可以大致满足人们日常生活对高分子材料的硬度、弹性、机械强度、疲劳强度、导电性、透光性、耐热性、阻燃性、吸水性、耐酶性等多方面的需求. 这表明高分子共混物和复合材料的多相多尺度微观结构及其演化过程与宏观性能密切相关. 小角中子散射适用于实时追踪这类体系的微观结构的变化.通常非晶高分子本体或者共混物中，由于要观察的目标大分子与其周围环境的化学结构大致相同，对大部分研究手段而言衬度几乎都为0，无法看到单一高分子链或者选择性观察某一相高分子. 少部分的观察手段，包括单分子荧光或者核磁虽然有选择性地观察能力，但是前者引入了大尺寸的荧光基团，有可能影响体系的动力学和动态学行为；后者直接观察的是能量空间. 只有SANS可以通过衬度匹配具有选择性地观察单链结构的能力[35].高分子共混物在双节线相区，初级成核过程究竟是如何发生的？到现在仍然是一个非常具有挑战性的课题. Balsara课题组曾进行了深入的研究[36]. 他们使用时间分辨SANS，研究了氘代聚乙基丁烯(dPE)、聚甲基丁烯(PM)和聚(甲基乙烯-b-乙基丁烯)的三元共混物相分离初期的成核过程，如图6所示. SANS的中子束流强度低，需要较长时间(通常大于3 min，依赖于不同中子源或者SANS谱仪)才能得到满足统计误差的散射谱图. 嵌段共聚物hPM-hPE的加入是为了增强dPE/hPM的相容性，降低相分离温度并延长相分离时间，从而满足SANS采样所需时间.图6(a)表明，相分离未发生时，体系为均相，相对散射强度不随散射矢量q变化；随着相分离发生，低q散射曲线随相分离时间增长，不断向上倾斜，这说明有相分离成核的尺寸逐渐增大，零散射矢量处散射强度随之增长. 使用不依赖具体模型的Guinier方程对SANS数据进行拟合(图6(b))，可以得到零散射矢量处散射强度(In)随其均方旋转半径(Rg)变化的标度关系，分形维数1/0.54，说明初级成核也许并不是Gibbs成核过程(分形维数3)，而是浓度涨落诱导过程(分形维数2).Fig. 6(a) Dependence of SANS profiles on time during the early stage of the sample with 50 vol% block copolymer. The solid lines in represent fits to the Guinier model. (b) A lg-lg plot ofRg at a given time versus In(In = I(Q=0,t)/I(Q=0,t=0)) at that time. The solid line represents the best power law fit. (Reprinted with permission from Ref.‍[36] Copyright (1996) The American Physical Society).复合大分子材料在工业界有着十分广泛的应用. Liu等利用小角中子散射和电子显微镜研究纳米二氧化硅球(20 nm左右)和橡胶复合体系，发现SiO2会形成24~97个硅球的聚集体，聚集体尺寸随着SiO2球体积分数增加线性变小，最佳的二氧化硅的体积分数在40%~50%之间[37,38].具有刺激响应的智能大分子材料，如自愈(self-healing)复合材料是目前研究的热点. Staropoli 等利用小角中子散射和流变实验研究靠氢键结合而成的瞬态枝化梳状大分子在熔融状态下的氢键形成机理[39]. 结果表明，瞬态链合结构对此类材料至关重要.3.3高分子结晶高分子结晶过程极为复杂，尽管科学家们进行了多年不间断地研究，一些基础性的问题仍有疑问. 1977年，Sadler等使用SANS研究了氘代聚乙烯经过溶液和熔融结晶生成的晶体内部的单链构象[40]，在一系列假设下(氘代和氢化聚乙烯无相分离、同时结晶)，证明了高分子单链在溶液中优先按照近邻折叠模型结晶；在熔融过程中，优先按照插线板模型结晶. 这个结果争议不大，已经写入了高分子物理的教科书. 而串晶(shish-kebab)中shish的生成机理则至今仍争议不休：究竟是高分子链的拉伸、缠结网络变形或者是壁滑导致了shish的产生？Kimata等的SANS研究使shish成核理论的研究向前迈出了关键的一步[41]. 实验观察结晶过程中分子链结构变化的关键难点还在于衬度：如何能够在shish的狭小范围内看到高分子链的结构. 如之前表2所示，X射线的衬度来源于电子云密度的差别，因此SAXS可以看到二维的大分子片晶结晶区与非晶区片层之间的电子云密度差别，从而得到片晶厚度，但是SAXS看不到一根结晶大分子链与其周围链段之间的任何差别；而常规的SANS均聚物氘代和氢化二元共混同样存在问题，它虽然提供了氘代分子与周围分子之间的衬度差别，但是也引入了结晶的氘代大分子与非晶的氘代大分子之间的衬度差别. 所以Kimata之前，科学家们没有设计出合适的可以在shish中提取分子链结构的实验方法. Kimata等使用了氘代短链(S)，中等链(M)和长链(L)等规丙烯(iPP)与多分散非氘带iPP进行共混，在不同温度下进行剪切实验，用SANS观察散射图样的变化，如图7所示.图7(a)中S链的各向异性散射更加显著，温度升高到168 ℃时shish开始熔化，各向异性开始逐渐消失. Kimata等用166 ℃ 时shish刚刚开始取向的散射图样减去168 ℃或者180 ℃完全熔融的背景散射，如图7(b)所示，成功得到了d-iPP链在shish中的取向信息.图7证明了长链在shish中只起引发作用，但扩散较慢，不是shish的主体.Fig. 7(a) Temperature dependence of SANS profiles of deuterium labeled iPP during heating from 25 °C to 180 °C. The labeled fraction is denoted by S, M, and L for short D, medium D, and long D, respectively. (b) The change in SANS scattering intensity between 166 and 180 °‍C (left) and between 168 and 180 °‍C (right) for each of the three deuterium-labeled blends. (Reprinted with permission from Ref.[41] Copyright (2007) American Association for the Advancement of Science).3.4凝胶溶胶或者溶液中的胶体粒子或者大分子在合适条件下相互连接，形成空间网络结构，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，这种弹性半固体称为凝胶. 凝胶在有机体的组成中占重要地位，人体内的肌肉、皮肤、细胞膜、血管壁，以及毛发、指甲、软骨等都可看作是凝胶. 相对于稀溶液，凝胶体系中的结构和相互作用更加复杂，小角中子散射方法，可用于研究此类体系的微观结构[42,43]、凝胶相的形成过程[44]和形成机理等[45].Endo等利用SANS研究不同浓度的间规聚丙烯(sPP)在氘代十氢萘溶剂中形成的物理凝胶的结构[46]，散射曲线如图8(a)所示. 散射曲线在某一q范围的斜率表示在相应正空间尺度上散射体的分形维数. 浓度最低的sPP十氢萘溶液(2 wt%)的散射曲线低q区间分形维数1，说明在交联点之间有棒状结构，中等q值范围内分形维数4，类似光滑球形外表面. 所以假设sPP纳米晶为球形结构(用贝塞尔方程拟合)，纳米晶之间存在的非晶sPP链形成的网络结构(用Ornstein-Zernike方程拟合)，纳米晶球之间进行Percus-Yevick近似，就可以得到交联点形状、尺寸随sPP浓度和温度变化的定量关系(图8(b)).Fig. 8(a) SANS profiles of the nitrogen quenched gel with differentsPP concentrations (symbols) and corresponding fitting results (solid lines). The profiles are vertically shifted to avoid the overlap. (b) Schematic illustration of hierarchical structures in gel LN suggested by the SANS profiles. (Reprinted with permission from Ref.‍[46] Copyright (2019) The Royal Society of Chemistry)3.5多孔材料中子直接作用于原子核，具有很强的穿透性，可以轻松穿透较厚的多孔材料，从而在1~100 nm范围内研究其内部孔隙的孔隙率、尺寸分布、各向异性、孔的连接性和比表面积，并且可以追踪这些参数对其容纳和吸附性能的影响.Yang等利用小角中子散射研究我国四川盆地龙马溪页岩的多孔结构[47,48]. 用多分散球形孔模型和Porod方法分析中子散射数据得到的比表面积和孔隙率，都大于压汞法得到的结果，说明样品中存在盲孔. 随着样品埋藏深度的增加，盲孔数量也随之增加，并且与有机碳含量存在相关性. 这个例子需要注意样品多重散射对散射曲线的影响，通常页岩样品厚度在200 μm的情况下可以保证单次散射；具体实验中需要测量不同厚度样品散射曲线来避免多重散射.碳纤维是重要的工业材料，小角中子散射可以对碳纤维内的孔隙缺陷进行精确的表征. Jafta等利用小角中子和小角X射线对多孔碳纤维内的孔隙率和比表面积进行了精确的分析[49]. 同时还用弦长分布函数分析了体系中孔隙的空间分布，发现孔的分布相对无序. 如果多孔材料的孔隙分布比较窄，就可以用于研究液体在空间受限行为、各种气体在孔隙内的吸附和脱吸附. Melgar等利用多金属氧酸盐为水分子提供含有不同配体的孔隙，研究水分子在孔隙内的分布情况[50]，研究表明，当孔隙小于1.1 nm，水分子将不能进入孔隙从而去润湿. Bahadur等利用小角中子散射研究二氧化碳在多孔碳材料内的高压吸附行为[51]. 观察到二氧化碳在微孔内随着压强的非线性吸附，微孔尺寸从约5 Å增加到7 Å. 但氩气在同样压强作用下的吸附并没有引起孔隙尺寸的变化. 说明吸附二氧化碳后，孔隙内的压强大于外界压强，推测孔内存在很强的吸附引起的溶解压.3.6生物大分子生物大分子种类丰富，多尺度结构复杂，其内部结构和作用原理的解析对解开生命的奥秘、开发新型药物等意义重大. Shi和Li对小角X射线在该领域的研究进展和一般分析方法进行了详细的阐释[52]，介绍的分析方法和研究方向与本小节介绍的内容有一些类似和重叠，有兴趣的读者可以自行查阅. 