星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构及研究进展 
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Opto-mechanical system structure and research progress of space-borne lidar for cloud-aerosol
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031；中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026；先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037；皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
2 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031；中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026；先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
图 & 表
图 1. LITE装置图
Fig. 1. Schematic of LITE
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图 2. 在轨的LITE设备
Fig. 2. LITE instrument on orbit
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图 3. LITE系统结构图
Fig. 3. LITE system functional diagram
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图 4. CALIOP光机系统
Fig. 4. CALIOP Optomechanical system
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图 5. CALIOP功能框图
Fig. 5. Functional block diagram of CALIOP
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图 6. CALIOP有效载荷
Fig. 6. CALIOP payload
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图 7. 在轨的CATS设备
Fig. 7. CATS instrument on oribit
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图 8. CATS – ISS有效载荷
Fig. 8. CATS – ISS payload
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图 9. 激光器1发射532 nm和1 064 nm的工作台
Fig. 9. Work table for laser1 emitted 532 and 1 064 nm
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图 10. 在工作平台上的 LOM 2和THG的实体模型
Fig. 10. Solid model of LOM 2 and its THG on a platform
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图 12. 模式1（LFOV和RFOV）和模式3探测器标准盒
Fig. 12. Detector standard boxes for Mode 1 (LFOV and RFOV) and Mode 3
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图 13. 卫星和仪器观测方式几何图
Fig. 13. Satellite and instruments observation geometry
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图 14. ATLID采样和测量原理
Fig. 14. ATLID sampling and measurement principle
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图 15. ATLID光机系统
Fig. 15. ATLID opto-mechanical system
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图 16. 仪器功能框图
Fig. 16. Instrument functional architecture
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图 17. 光束转向机构
Fig. 17. Beam steering mechanism
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图 18. 功率激光头机械结构
Fig. 18. Power laser head mechanical structure
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图 19. 扩束器
Fig. 19. Beam expander
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图 20. 望远镜及主镜结构
Fig. 20. Telescope and primary mirror structure
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图 21. 后继光路系统
Fig. 21. Aft optical path system
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图 22. 高光谱分辨率滤波光学原理
Fig. 22. High spectral resolution filtering optical principle
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图 23. 入射滤波器
Fig. 23. Incoming filter
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图 24. 截止滤波器
Fig. 24. Cutoff filter
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图 25. 光纤耦合器
Fig. 25. Fibre coupler
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图 26. 协调对准传感器光学器件
Fig. 26. Co-alignment sensor STM
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图 27. 高光谱分辨率标准具
Fig. 27. High spectral resolution etalon
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图 28. 卡塞格林望远镜原理
Fig. 28. Principle of Cassegrain telescope
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图 29. 高光谱分辨激光雷达探测原理
Fig. 29. Detection principle of hyperspectral resolution lidar
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表 1
Detection mission of the LITE
LITE探测任务
Table1.
Detection mission of the LITE
LITE探测任务
| Troposphere | Stratosphere | Cloud | Earth’s surface | | Relationship between aerosol scattering ratio and wavelength height and structure of PBL Optical thickness of PBL | Relationship between aerosol scattering ratio and wavelength atmospheric density and temperature within 40 km | Vertical distribution, cloud cover reflectivity, optical thickness | Reflectivity relation between backscatter and incident angle |
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表 2
Laser performance parameters
激光器性能参数
Table2.
Laser performance parameters
激光器性能参数
| Item | Value | | Output wavelenth/nm | 1 064 | 532 | 355 | | Laser A output energy/mJ | 470 | 530 | 170 | | Laser A beam divergence/mrad | 1.8 | 1.1 | 0.9 | | Laser B output energy/mJ | 440 | 560 | 160 | | Laser B beam divergence/mrad | 1.8 | 1.2 | 1.1 | | Pulse repetition rate/Hz | 10 | | Pulse width/ns | 27 |
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表 3
Receiving system parameters
接收系统参数
Table3.
Receiving system parameters
接收系统参数
| Item | Value | | Aft optics | Wavelength/nm | 1 064 | 532 | 355 | | Quantum efficiency | 33 | 14 | 21 | | Color filter bandwidth/nm | 675 | 265 | 60 | | Interference filter bandwidth/nm | 0.8 | 0.35 | 1 | | Interference gilter transmission | 46% | 45% | 33% | | Optical throughput (night) | 64% | 45% | 42% | | Optical throughput (day) | 29% | 20% | 14% | | Field of view (all wavelengths) Selectable:1.1 mrad, 3.5 mrad, annular, blocked | | Telescope | Primary mirror diameter/in | 37.25 | | Secondary mirror diameter/in | 12.25 | | Focal length | 189.0 | | Focal ratio | F/5.1
| | Obscuration ratio | 0.11 |
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表 4
CALIOP transmitter system parameters
CALIOP发射系统参数
Table4.