中子凭借其特性和与X射线的互补在生物大分子方面的应用前景也十分广阔[53].生物大分子的小角中子散射表征难度相对较高，第一，氘代样品的制备难度大，需要利用氘水和氘带碳源培养特定的细菌，粉碎后再纯化需要的氘带样品；第二，小角中子散射是一种低空间分辨率的表征手段，对于复杂体系的散射，人们通常将小角中子散射与其他实验手段和分析方法如透射电镜、X射线晶体衍射、核磁共振以及模拟方法等结合起来对散射数据进行分析，如图9所示. David等综述了利用小角散射研究生物大分子[54]. 在生物大分子方面小角中子散射的研究内容包括但不限于：(1)肽链、核酸、蛋白质[55]、双层磷脂膜、淀粉、纤维素等生物大分子在不同环境下的结构；(2)肽链、核酸、蛋白质和双层磷脂膜等的相互作用和组合结构；(3)病毒、细胞器等.Fig. 9A scheme of an SAS experiment, structural tasks addressed and the joint use with other methods. The nominal resolution of the scattering data is indicated asd = 2 p/s. (Reprinted with permission from Ref.[56] Copyright (2007) Elsevier Ltd.).对于生物大分子这类复杂体系，在能够达成科学目标的前提下，模型设计需要尽可能地简单，将变量维持在可接受范围内. 如果散射体非常复杂，由多个具有不同结构、功能的部分组成，需要使用氘代对各个部分进行衬度匹配. 数据分析方面，第一步，对散射数据做定性或半定量的分析，例如稀溶液，可以通过Guinier作图分析散射体均方旋转半径，Porod作图分析体系拓扑结构或者分形维度；第二步，依据已知数据建立模型，分析数据. 数据分析模型通常有以下2种：第一种是依赖于散射数据的可迭代优化模型，依据模型的计算曲线和实验曲线的均方差对模型的一些变量进行迭代优化，如规则几何模型拟合、逆蒙特-卡洛(RMC)方法[21,57]、从头计算(ab initio)方法[20]等；第二种是不依赖于散射数据的独立模型(强烈依赖于所用力场)，例如独立的分子动力学或者蒙特-卡洛模型，独立模型的计算SANS曲线可以与实验曲线对比，或者依据实验曲线与模型得到的可能结构进行筛选[58].限于篇幅，以下举几个有代表性的实例. 如图10为天冬氨酰-tRNA合成酶(Aspartyl-tRNA synthetase complexed)与tRNA复合物结构的小角X射线和小角中子散射联合研究图示[59]. Petoukhov和Svergun分别利用ab initial的串球模型分析复合体系的低分辨结构，如图10(A)和10(B)所示，然后利用复合物各个部分的X射线晶体学结构和刚体建模方法拟合X射线和中子散射数据，得到体系在溶液中的高分辨结构模型.Fig. 10(A) Aspartyl-tRNA synthetase complexed with tRNA. (a, b) Comparisons of the crystal structure with the ab initio bead models generated by the program MONSA. In the high resolution model, the protein and tRNA are shown as blue and magenta backbones, in the bead model corresponding phases are presented in gray and yellow, respectively. (c) Best rigid body model generated by SASREF. (d) A SASREF model with different orientations of tRNA. Right view is rotated by 90° about horizontal axis. (B) Scattering profiles from the Aspartyl-tRNA synthetase complex with tRNA. The simulated data are shown by dots, the fits obtained by the program MONSA and the program SASREF are displayed as red solid and blue dashed lines, respectively. 1 and 2 are X-ray scattering curves of the dimeric protein and the entire complex, respectively. 3-7 are neutron scattering patterns at 0, 40%, 55%, 70% and 100% D2O, respectively. The patterns are displaced in logarithmic scale for better visualization. (Reprinted with permission from Ref.[59] Copyright (2006) Springer European Biophysics Journal).同步辐射和X射线晶体学是研究生物大分子结构的利器，在得到蛋白质的晶体结构后，利用刚体建模方法，或者分子动力学模拟，结合小角X射线和小角中子散射，可以研究各类蛋白在溶液中的结构和相互作用. Shrestha等利用小角中子散射、小角X射线散和分子动力学模拟研究天然无规蛋白(intrinsically disordered protein)结构[60]，发现Flory指数为0.54，介于理想链的0.5和自避行走链的0.588之间.4总结小角中子散射技术在基础、应用、产业化的各个领域中都有广泛的应用. 由于篇幅所限，本文只是首先从原理和实践两个方面对这一技术进行了简要的介绍，然后列举了小角中子散射在高分子溶液、高分子共混物和复合材料、高分子结晶、凝胶、多孔材料和生物大分子等体系结构表征方面的一些典型应用，希望能够进一步扩展我国的SANS用户群体. 如果需要更深一步了解SANS或者中子散射技术在高分子科学中的应用，可以参考一些专业书籍[12,61,62].参考文献1Borsali R,Pecora R.Soft-Mattter Characterization.Springer,2008.377-9522Cebe P,Hsiao B S,Lohse D J.Scattering from Polymers Characterization by X-rays, Neutrons, and Light.Washington DC:American Chemistry Society,2000.1-1163Roe R J.Methods of X-ray and Neutron Scattering in Polymer Science.Oxford:Oxford University Press,2000.1-804Feigin L A,Svergun D I.Structure Analysis by Small-Angle X-Ray and Neutron Scattering.New York and London:Plenum Press,1987.275-320.doi:10.1007/978-1-4757-6624-0_95Dianoux A J,Lander G.Neutron Data Booklet Second Edition (July 2003).2020-10-25.https://www.ill.eu/fileadmin/user_upload/ILL/1_About_ILL/Documentation/NeutronDataBooklet.pdf6National Nuclear Data Center.Evaluated Nuclear Data File (ENDF).2020-10-25.https://www.nndc.bnl.gov/exfor/endf00.jsp.doi:10.2172/9818137Zuo T S,Cheng H,Chen Y B,Wang F W.Chinese Phys C,2016,40(7):76204.doi:10.1088/1674-1137/40/7/0762048Carpenter J M, Agamalian M.J Phys:Conference Series,2010,251:012056.doi:10.1088/1742-6596/251/1/0120569Han Z,Zuo T,Ma C,Cheng H.Instrum Sci Technol,2019,47:448-465.doi:10.1080/10739149.2019.159773310Zhang H,Cheng H,Yuan G,Han C C,Zhang L,Li T,Wang H,Liu Y T,Chen D.Nucl Instrum Meth A2014,735:490-495.doi:10.1016/j.nima.2013.09.06511Anderson K.Reactor & Spallation Neutron Sources.Oxford:Oxford School of Neutron Scattering,2013.55-7612Higgins J S,Benoît H C.Polymers and Neutron Scattering.Oxford:Clarendon Press,1994.86-9513Rehm C,Barker J,Bouwman W G,Pynn R.J Appl Crystallogr,2013,46(2):354-364.doi:10.1107/s002188981205002914Du R,Tian H L,Zuo T S,Tang M,Yan L,Zhang J R.Instrum Sci Technol,2017,45(5):541-557.doi:10.1080/10739149.2016.127822915Hammouda B.Probing Nanoscale Structures-The SANS Toolbox.Gaithersburg:National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research,2010.31-19116Kline S.J Appl Crystallogr,2006,39(6):895-900.doi:10.1107/s002188980603505917Butler P,Doucet M,Jackson A,King S.SasView for Small Angle Scattering Analysis (July 2020).2020-10-25.https://www.sasview.org/18Konarev P V,Svergun D I.IUCrJ,2018,5(Pt 4):402-409.doi:10.1107/s205225251800590019Petoukhov M V,Svergun D I.Acta Crystallogr D Biol Crystallogr,2015,71(Pt 5):1051-1058.doi:10.1107/s139900471500257620Volkov V,Svergun D.J Appl Crystallogr,2003,36:860-864.doi:10.1107/s002188980300026821Gereben O,Pusztai L,McGreevy R L.J Phys Condens Matter,2010,22(40):404216.doi:10.1088/0953-8984/22/40/40421622Li Z,Cheng H,Li J,Hao J,Zhang L,Hammouda B,Han C C.J Phys Chem B,2011,115(24):7887-7895.doi:10.1021/jp203777g23Hu W T,Yang H,He C,Hu H Q.Chinese J Polym Sci,2017,35(9):1156-1164.doi:10.1007/s10118-017-1969-724Cotton J P,Decker D,Benoit H,Farnoux B,Higgins J,Jannink G,Ober R,Picot C,des Cloizeaux J.Macromolecules,1974,7(6):863-872.doi:10.1021/ma60042a03325Goossen S,Bras A R,Pyckhout-Hintzen W,Wischnewski A,Richter D,Rubinstein M,Roovers J,Lutz P J,Jeong Y,Chang T,Vlassopoulos D.Macromolecules,2015,48(5):1598-1605.doi:10.1021/ma502518p26Hao J,Cheng H,Butler P,Zhang L,Han C C.J Chem Phys,2010,132(15):154902.doi:10.1063/1.338117727Hore M J A,Hammouda B,Li Y,Cheng H.Macromolecules,2013,46(19):7894-7901.doi:10.1021/ma401665h28Jia D,Muthukumar M,Cheng H,Han C C,Hammouda B.Macromolecules,2017,50(18):7291-7298.doi:10.1021/acs.macromol.7b0150229Cheng H,Wu C,Winnik M A.Macromolecules,2004,37(13):5127-5129.doi:10.1021/ma049620130Hammouda B,Jia D,Cheng H. OAJoST,2015,3:101152.doi:10.11131/2015/10115231Datta S,Kato Y,Higashiharaguchi S,Aratsu K,Isobe A,Saito T,Prabhu D D,Kitamoto Y,Hollamby M J,Smith A J,Dagleish R,Mahmoudi N,Pesce L,Perego C,Pavan G M,Yagai S.Nature,2020,583(7816):400-405.doi:10.1038/s41586-020-2445-z32Zhang H V,Polzer F,Haider M J,Tian Y,Villegas J A,Kiick K L,Pochan D J,Saven J G.Sci Adv,2016,2(9):e1600307.doi:10.1126/sciadv.160030733Wang Z,Faraone A,Yin P,Porcar L,Liu Y,Do C,Hong K,Chen W R.ACS Macro Lett,2019,8(11):1467-1473.doi:10.1021/acsmacrolett.9b0061734Sternhagen G L,Gupta S,Zhang Y,John V,Schneider G J,Zhang D.J Am Chem Soc,2018,140(11):4100-4109.doi:10.1021/jacs.8b0046135Zuo T,Ma C,Jiao G,Han Z,Xiao S,Liang H,Hong L,Bowron D,Soper A,Han C C,Cheng H.Macromolecules,2019,52(2):457-464.doi:10.1021/acs.macromol.8b0219636Balsara N P,Lin C,Hammouda B.Phys Rev Lett,1996,77(18):3847-3850.doi:10.1103/physrevlett.77.384737Liu D,Song L,Song H,Chen J,Tian Q,Chen L,Sun L,Lu A,Huang C,Sun G.Compos Sci Technol,2018,165:373-379.doi:10.1016/j.compscitech.2018.07.02438Liu D,Chen J,Song L,Lu A,Wang Y,Sun G.Polymer,2017,120:155-163.doi:10.1016/j.polymer.2017.05.06439Staropoli M,Raba A,Hövelmann C H,Krutyeva M,Allgaier J,Appavou M S,Keiderling U,Stadler F J,Pyckhout-Hintzen W,Wischnewski A,Richter D.Macromolecules,2016,49(15):5692-5703.doi:10.1021/acs.macromol.6b0097840Sadler D M,Keller A.Macromolecules,1977,10(5):1128-1140.doi:10.1021/ma60059a04541Kimata S,Sakurai T,Nozue Y,Kasahara T,Yamaguchi N,Karino T,Shibayama M,Kornfield J A.Science,2007,316(5827):1014.doi:10.1126/science.114013242Shibayama M,Li X,Sakai T.Colloid Polym Sci,2018,297:1-12.doi:10.1007/s00396-018-4423-743Gao J,Tang C,Elsawy M A,Smith A M,Miller A F,Saiani A.Biomacromolecules,2017,18(3):826-834.doi:10.1021/acs.biomac.6b0169344Srivastava S,Andreev M,Levi A E,Goldfeld D J,Mao J,Heller W T,Prabhu V M,de Pablo J J,Tirrell M V.Nat Commun,2017,8:14131.doi:10.1038/ncomms1413145Nishi K,Fujii K,Katsumoto Y,Sakai T,Shibayama M.Macromolecules,2014,47(10):3274-3281.doi:10.1021/ma500662j46Endo F,Kurokawa N,Tanimoto K,Iwase H,Maeda T,Hotta A.Soft Matter,2019,15(27):5521-5528.doi:10.1039/c9sm00582j47Yang R,He S,Hu Q,Sun M,Hu D,Yi J.Fuel,2017,197:91-99.doi:10.1016/j.fuel.2017.02.00548Sun M,Yu B,Hu Q,Zhang Y,Li B,Yang R,Melnichenko Y B,Cheng G.Int J Coal Geology,2017,171:61-68.doi:10.1016/j.coal.2016.12.00449Jafta C J,Petzold A,Risse S,Clemens D,Wallacher D,Goerigk G,Ballauff M.Carbon,2017,123:440-447.doi:10.1016/j.carbon.2017.07.04650Melgar D,Zhou Q,Chakraborty S,Porcar L,Weinstock I A,Ávalos J B,Wu B,Bo C,Yin P.J Phys Chem C,2020,124(18):10201-10208.doi:10.1021/acs.jpcc.0c0101951Bahadur J,Melnichenko Y B,He L,Contescu C I,Gallego N C,Carmichael J R.Carbon,2015,95:535-544.doi:10.1016/j.carbon.2015.08.01052Shi Ce(史册),Li Yunqi(李云琦).Acta Polymerica Sinica(高分子学报),2015, (8):871-883.