CALIOP transmitter system parameters
CALIOP发射系统参数
| Item | Value | | Laser | Diode-pumped Nd:YAG | | Pulse energy | 110 mJ:1 064 nm | | 110 mJ:532 nm | | Pep rate | 20.16 Hz | | Pulse length | 20 ns | | Line width | 30 pm | | Polarization purity | >1 000∶1 (532 nm) | | Beam divergence | (after beam expander)
| | Boresight range | ±1°,1.6 μrad steps | | Laser environment | 18 psia, dry air |
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表 5
CALIOP receiving system parameters
CALIOP接收系统参数
Table5.
CALIOP receiving system parameters
CALIOP接收系统参数
| Item | Value | | Telescope diameter | 1 m | | Field of view/mrad | 130(full angle) | | Digitizer sample rate/MHz | 10 | | Vertical sample spacing/m | 15 | | Electronic bandwidth/MHz | 2.0 | | Vertical resolution as determined by bandwidth/m | 30 | | Digitizer resolution/bits | 14 | | Maximum dynamic range(merged) | 2.5 E6(>21 bits) | | 532 nm channel | | Detector | PMT | | Etalon passband/pm | 37 | | Etalon peak transmission | 85% | | Blocking filter/pm | 770 | | 1 064 nm channel | | Detector | APD | | Optical passband/pm | 450 | | Peak transmission | 84% |
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表 6
CATS main science modes
CATS主要科学模式
Table6.
CATS main science modes
CATS主要科学模式
| Science mode 1
Backsctter:532,1 064 nm
No HSRL Depolarization:
532,1 064 nm
| Science mode 2
Backsctter:532,1 064 nm
HSRL:532 nm Depolarization:
1 064 nm
| Science mode 3
Backsctter:355,532,1 064 nm
No HSRL Depolarization:
532,1 064 nm
| Science modes 4,5,6
Backup mode
Use laser 2 and receiver
from mode 1
|  |  |  |  |
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表 7
Performance parameters of laser 1
激光器1性能参数
Table7.
Performance parameters of laser 1
激光器1性能参数
| Item | Parameters | | Laser1 | Nd:YVO4 | | Repetition rate | 5 000 Hz | | Output divergence | 532 nm:0.75 mrad to 1.125 mrad | | 1 064 nm: 0.75 mrad to 1.8 mrad | | Output beam diameter | 532 nm:<1 300 | | 1 064 nm:<1 300 | | Output beam energy | 2 mJ: 532 nm | | 2 mJ: 1 064 nm | | Wavelength | 532.12 nm | | 1 064.25 nm | | Line width | 532 nm:45 pm | | 1 064 nm:100 nm | | Pulse width | 532 nm:<10 ns | | 1 064 nm:<10 ns | | M2 | 532 nm:1.1-1.2 | | 1 064 nm:1.2-13 | | Polarization | 532 nm:>100:1 | | 532 nm: >100:1 |
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表 8
Performance parameters of laser 2
激光器2性能参数
Table8.
Performance parameters of laser 2
激光器2性能参数
| Laser2 | Injection-seeded, pulsed Nd: YVO4 | | 2 wavelengths | 3 wavelengths | | Repetition rate | 4000 Hz | | Output divergence | 355 nm | N/A | 0.7 mrad to 1.875 mrad | | 532 nm | 0.75 mrad to 1.125 mrad | 1.275 mrad to 1.875 mrad | | 1 064 nm | 0.75 mrad to 1.8 mrad | 1.275 mrad to
3 mrad
| | Output beam diameter | 355 nm | N/A | <1300 | | 532 nm | <1300 | | 1 064 nm | | Output beam energy | 355 nm | N/A | 2 mJ | | 532 nm | 2 mJ | | 1 064 nm | | Wavelength | 355 nm | N/A | 354.75 | | 532 nm | 532.12 nm | 532.12 nm | | 1 064 nm | 1064.25 nm | 1064.25 nm | | Line width | 355 nm | N/A | 0.08 pm | | 532 nm | <0.5 pm | 0.145 pm | | 1 064 nm | 0.5 pm | | Pulse width | 355 nm | N/A | <10 ns | | 532 nm | <10 ns | | 1 064 nm | | M2 | 355 nm | N/A | 1.08 | | 532 nm | 1.25 | 1.5 | | 1 064 nm | 1.39 | 3.1 | | Polarization | 355 nm | N/A | >100∶1 | | 532 nm | >100∶1 | | 1 064 nm |
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李路, 谢晨波, 庄鹏, 邢昆明, 方志远, 储玉飞, 邵甲第, 王邦新. 星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构及研究进展[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20190501. Lu Li, Chenbo Xie, Peng Zhuang, Kunming Xing, Zhiyuan Fang, Yufei Chu, Jiadi Shao, Bangxin Wang. Opto-mechanical system structure and research progress of space-borne lidar for cloud-aerosol[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(8): 20190501.
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