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2015.1504853Fitter J,Gutberlet T,Katsaras J.Neutron Scattering in Biology: Techniques and Applications.Berlin Heidelberg and New York:Springer,2006.doi:10.1007/3-540-29111-354Jacques D A,Trewhella J.Protein Sci,2010,19(4):642-657.doi:10.1002/pro.35155Koruza K,Lafumat B,ÁVégvári,Knecht W,Fisher S Z.Arch Biochem Biophys,2018,645:26-33.doi:10.1016/j.abb.2018.03.00856Petoukhov M V,Svergun D I.Curr Opin Struct Biol,2007,17(5):562-571.doi:10.1016/j.sbi.2007.06.00957Ma Chang-li(马长利),Cheng He(程贺),Zuo Taisen(左太森),Jiao Guisheng(焦贵省),Han Zehua(韩泽华),Qin Hong(秦虹).Chinese Journal of Chemical Physics(化学物理学报),2020,33(6s):727-732.doi:10.1063/1674-0068/cjcp200507758Jiao G,Zuo T,Ma C,Han Z,Zhang J,Chen Y,Zhao J,Cheng H,Han C C.Macromolecules,2020,53(13):5140-5146.doi:10.1021/acs.macromol.0c0078859Petoukhov M V,Svergun D I.Eur Biophys J,2006,35(7):567-576.doi:10.1007/s00249-006-0063-960Shrestha U R,Juneja P,Zhang Q,Gurumoorthy V,Borreguero J M,Urban V,Cheng X,Pingali S V,Smith J C,O’Neill H M,Petridis L.Proc Natl Acad Sci,2019,116(41):20446-20452.doi:10.1073/pnas.190725111661Han C C,Akcasu A Z.Scattering and Dynamics of Polymers: Seeking Order in Disordered Systems.Singapore:John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd,2011.1-98.doi:10.1002/978047082484962Zemb T,NeutronLindner P.X-rays and Light.Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter.Amsterdam:Elsevier,2002.1-552.doi:10.1107/s0021889803001808原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2020.20242&lang=zhDOI：10.11777/j.issn1000-3304.2020.20242《高分子学报》高分子表征技术专题链接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304

X 产品简介3D扫描颗粒物激光雷达(3D10K)由旗云中天和浙江大学团队针对大气环保领域联合研发，系统结构紧凑，采用一体化无人值守设计，可实现大气颗粒物定点、扫描、走航、组网等观测，是高精度偏振技术与扫描技术在商业颗粒物激光雷达方面应用的先行者。激光雷达主要由四部分组成，分别为发射系统、接收系统、数据处理系统以及控制系统。发射系统包括激光光源和起偏模块；接收系统包括望远镜与接收光路；数据处理系统包括数据储存、反演、分析以及显示模块；控制系统包括电源管理模块与远程监控模块。 图1 3D扫描颗粒物激光雷达可对大气颗粒物污染实现高精度立体式探测与快速溯源（左图）。X 产品主要功能可输出产品包括：原始信号、距离校正信号、消光系数、后向散射系数、边界层高度、退偏比、AOD、云高云厚、水平/垂直能见度、污染气溶胶分类、云分类、PM浓度等。? 探测大气气溶胶(颗粒物、飘尘)垂直分布及时空演变；? 探测污染边界层的高度、垂直结构与时空演变；? 探测气溶胶水平分布及时空演变，实现大气能见度测量；? 实现颗粒物类型识别(城市、沙尘、烟尘、扬尘等)及污染快速溯源；? 实现雾/霾的识别及探测其时空演变；? 实现城市颗粒物通量的监测；? 评估污染长距离传输潜力。X 产品应用n 应用领域：环保、航空、应急等应用和科研领域。X 主要技术指标激光器波长532nm脉冲能量5mJ重复频率10Hz发散角3mrad (扩束器前)；1mrad (扩束后)望远镜口径200mm接收视场角0.5~3mrad (可自行调节)干涉滤光片1nm探测通道偏振双通道采集方式模拟采集*探测范围80m~10km时/空分辨率7.5m/15s*观测方式定点、扫描、走航*工作方式无人值守数据产品原始信号、距离校正信号、消光系数、后向散射系数、边界层高度、退偏比、AOD、云高云厚、水平/垂直能见度、气溶胶分类、云分类、PM浓度等。*工作温度/湿度-5℃~40℃/ 0~90%RH（其他情况可定制）通讯方式RS232、RS485总线供电/功率220V/0.6kW(最大功率)重量及尺寸100kg，0.4m×0.7m×1.3m 创新点： 3D扫描颗粒物激光雷达(3D10K)由旗云中天和浙江大学团队针对大气环保领域联合研发，系统结构紧凑，采用一体化无人值守设计，可实现大气颗粒物定点、扫描、走航、组网等观测，是高精度偏振技术与扫描技术在商业颗粒物激光雷达方面应用的先行者。3D扫描颗粒物激光雷达(3D10K)

p style="text-align: justify " 据国外媒体报道，火星极地冰盖底部存在液态水的假说于30多年前首次提出，之后的争论一直没有决定性的结果。无线电回声探测（radio echo sounding，RES）是很适合用来解决这一争论的技术，因为低频率雷达被广泛用于探测陆地极地冰盖底部的液态水，效果也很成功。冰与水之间，或冰与水饱和沉积物之间的界面，能够产生明亮的雷达发射。火星快车号（Mars Express）探测器上的火星亚表面和电离层探测高新雷达（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，MARSIS）正是用于进行RES实验的设备。MARSIS已经在火星亚表面进行了超过12年的调查，搜寻液态水的证据。有报道显示，在靠近南极层状沉积（South Polar Layered Deposits，SPLD），即火星南极冰盖最厚部分的区域具有强烈的基底回波。这些特征被解释为，由于雷达信号通过非常冷的纯水冰层传播，因而衰减可以忽略不计。在南极层状沉积的其他区域因此也探测到反常的明亮反射。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/fe5efc18-11dc-4cf6-9b1b-26bf19a199e2.jpg" title="sinaa.png"/ MARSIS采集的雷达数据/pp style="text-align: justify " 在地球上，对极地冰盖上收集的雷达数据的解释通常基于定性（基岩形态）和定量（反射雷达的峰值功率）分析的结合。MARSIS的设计，尤其是其非常大的足迹范围（约3到5千米），无法提供很高的空间分辨率，极大限制了它通过基底地形识别冰下是否存在水体的能力。因此，对极地沉积底部液态水的精确探测要求定量估算基底物质的相对介电常数（以下称为介电常数），该数值决定了雷达回波的强度。/pp style="text-align: justify " 在2012年5月29日至2015年12月27日间，MARSIS调查了火星南极高原一处宽200千米的区域，中心位于193° E， 81° S，与之前一项研究的区域基本对应。无论是从火星轨道激光测高仪（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）的地形数据，还是在现有的轨道图像中，这片区域都没有展现出任何异常的特征。这里地形平坦，由水冰和含量10%到20%的尘埃组成，并且季节性地覆盖一层厚度不超过1米的干冰。火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter）上的浅地层雷达对该区域进行了更高频率的雷达观测，揭示了SPLD中几乎没有任何内部分层，并且未检测到任何基底回波，与北极层状沉积和SPLD其他区域的观测结果形成鲜明对比。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/bf3e2987-e9bc-448a-954b-b5b3fef73243.jpg" title="sinab.png"/ 基底地形和反射回波功率/pp style="text-align: justify " 通过发射以3和4MHz或4和5MHz为中心的紧密间隔无线电脉冲，利用机载未处理数据模式获得了总共29个雷达剖面图。观测是在探测器位于火星夜面时进行的，以最大限度地减少信号的电离层散射。图2A显示了在该区域收集的一张MARSIS雷达图，图中尖锐的表面反射之后，是由SPLD内层间界面产生的若干次反射。这些回波中最后一个代表了富含冰的SPLD与底层物质（以下称为基底物质）之间的反射。在大多数调查区域，基底反射微弱且分散，但在某些位置，基底反射却非常锐利，并且具有比周围区域和表面更大的强度（明亮的反射）（图2B）。在多个轨道的观测重叠的情况下，以相同频率采集的表面和亚表面回波功率具有一致的数值。/pp style="text-align: justify "表面和基底回波之间的双向脉冲传播时间可用于估计亚表面反射体的深度，并绘制基底地形图。假设SPLD内的平均信号速度为170m/μs，接近在水冰中的传播速度，那基底反射体的深度就大约是表面以下1.5千米。MARSIS大范围的足迹和基底回波在明亮反射体外部扩散的属性阻止了基底地形的细节重建，但是可以识别出一条从西向东的区域斜坡（图3A）。明亮反射体集中的亚表面区域在地形上是平，而且被较高的地面包围，除了在其东侧存在一个凹陷。/pp style="text-align: justify " 介电常数可以提供对基底物质组成的约束，原则上可以从SPLD底部反射信号的功率中获取。遗憾的是，我们并不知道MARSIS天线的辐射功率，因为它无法在地面上校准（这得归咎于仪器的大尺寸），因此反射回波的强度只能根据相对量来衡量。通常是将亚表面的回波强度归一化为表面值，也就是计算基底和表面回波功率的比率。这种方法的优点还在于补偿信号的电离层衰减。按照这种方法，我们将亚表面回波功率归一化为沿各个轨道计算的地面功率的中值；我们发现，在给定频率下，所有归一化剖面产生了一致的基底回波功率值（图S3）。图3B显示了归一化后基底回波功率的区域图；在所有交叉轨道上，明亮反射体都位于193° E， 81° S附近，勾画出了一个定义明确、宽20千米的亚表面异常。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/bc0feb22-cc22-4162-8613-2c33e2b82141.jpg" title="sinac.png"/ 介电常数模拟和获取结果br//pp style="text-align: justify " 为了计算基底的介电常数，我们还需要有关SPLD介电特性——取决于沉积物的组成和温度——的信息。由于水冰和尘埃的确切比例未知，又由于表面和SPLD底部之间的热梯度受到很大限制，因此我们探索了这些参数的可能取值范围，并计算了相应的介电常数范围。我们做出了以下通用假设：1）SPLD由水冰和尘埃（含量从2%到20%不等）混合组成；2）SPLD内部的温度剖面是线性的，从表面的固定温度（160K）开始，上升到SPLD底部的可变温度（170K到270K）。通过考虑平面波与一个三层结构的正常撞击来计算各种电磁场景，三层结构分别是：具有自由空间介电常数的半无限层；代表SPLD的均匀层；以及代表SPLD下方物质，具有可变介电常数值的另一个半无限层。该计算输出的是一个包含一系列曲线的包络，这些曲线将归一化的基底回波功率与基底物质的介电常数联系起来（图4A）。这一包络通过对每个允许的介电常数值与归一化基底回波功率值的概率分布值进行加权，从而确定基底介电常数（包括明亮区域的内外）的分布（图4B）。该过程产生了两个基底介电常数的独特分布，估计位于明亮反射区域的内部和外部（图4C和图S4），其在3、4和5MHz的中值分别是30 ± 3、33 ± 1和22 ± 1，以及9.9 ± 0.5、7.5± 0.1和6.7 ± 0.1。明亮区域外部的基底介电常数在4到15之间，是典型的干燥陆地火山岩。这也与SPLD基底物质之前的预估值（7.5到8.5），以及火星中纬度表面致密干燥火成岩的雷达表面回波功率值一致。与此相反的是，此前在火星上并没有观察到像明亮区域内这么高的介电常数值。在地球上，大于15的介电常数值很少与干燥物质联系在一起。/pp style="text-align: justify " 采集于南极和格陵兰的RES数据显示，大于15的介电常数值可以用来指示极地沉积下方存在液态水。基于地球和火星在物理现象上的明显类比，我们可以推断，从SPLD下方明亮区域中获得的高介电常数值（部分）是水饱和物质和/或液态水层造成的。/pp style="text-align: justify " 我们分析了SPLD下方明亮区域的其他可能解释。例如位于SPLD顶部或底部的干冰层，或者整个SPLD中水冰的极低温度，与表面反射相比，这些都可能增强基底回波功率。我们否定了这些解释，有的因为需要非常具体且不大可能的物理条件，有的则是因为它们不足以导致强烈的基底反射（图S5和S6）。尽管SPLD底部的压力和温度与液态二氧化碳的存在可以相容，但它的相对介电常数（约为1.6）要比液态水（约为80）低很多，因此不能产生明亮的反射。/pp style="text-align: justify " 此前有研究利用凤凰号着陆器的湿化学实验室（Wet Chemistry Lab）发现，火星北部平原土壤中含有大量的镁、钙和高氯酸盐，支持了极地沉积底部液态水的存在。高氯酸盐可以通过不同的物理和/或化学机制形成，并且已经在火星的不同区域被发现。因此，可以合理地假设它们也存在于SPLD的底部。由于极地沉积底部的温度估计约为205K，又由于高氯酸盐能强烈抑制水的冰点（镁和钙的高氯酸盐能使水的冰点分别降至204K和198K），因此我们认为，在极地沉积底部有可能存在一层高氯酸盐水。这层盐水可以和基底土壤混合，形成污泥，或者位于基底物质上方，形成局部盐水池。/pp style="text-align: justify " 此前在火星冰川下方的雷达探测中，液态水证据的缺乏已经被用来支持这样的假说，即火星极地冰盖对基底融化而言太薄了，一些作者声称液态水可能位于比以往认为的更深的位置。MARSIS的数据显示，在相对较浅的深度（约1.5千米），液态水也可能稳定地存在于SPLD下方，从而约束了火星水圈的模型。SPLD的原始数据覆盖范围十分有限（只占南极高原面积的几个百分点），加上融水区域的面积需要足够大（直径数千米，厚度几十厘米）才能被MARSIS探测到，从而限制了识别小型液态水体及其之间是否存在液态连接的可能性。因此，没有理由认定火星亚表面水体的存在只局限于某一区域。/ppbr//p

激光雷达校准专用漫反射板,permaflect,自动驾驶,激光雷达近期，自动驾驶无疑已经成为科技圈和汽车圈的热点话题，其中一些主流汽车如特斯拉、奥迪、奔驰、宝马也纷纷进军自动驾驶领域。日前主流观点认为，激光雷达已经成为自动驾驶不可或缺的关键传感器。激光雷达的性能直接决定了adas和无人驾驶系统的性能！蓝菲光学生产的permaflect目标板可帮助校准激光雷达距离测量性能，更好得满足客户要求！蓝菲光学仪器有限公司与aeye、delphi、gentex、leidos、luminar technologies、quanergy systems、snitch、velodyne lidar、zoox公司有长期合作，蓝菲光学优质的产品质量和售后服务得到一致肯定！matthew weed, luminar 技术研发总监曾讲到：“为部署安全的自动驾驶车辆，luminar 的客户要求激光雷达系统能够在200多米的距离内对低至10%反射率的目标物实现精准测距。我们通常在200多米的距离上使用蓝非光学的permaflect目标板，来验证我们的产品是否满足客户严苛需求。”针对顾客严苛的技术要求条件，蓝菲光学仪器有限公司产品总是不断优化创新，生产出的permaflect 目标板满足激光雷达关键性能因素三到四个灰度等级(50%，5% - 94%)用于adas的激光雷达动态范围测试近红外激光波长908～940 nm和1550 nm的反射率由于传感器的工作距离，目标板需要大于a8或信纸尺寸（0.5到1平方米）整个反射面上的均匀性量产的一致性和现场使用的稳定性安装无需框架朗伯漫反射性能良好不随入射角改变

记者获悉，中国科学技术大学地球和空间科学学院教授薛向辉团队在相干测风激光雷达系统研制方面首次实现空间分辨率3米、时间分辨率0.1秒的风场探测。据了解，米级-亚秒级分辨率的大气风场探测在航空航天安全、高价值目标保障、数值天气预报等方面具有重大意义，但高时空分辨的连续风场观测对激光雷达仍是一个挑战。据介绍，薛向辉团队雷达样机工作波长为1550.1纳米，通过外场对比试验，该雷达样机风场观测结果与定标设备对比误差小于0.5米每秒。为进一步测试雷达观测性能和环境适应性，薛向辉团队在安徽省宿州市高铁站实地测量了高速列车尾流中的风场结构。雷达在无人值守下连续稳定工作超过100小时，获得了3米和0.1秒高时空分辨率下的350公里每小时的高铁尾流连续观测，并首次利用激光雷达捕捉到高铁尾流中类似于冯卡门涡街的风场结构，与计算流体力学模拟结果高度一致。相关成果发表于国际光学期刊《光学快报》。审稿人认为，“观测结果是引人注目和印象深刻的”“迄今为止首次实现连续观测的高分辨率结果”。中科大地球和空间科学学院博士研究生梁晨为该论文第一作者，王冲副研究员和薛向辉教授为论文共同通讯作者。

面对远距离小目标，常规探测手段往往只能对其定位，看到的目标只是一个点。而有些特殊需求下，需要掌握其面特征甚至体特征，实现运动目标认知，此时迫切需要发展超分辨成像手段。国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室主任胡以华教授团队，继2022年实现10千米距离上优于2厘米分辨率的国内外报道最高水平的反射层析激光雷达超分辨二维成像的基础上，近期实现了三维超分辨成像的重大突破。实现10千米距离2.0×2.0×3.5厘米分辨率的三维超分辨成像反射层析激光雷达实现二维成像的原理日趋成熟，国内外也开展了相关的实验研究，但是实现三维成像的原理和方法在国内外未见报道。团队创新性地提出了反射层析激光雷达三维成像技术架构，建立了激光探测的多角度多视场交叠取样、窄脉冲激光回波的高速高保真采集及图像重构融合处理方法，研制出反射层析激光雷达三维成像实验系统，在合肥紫蓬山地区开展了距离为10.38 km的外场实验，实现目标图像的三维超分辨重构。实验中，在山上(31°43′28″N, 116°59′55″E)的百米高实验塔上分别设置两类目标：1）高度75 cm、宽度30 cm的立体组合件，如图1 (a)所示；2）多块厚度1.7 cm、断面面积不同的块状体构成的从下到上间距9 cm到2 cm递减、面积渐小的60°倾斜角梯形立体分辨率测试靶，如图1 (b)所示。成像实验系统布置在该市华南城(31°46′20″N, 117°5′35″E)楼上，如图1 (c)所示。在多种实验环境和实验参数设置下，成功获得了如图2 (b)、图2 (d)所示的立体目标三维超分辨成像结果。图1 反射层析激光雷达三维成像实验实施图(a) 立体组合件；(b) 立体分辨率测试靶；(c) 反射层析激光雷达三维成像实验系统经第三方专家现场实测，在10.38 km距离上，环绕平面成像分辨率优于2 cm，环绕轴向分辨率优于3.5 cm。根据反射层析激光雷达成像的原理，只要激光脉冲回波信噪比足够，其三维成像分辨率与光学孔径、作用距离、激光发散角相对无关，因此，本实验为实现千千米超远距离微小目标的三维成像奠定了基础。该实验系统光学孔径为260 mm，相同孔径的光学成像系统衍射极限角约为5 μrad，对应10 km处常规光学成像的极限分辨率约为5 cm。本成果取得了超过同口径光学成像衍射极限的远距离小目标超分辨成像能力，其成像分辨率居激光成像领域国内外最优水平，特别是通过独创的技术手段和处理算法首次得到立体目标结构的十千米距离厘米级超分辨三维成像结果。图2 目标实物与成像结果(a) 立体组合件；(b) 立体组合件重构图像；(c) 立体分辨率测试靶；(d) 立体分辨率测试靶重构图像科研团队简介国防科技大学电子对抗学院胡以华教授科研团队长期致力于运动目标精确激光探测和光电对抗等领域方向理论与应用研究，围绕目标的激光三维成像、反射层析激光雷达成像、大气扰动激光探测、相干探测、光子探测以及量子纠缠探测方法，取得了一系列研究成果，为空天弱暗目标远距离探测、高精度定位和多维信息获取提供新型技术手段。团队先后出版专著《激光成像目标侦察》、《目标衍生属性光电侦察技术》、《Theory and Technology of Laser Imaging Based Target Detection》和《激光相干探测应用理论方法》，公开发表学术论文300余篇，授权发明专利70余项，获国家技术发明二等奖2项、国家教学成果二等奖2项、安徽省重大科技成就奖、省部级科技一等奖8项。团队带头人，国防科技大学电子对抗学院胡以华教授，脉冲功率激光技术国家重点实验室主任，光学工程学科首席专家，中国光学学会会士，安徽省科学技术协会兼职副主席。长期从事光电探测与对抗领域研究，取得多项系统性创新成果。

冬藏春发，傲雪凌霜，十二月的长春是银装素裹的冰雪世界。由于疫情原因，第二十一届全国光散射学术会议将以线上会议方式举办。会议受中国物理学会光散射专业委员会委托，由吉林大学超硬材料国家重点实验室承办，北京理工大学协办，于2021年12月24至28日召开。本届大会邀请了国内外知名专家就光散射和相关光谱原理和技术等领域的前沿热点问题进行交流。会议邀请了国内外著名专家、学者参会并作报告，共收到400余篇摘要与论文投稿，注册参会600余人，分别来自百余所高校、科研院所和企业。会议主题涵盖了SERS/TERS、材料物理、生物医药等方面，将开展7场大会报告、58场分会邀请报告、67场分会口头报告、12场仪器展商报告、线上参评优秀青年论文8份、优秀墙报投稿74份。报告全程使用“腾讯会议”，我们诚挚的欢迎各位同仁参会与交流，共同办好这场两年一度的光散射学术盛会。会前特邀讲座时间12月24日主持人14:00-15:00会前特邀讲座1：刘玉龙 研究员 （中科院物理所）布里渊散射原理和技术发展在研究中的应用与它在中国发展的历史张韫宏15:00-16:00会前特邀讲座2：程光煦 教授 （南京大学）从三本书封面说起（动量守恒-能量守恒-与物质的作用）16:00-17:00会前特邀讲座3：王爽 副教授 （西北大学）多元拉曼光谱与图像分析方法及其应用实例第二十一届全国光散射学术会议大会报告时间12月25日主持人8:30-9:00开幕式刘冰冰9:00-9:45大会报告1：张锦 院士（北京大学）二维材料的偏振拉曼光谱研究谭平恒9:45-10:30大会报告2：Prof. Zexiang Shen （Nanyang Technological University, Singapore）Enhancing Properties of Two-Dimensional Perovskites with High Pressure 10:30-10:40合影；茶歇10:40-11:25大会报告3：郭林 教授 （北京航空航天大学）非晶半导体微、纳米材料SERS活性的研究与进展赵冰11:25-12:10大会报告4：徐健 研究员 （中科院青岛生物能源与过程研究所）高通量拉曼流式细胞分选仪(FlowRACS)的研制与应用时间12月28日主持人8:30-9:15大会报告5：Prof. Jorio Ado （Universidade Federal de Minas Gerais, Brazil）Nano-Raman Spectroscopy in Graphene Systems任斌9:15-10:00大会报告6：李剑锋 教授 （厦门大学）增强拉曼光谱原位研究表界面反应过程10:00-10:10茶歇10:10-10:55大会报告7：王兵 教授 （中国科技大学）单化学键精度的分子多重特异性综合表征陈建10:55-12:00闭幕式第二十一届全国光散射学术会议分会场报告12月25日 邀请报告 口头报告第一分会场：SERS/TERS 时间报告人单位题目主持人吴德印13:30-13:55方吉祥西安交通大学邀请报告：浓缩富集与分子空间定位型SERS关键技术及应用13:55-14:20杨良保中国科学院合肥物质科学研究院邀请报告：A General Surface Enhanced Raman Spectroscopy Method for Actively Capturing Target Molecules in Small Gaps14:20-14:35胡艳芳南开大学一种双功能表面增强拉曼基底的普适性制备方法14:35-14:50万福重庆大学电力变压器油中溶解糠醛表面增强拉曼光谱原位检测研究14:50-15:05董军西安邮电大学自组装制备金属纳米结构衬底及其表面增强拉曼特性研究15:05-15:15茶歇主持人尤静林15:15-15:40赵志刚苏州纳米技术与纳米仿生研究所邀请报告：以纳米形貌为驱动力增强半导体材料的SERS活性及应用探索15:40-16:05邱腾东南大学邀请报告：二维过渡金属硫属化合物缺陷与界面增强拉曼散射16:05-16:20李安然北京航空航天大学Remarkable Surface-Enhanced Raman Scattering Activity of Amorphous Zn(OH)2 Nanocages16:20-16:35王丰上海师范大学QSS@AuNPs动态SERS基底的制备与应用第二分会场：材料物理及仪器时间报告人单位题目主持人钟海政13:30-13:55刘玉龙中国科学院物理研究所邀请报告：时间门控拉曼光谱原理及在纳米与发光材料中的应用13:55-14:20徐伟高南京大学邀请报告：二维异质界面的耦合结构与功能14:20-14:45李兆芬雷尼绍上海（贸易）有限公司仪器公司：雷尼绍拉曼光谱产品及技术最新进展14:45-15:00黄保坤江苏海洋大学拉曼积分球光谱仪研究进展15:00-15:10茶歇主持人王玉芳15:10-15:35林妙玲中国科学院半导体研究所邀请报告：转角二维材料中声子重整化的拉曼光谱研究15:35-16:00彭波电子科技大学邀请报告：铁磁二维材料非互易磁光拉曼效应16:00-16:25石磊中山大学邀请报告：一维碳链的拉曼光谱研究16:25-16:50马书荣赛默飞世尔科技(中国)有限公司仪器公司：赛默飞拉曼光谱仪新技术和应用介绍16:50-17:05徐宗伟天津大学宽禁带半导体原子尺度缺陷加工与光谱表征第三分会场：分析医药及其他时间报告人单位题目主持人龙亿涛13:30-13:55沈爱国武汉大学邀请报告：叁键拉曼散射的光学标记技术13:55-14:20高婷娟华中师范大学邀请报告：偶氮增强拉曼散射与超灵敏拉曼光谱成像14:20-14:35王楠西安电子科技大学基于贝塞尔光拉曼光谱仪的散射介质中药物检测及定量分析14:35-14:50赵婷婷丰益（上海）生物技术研发中心有限公司Structure-gelatinization Characteristics Relationships for Starches with Different Amylose Content by using Raman Spectroscopy14:50-15:05李洋哈尔滨医科大学拉曼光谱在生物样品分析领域的应用15:05-15:15茶歇主持人叶坚15:15-15:40傅钰中国科学院微生物研究所邀请报告：Combination of an Artificial Intelligence Approach and Laser Tweezers Raman Spectroscopy for Microbial Identification and Characterization15:40-16:05崔丽中国科学院城市环境研究所邀请报告：单细胞拉曼研究环境功能微生物和生命过程16:05-16:20李天宇长春长光辰英生物科学仪器有限公司仪器公司：拉曼检测技术在生物医学领域中的全流程解决方案16:20-16:35孔宪明辽宁石油化工大学分子衍生化TLC-SERS应用于食品中有害物的快检研究16:35-16:50余东武汉大学印刷驱动的拉曼模拟指纹加密研究12月26日 邀请报告 口头报告第一分会场：SERS/TERS时间报告人单位题目主持人王培杰8:30-8:55谢微南开大学邀请报告：基于等离激元“核-卫星”纳米结构的表界面化学分析8:55-9:20张正龙陕西师范大学邀请报告：等离激元调控发光和催化研究9:20-9:35刘皓吉林大学基于SERS传感的增强纳米酶催化体系用于有机汞的全去除9:35-9:50欧阳磊中国地质大学（武汉）基于等离子体多普勒光栅的表面增强光谱增强机理研究9:50-10:05钟航中国工程物理研究院材料研究所表面等离激元催化反应的原位表面增强拉曼光谱研究：对氨基苯硫酚偶联反应与电催化CO2还原反应10:05-10:15茶歇主持人张洁10:15-10:40吴德印厦门大学邀请报告：电位调控SPR光电化学反应的表面增强拉曼光谱10:40-11:05江林苏州大学邀请报告：表面等离激元纳米结构设计及应用11:05-11:30王晓天北京航空航天大学邀请报告：非晶半导体纳米材料的表面增强拉曼散射效应11:30-11:45康博雯陕西师范大学等离激元手性纳米结构的光热效应研究12:00-13:30午休主持人方吉祥13:30-13:55张洁重庆大学邀请报告：结构化SERS基底制备和性能13:55-14:20王月东北大学邀请报告：基于非手性标记SERS方法的手性小分子识别14:20-14:35冯龙秀上海师范大学自动书写式SERS基底应用于水果中福美双残留的检测14:35-14:50武和平西安交通大学石墨烯混合型SERS系统用于不同尺度测试物的无标记检测14:50-15:05高宇坤北京航空航天大学表面超浸润性在痕量分析中的应用15:05-15:15茶歇主持人张正龙15:15-15:40杨士宽浙江大学邀请报告：电化学3D打印SERS微鱼雷15:40-15:55毕鑫鑫首都师范大学等离子体-激子(Plexciton)强耦合的吸收和散射光谱研究15:55-16:10胡策军南开大学表面增强拉曼光谱研究NiFe催化析氧反应的活性物种16:10-16:25姚蕾东南大学等离激元柔性薄膜的制备及应用16:25-18:00墙报交流第二分会场：材料物理仪器时间报告人单位题目主持人吴兴龙8:30-8:55赵继民中国科学院物理研究所邀请报告：Phonons Conveying Secrets of Correlated Quantum Materials--an Ultrafast Optical Spectroscopy Approach8:55-9:20赵伟杰东南大学邀请报告：钙钛矿半导体中的超快激子动力学研究9:20-9:35胡增权光谱时代（北京）科技有限公司 仪器公司：利用Lightmachinery的 HF-8999-LLL-AUTO进行快速布里渊频移测量9:35-9:50王英惠吉林大学基于飞秒时间分辨CARS技术研究共轭材料的振动弛豫行为9:50-10:05江润泽北京高压科学研究中心亚纳秒时间分辨显微拉曼系统在地球与环境科学领域中的应用10:05-10:15茶歇主持人梁二军10:15-10:40宋寅北京理工大学邀请报告：Multispectral Multidimensional Spectroscopy Probes Charge Separation in Organic Photovoltaics and Photosynthetic Reaction Centers10:40-11:05张俊中国科学院半导体研究所邀请报告：几种半导体中声学声子的角分辨布里渊光散射研究11:05-11:20王睿瑞士万通中国有限公司仪器公司：瑞士万通透射拉曼与荧光抑制拉曼技术介绍11:20-11:35罗思恒厦门大学发展一种提升拉曼光谱时间分辨率的去噪算法11:35-11:50欧阳顺利内蒙古科技大学矿渣微晶玻璃的析晶机理及其对重金属固化和性能影响的拉曼光谱研究11:50-12:05芦思珉南京大学光电限域单颗粒动态测量12:05-13:30午休主持人姚明光13:30-13:55肖冠军吉林大学邀请报告：高压极端条件下卤素钙钛矿材料的结构与物性调控13:55-14:20夏娟电子科技大学邀请报告：高压调控二维TMDC材料层间耦合作用的光谱学研究14:20-14:45苗芃堀场（中国）贸易有限公司仪器公司：HORIBA最新光谱技术助力前沿科研14:45-15:00朱伟武汉大学优秀青年论文：单粒子叁键拉曼编码用于生物多色成像15:00-15:15胡香敏清华大学优秀青年论文：基于差分反射高光谱成像的薄层TMDC材料检测技术研究15:15-15:25茶歇主持人仇巍15:25-15:40唐晓辉上海大学优秀青年论文：(CaO-SiO2)-xAl2O三元系玻璃及熔体的拉曼定量研究15:40-15:55刘圣君厦门城市职业学院优秀青年论文：关联X射线散射及其数据分析算法的研究15:55-16:10张福上海大学优秀青年论文：NaF-AlF3二元体系熔盐微结构的理论模拟与原位拉曼光谱定量解析16:10-16:25陈哲北京理工大学优秀青年论文：光镊-受激拉曼光谱技术测量SO2与悬浮NaCl单液滴的氧化反应动力学速率常数16:25-16:40张译元首都师范大学优秀青年论文：对氨基苯硫酚分子在金属薄膜上的光催化研究16:40-16:55邱俊中国科学院长春光学精密机械与物理研究所优秀青年论文：中阶梯光栅-平面镜型空间外差拉曼光谱仪对无机化合物的探测16:55-18:00墙报交流第三分会场：分析医药及其他时间报告人单位题目主持人杨海峰8:30-8:55杨勇中国科学院上海硅酸盐研究所邀请报告：SERS技术高灵敏检测SARS-CoV-2病毒研究进展8:55-9:20李丹上海应用技术大学邀请报告：柔性拉曼传感器的气体分子精准测量研究9:20-9:35温思思吉林大学基于缺陷态纳米酶基底SERS-催化动力学模型的建立其应用研究9:35-9:50姜陆月西安交通大学无标记石墨烯-SERS平台检测不同状态的K562白血病细胞9:50-10:05黄景林中国工程物理研究院激光聚变研究中心基于深度学习的新冠病毒SERS检测及基底设计10:05-10:15茶歇主持人尹建华10:15-10:40杨海峰上海师范大学邀请报告：构建反应性拉曼增强检测体系及其POCT应用探索10:40-11:05郑广超郑州大学邀请报告：分子等离激元耦合的光学应用11:05-11:20李洁西北大学利用显微拉曼光谱成像技术研究骨肉瘤细胞与药物的相互作用11:20-11:35国新华吉林大学核酸二级结构的表面增强拉曼光谱研究11:35-11:50林杰中国科学院宁波材料技术与工程研究所循环肿瘤细胞快速检测新策略-表面增强拉曼光谱12:00-13:30午休主持人胡继明13:30-13:55宋薇吉林大学邀请报告：纳米酶-SERS体系在传感与生物检测中的应用13:55-14:20高荣科中国石油大学（华东）邀请报告：The Early Diagnostic of Cancer Disease using SERS-Microfluidic based Sensor14:20-14:35刘亚琴武汉大学基于Ag+增强含氰基聚合物拉曼散射的细菌定量检测与杀菌一体化研究14:35-14:50鲍莹吉林大学表面增强拉曼光谱检测生物分子14:50-15:00茶歇主持人韩鹤友15:00-15:25李芳菲吉林大学邀请报告：高压布里渊散射在地质科学中的应用15:25-15:40苏虹羊威泰克（北京）科学技术有限公司仪器公司：拉曼成像技术新进展及其在前沿课题中的应用15:40-15:55刘海辉北京鉴知技术有限公司仪器公司：1064 nm手持拉曼在现场快检中的应用15:55-16:10凌霄上海交通大学Probing Heterogeneous Water Transport across Nanoscale Water Pores using CARS16:10-18:00墙报交流12月27日 邀请报告 口头报告第一分会场：SERS/TERS 时间报告人单位题目主持人谢微8:30-8:55王翔厦门大学邀请报告：基于针尖增强拉曼光谱的纳米分辨表界面研究8:55-9:20刘少创南京大学邀请报告：基于纳米孔道的单分子拉曼光谱光电同步采集系统9:20-9:35郑婷婷华东师范大学基于半导体纳米材料的单细胞水平SERS分析9:35-9:50吴千 苏州大学纳米粒子动态过程的表面增强拉曼光谱研究9:50-10:05孙欢欢浙江师范大学高压下二维半导体基SERS增强机制研究10:05-10:15茶歇主持人杨良保 10:15-10:40席广成中国检验检疫科学研究院工业与消费品安全研究所邀请报告：准金属表面增强拉曼光谱基底的制备及性质10:40-11:05纪伟大连理工大学邀请报告：半导体SERS增强机制及基底构筑方法研究11:05-11:20卢知轩厦门大学单颗粒散射光谱探究二氧化钛和金的光诱导电荷转移11:20-11:35郭立婷燕山大学Improve Optical Properties by Modifying Metal Materials on SERS Substrate11:35-11:50杨龙坤首都师范大学An in-situ Microfluidic SERS Chip for Ultrasensitive Hg2+ Sensing based on I- Functionalized Silver Aggregates12:00-13:30午休主持人宋薇13:30-13:55范美坤西南交通大学邀请报告：基于多维度表面增强拉曼光谱指纹的细菌识别技术13:55-14:20胡家文湖南大学化学化工学院邀请报告：SERS热点的制备、不稳定性及其机制14:20-14:35王静福建师范大学SERS体液活检技术在癌症精准医疗中的应用14:35-14:50张萌首都师范大学具有可重复性的SERS标准曲线的研究14:50-15:05李月娥兰州大学共振拉曼探针设计及细胞标记成像15:05-15:15茶歇主持人王俊俏15:15-15:40李志鹏首都师范大学邀请报告：基于三维银纳米颗粒团聚体的气/液体超灵敏检测15:40-16:05刘博文兰州大学邀请报告：多巴胺（PDA）功能化的SERS基底对弱吸附分子的定量检测16:05-16:20郝祺东南大学SERS瓶颈问题的等离激元阵列解决方案16:20-16:35印璐苏州大学应用磁场调控下多维“热点”的SERS研究第二分会场：材料物理仪器时间报告人单位题目主持人毛艳丽8:30-8:55闫胤洲北京工业大学邀请报告：微球腔垂直荧光增益结构及其介观光场调控机制8:55-9:20郑海荣陕西师范大学邀请报告：等离激元效应对微纳光学颗粒的结构调控及光谱学探测9:20-9:45李朝霞天美仪拓实验室设备（上海）有限公司仪器公司：爱丁堡仪器全新显微共聚焦拉曼光谱技术与应用9:45-10:00陈环陕西师范大学等离激元近场泵浦稀土掺杂纳米颗粒的激发态吸收和能量转移上转换及其超衍射发光增强10:00-10:15芦一瑞陕西师范大学TERS中等离激元热点优化及C18分子成像10:15-10:25茶歇主持人郑海荣10:25-10:50冯兆池中国科学院大连化学物理研究所邀请报告：紫外拉曼光谱在分子筛转晶合成过程研究中新进展10:50-11:15张昕中国科学院半导体研究所邀请报告：Dynamically-enhanced Strain in Atomically Thin Resonators11:15-11:30常颖天津大学角度分辨拉曼光谱力学测量装置及其应用11:30-11:45马楠长沙学院钾铝氟熔盐体系微结构的高温原位拉曼光谱研究11:45-12:00刘彩云吉林大学射频磁控溅射制备氮化硼薄膜的光谱研究12:00-13:30午休主持人童廉明13:30-13:55王凯吉林大学邀请报告：反常压力响应材料的探索与机理研究13:55-14:20陈亚彬北京理工大学邀请报告：极端环境下低维材料的结构调控与物性测试14:20-14:45丁珏滨松光子学商贸（中国）有限公司仪器公司：滨松发光材料&器件检测的新花样14:45-15:00刘琳琳华南理工大学有机光电器件的微区光电流和原位拉曼成像研究15:00-15:15张国峰山西大学单量子点光谱与激子动力学15:15-15:25茶歇主持人李芳菲15:25-15:50雷力四川大学邀请报告：高压拉曼光谱技术及其应用15:50-16:15陈雪利西安电子科技大学邀请报告：贝塞尔光束在拉曼光谱成像技术中的应用16:15-16:30徐媛布鲁克（北京）科技有限公司仪器公司：布鲁克拉曼光谱技术研究进展16:30-16:45徐波北京大学纳米材料空间取向的螺旋度分辨拉曼光谱表征16:45-17:00牟从普燕山大学Broadband Light Absorption and Photoresponse Enhancement in Monolayer WSe2 Crystal Coupled to Sb2O3 Microresonators第三分会场：分析医药及其他时间报告人单位题目主持人徐抒平8:30-8:55尤静林上海大学邀请报告：原位高温熔体结构的计算模拟和实验研究8:55-9:20吴国祯清华大学邀请报告：Implication of ROA Signatures by a Classical Handedness Formula along with the Raman Intensity Interpretation: the Case Study of Pinane9:20-9:35静超中国科学院上海应用物理研究所原位拉曼光谱表征LDH电催化氧析出反应过程9:35-9:50李备中国科学院长春光学精密机械与物理研究所单细胞拉曼技术的发展与应用9:50-10:05何畅上海交通大学Gap-enhanced Raman 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作为浙大博士毕业生，鲍芳琳用一篇 Nature 封面论文开创了热雷达的先河，为人工智能安上了一双白天夜晚均能看见的“眼睛”。（来源：Nature）这得从他和所在团队提出的新型机器感知方法——HADAR （heat-assisted detection and ranging）说起。HADAR 的中文名是“高光谱热雷达”，也可以简称为“热雷达”。这是一种新颖的传感范式，与现有的微波雷达（radar）、激光雷达（LiDAR）、声纳（sonar）等有着根本性不同。微波雷达、激光雷达与声纳都是主动式传感，它们会主动向环境发射信号。热雷达是被动式传感，会和相机一样“默默”地接收信号。课题组之所以将它取名为雷达，是希望有朝一日热雷达可以像微波雷达和激光雷达一样，在各行各业中取得广泛应用。图 | 鲍芳琳（来源：鲍芳琳）从人类在夜晚没有视力说起当前，人类正处于人工智能蓬勃发展的时代。机器人外卖员、扫地机器人、自动驾驶汽车等已经开始走进人类生活。预计在未来十年，将会有数以百万记的机器人和人类共同生活在地球上。届时，机器人和人类的社会互动将达到一个空前的强度。对于这些机器人来说，它们必须借助传感器来“看”周围的环境，并在获得机器视觉之后做出自主决策。在当前的智能机器市场上，以谷歌以及特斯拉的无人驾驶汽车为例，它们主要采用相机以及激光雷达来获得机器视觉。相机结合机器学习算法的方法，在白天的确表现优异，但是一到夜晚就没法工作。事实上即使在白天，相机也不能很好地区分真正的行人与海报上的人像。另一方面，激光雷达以其高精度而著称，在机器视觉领域有着不可替代的作用。然而，激光雷达只适合单机使用，难以扩展到多人工智能的场景中。当多台激光雷达放在一起，就会出现信号串扰，并对人眼造成安全隐患。由此可见对于即将来临的机器人时代来说，显然需要新一代的传感器，以便不分昼夜地支持多人工智能场景。当然，作为人类的我们早已习惯了白天与黑夜的二分世界。在黑夜看不见东西也是一个再自然不过的现象。那么，想要造出一个不分昼夜的传感器，先得回过头去思考：为什么人的眼睛在黑夜没有视觉能力？这其实是生物演化的结果。几百万年前，人类跟其他陆地动物一样都还是远古海洋生物。海洋几乎只在可见光区域透明。从那时起，人的眼睛就一直围绕着可见光演化。然而，地球一直在自转，始终只有一面朝着太阳。背对太阳的另一面没有可见光，于是就形成了黑夜。而人工智能既没有生物演化，也无需考虑海洋的透明窗口。那么，人工智能的机器视觉可以做到没有昼夜之分吗？鲍芳琳说：“我们的热雷达工作给出了肯定的答案，YES！”在这项工作中，第一步便是利用红外热辐射作为传感信号源。事实上，我们周围的所有物体诸如地面、房子、人体等，都会不分昼夜地发出红外热辐射。利用红外热辐射进行成像，具有一定的夜视能力。然而，热成像有着非常典型的“鬼影效应”。如下图，热成像之下的人脸没有细节，更像个“鬼魂”。图 | 鲍芳琳的热成像照片（来源：鲍芳琳）其实热成像下的其他物体也都一样：缺乏纹理、对比度低，远不如白天我们眼见的景象。那么，“鬼影效应”是怎么产生的？假如能从热成像中恢复纹理细节，使热成像达到类似于白天景象的效果，就能得到真正的夜视吗？鲍芳琳说：“我们的热雷达工作正是解释并克服了‘鬼影效应’，并实现了真正的夜视。热雷达可以在黑夜看到类比于白天的景象，在此基础之上实现不分昼夜的机器感知。”由于热雷达是被动式传感，所以非常适合用于多人工智能场景，有望为未来的人机交互时代提供传感支持，并有望为机器视觉以及人工智能带来突破。可以说，热雷达重新定义了低可见度环境下的机器感知，即将为低可见度下的机器视觉以及成像技术带来革命。审稿人也评价称：“这篇论文将会吸引全球学者来探索热雷达，并将热雷达的框架应用到低可见度情况的各个任务场合。”同时，热雷达毫无疑问将提升自动驾驶以及其他机器辅助技术。随着热雷达的进一步优化，它将开辟一个全被动的、对物理环境有着灵敏传感的机器感知技术。由此可见，热雷达有望重塑我们的未来，它会让我们更加接近一个人机交互的社会。在那里，机器可以通过高灵敏传感为我们提供既关键、又安全的信息。（来源：Nature）具体来说：热雷达最直接的应用就是作为机器人以及无人驾驶汽车的传感器。热雷达采取完全被动式的传感方式，可以感知材料、温度、几何纹理等多维度的物理信息，还能在黑夜看到类似白天的景象，这将为机器人提供全新的机器视觉支持。热雷达也能用于野生动物监测。野生动物大多只在夜间活动。热雷达的夜视能力以及灵敏的温度感知能力，将帮助我们更好地监测珍稀野生动物。热雷达也可用于智能医疗，更好地在夜间监测患者的行为、状态。热雷达还能用于国防领域，由于其具备被动传感的特征，故其具有良好的隐蔽性。日前，相关论文以《热辅助探测和测距》（Heat-assisted detection and ranging）为题发在 Nature，并成为当期封面论文。鲍芳琳是第一作者，美国普渡大学祖宾雅各（Zubin Jacob）担任通讯作者[1]。图 | 相关论文（来源：Nature）“本来也不存在路，路都是人走出来的”事实上，这篇发表于 Nature 封面的论文，一开始起源于鲍芳琳用来练手的一个小课题。2019 年 5 月，为了拓宽个人研究方向，鲍芳琳来到美国普渡大学 Zubin Jacob 组从事博后研究，原本他打算做一个量子多体物理与张量网络的课题。然而等鲍芳琳真正来到普渡大学，Zubin 却并没有成功申请到张量网络的项目。于是，他们打算先花两三个月时间，拿个小课题练练手。一边积累机器学习与张量网络方面的知识，一边申请新的项目。对于这个小课题，Zubin 给鲍芳琳设定了一些相对浅显的内容：用机器学习对红外光谱进行材料分类。不过，Zubin 却给这个小课题取了一个响亮的名字——HADAR（heat-assisted detection and ranging），这便是此次研究的前身。但是，Zubin 和鲍芳琳都没有红外遥感方面的基础。等鲍芳琳掌握了张量网络、神经网络与机器学习方面的必要知识后，鲍芳琳又开始了解领域内的现状，结果发现对于红外光谱进行材料分类这种工作，早在十年前就被做完了，因此并不能作为新的课题。但是，鲍芳琳觉得 HADAR 这个名字有点意思。利用红外辐射进行被动式传感，相比激光雷达而言也有其独特的优势。在 HADAR 这个单词里，D 跟 R 分别代表目标探测与距离测量。如果不像激光雷达那样主动发射信号出去，又该如何测量目标物体的距离呢？最直接的做法就是模拟人眼，用双目视差法测量距离。然而，鲍芳琳发现热成像受到“鬼影效应”影响，普遍都缺乏纹理，这时就很难采用双目视差的方法，这也是热成像传感领域的一个瓶颈。那么，为什么热相机拍照片无法像普通相机那样富含纹理呢？“鬼影效应”又是怎么产生的？以及能否克服“鬼影效应”，实现热红外的目标探测与距离测量？这些问题让鲍芳琳来了兴趣，也让他看到了真正适合 HADAR 这个名字的、完全不同于当初小课题的研究思路与内容。找到新的研究思路之后，他很快就想通了“鬼影效应”的机制与克服办法，由此提出了“TeX 视觉”的概念，这也是热雷达的核心原理。与此同时，Zubin 也极大肯定了鲍芳琳的想法。综合一些其他想法，再加上组里的前期研究基础，他们很快就在一年之内申请到 4 个项目。热雷达项目，则由其中一个 DARPA 项目支持。获得支持之后，他们分析了热雷达的理论极限，也研究了一些基础问题，比如热雷达需要多少个光子才能分辨目标物体的材料、以及测量目标物体的距离等。另一方面，他们也开始着手使用仿真模拟的方法，去证实热雷达的可行性，以及通过户外实验去实现热雷达的原始模型。（来源：Nature）后来，他们把上述研究整理为论文并投稿到 Nature，尽管得到了非常正面的评价，期刊编辑以及审稿人都表示这项工作很有意思。不过，鲍芳琳和导师以及同事基本都是物理或光学背景出身，而审稿人全部来自计算机科学和机器视觉领域。不同背景学者的关注点很不一样。审稿人在点赞理论框架的同时，也希望鲍芳琳等人补充更多的模拟与实验，真正把热雷达做出来，并与现有的激光雷达等进行对比。在长达两年的审稿过程中，鲍芳琳自学了一些计算机图形的基础知识。他还带着几个研究生开发出一个基于光线追迹的计算机图形仿真软件，生成了世界上唯一一个公开的红外高光谱成像的数据库（the HADAR database）。利用这个数据库，他们开始训练机器学习，并对热雷达理论进行数值验证。同时，利用 DARPA 项目组提供的更加优质的实验数据，鲍芳琳开发了一系列算法，在实验上实现了热雷达的所有效果，包括 TeX 视觉、类比于白天的夜视能力、显著优于传统热成像的目标探测与距离测量等。热雷达是一个新概念，也是一个跨领域的工作。虽然目前只是一篇期刊论文，但是鲍芳琳感觉其工作量堪比一个博士学位论文。短短 6 页的 Nature 正文背后，有着将近 100 页的方法与补充材料，涵盖光学信息理论、机器学习算法、实验细节、与当前机器视觉的对比分析等内容。审稿意见以及修改材料也长达 143 页。原本 3 个月的小课题做了 4 年才有了这第一个阶段性成果。鲍芳琳说：“论文合作者之一的 Vaneet Aggarwal 教授曾问我，这么长时间没出成果，你不怕以后找不到工作（教职）吗？说实话，我也担心。不过权衡之下，我觉得‘做好一件事情’比‘做过多件事情’更重要，所以一直在坚持。”而鲍芳琳和同事踏实的论证工作，也得到了审稿人多次的赞赏。与此同时，漫长的研究也并未让鲍芳琳过于担心找工作一事。因为在此前，他曾在其他项目上发表过一些论文。但是，由于热雷达过于前沿，他也曾遇到过一些困惑。其表示：“我本科学的是物理，博士学的是光学。在做热雷达之前，我主要研究量子物理。”在做热雷达之后，曾经有很长一段时间，组里新来的同学问他从事什么研究方向，很多次他都答不上来。尽管热雷达涉及到多个学科的知识，但它本身是一个新生事物，不曾被明确定义过。直到研究临近结束，他才慢慢释然。“本来也不存在路，路都是人走出来的。也许若干年后，热雷达本身就成了一个研究方向。”鲍芳琳总结称。另据悉，在论文审稿期间，鲍芳琳也迎来了女儿 Louisa 的出生。组里同学开玩笑说，她的名字应该叫 HADAR。他继续说道：“这项工作能坚持到最后，离不开亲人们默默的支持。”未来，鲍芳琳会持续推动热雷达相关的研究，直到它像激光雷达等一样在社会上取得广泛的应用。这其实是一条漫长的路，前文提到了鲍芳琳的热成像照片。那么，它对应的热雷达图像在哪里？目前依旧无法得到。这是因为，目前的热雷达仍然处于概念验证的阶段，还有很多理论需要通过进一步的实验加以验证，也有更多应用值得去探索。与此同时，热雷达所使用的高光谱热相机非常笨重、迟缓和昂贵，急需得到进一步的突破。“我计划回国之后在这些方面继续开展研究工作，希望 2024 年初能回到祖国怀抱，我未来的研究方向也会继续围绕量子物理与人工智能开展，热雷达便是其中的一个方向。”他说。参考资料：1.Bao, F., Wang, X., Sureshbabu, S.H. et al. Heat-assisted detection and ranging. Nature 619, 743–748 （2023）. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06174-6