机载大气探测激光雷达人眼安全分析

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1、万方数据第20卷第3期强激光与粒子束V01．20，No．32008年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar．，2008文章编号：1001-4322(2008)03—0358—05机载大气探测激光雷达人眼安全分析。刘厚通，李超，王珍珠，黄威，周军(中国科学院安徽光学精密机械研究所．合肥230031)摘要：依据美国ANSI标准．模拟计算了O～12km的高度范围内不同的激光束发散角和不同激光脉冲能量比例的532和1064rim激光脉冲人眼安全最大阈值能量．给出两种532和1064咖激光脉冲人眼安全最大

2、阈值能量分配方案：(1)激光束发散角为0．3mrad且532与l064nm的激光脉冲最大阈值能量之比为1。2；(2)激光束发散角为0．4mrad且532与1064nm的激光脉冲最大阈值能量之比为It1。分析了用这两种激光脉冲人眼安全最大阈值能量分配方案探测模式大气时所对应的信噪比。分析结果表明；这两种方案既能保证机载激光雷达对模式大气探测时地面人眼安全又能达到探测所要求的信噪比。关键词：大气光学；机载激光雷达I激光脉冲人眼安全阈值能量；人眼安全系数；信噪比中图分类号：TN249文献标识码：A近年来，探测云、大气气溶胶和空气分子

3、(如03，H。o等)机载激光雷达得到了较快的发展[1～。这主要是由于其可以探测大气成分的3维空间分布特征，具有很强的机动性，可用于同一地域的重复探测或不同地域的探测，且探测数据有着一致性和可比性，但机载激光雷达向下发射的激光脉冲照射到地面上有可能对人的眼睛造成伤害。本文根据ANSI标准，对机载大气探测激光雷达探测各种大气成分时人眼安全性问题进行了定量分析，模拟计算了机载大气探测激光雷达的532和1064nm两个波长在探测大气气溶胶、沙尘粒子和卷云等大气成分时对地面人跟安全的影响，分析了两种532和1064rim激光脉冲人眼安全

4、最大阈值能量分配方案的可行性。1计算方法和标准1．1人眼安全度的计算方法和标准机载激光雷达大气探测的位置参数如图1所示。设Nd：YAG激光器输出的532和1064nm两个波长的激光光束均为TEM0。模，该激光束经大气传输到地面足印(footprint)上的能量密度jn(r)沿足印半径，．的分布为‘1叼“扣T^等expE-2(云)2](1)兀n式中：A为激光波长，为532或1064nm!L为发射光学单元在波长A的透过率；L为飞机高度Z至地面的大气层对波长A的透过率；瓦为Nd：YAG激光器在波长A的输出能量；rf为地面足印的半径。

5、显然，在r=O的地面足印中心，入射的激光能量密度Ia(o)最大，即Fig．IAirbornelidarlocationparameters图l机载激光雷达位置参数Jn(o)=TkT“(2E文／'cr})(2)如果该激光能量密度未对处于足印中心的人眼造成伤害，则在足印范围内其它位置，照射的激光束对人眼是安全的。地面足印的直径df-----2rf，机载激光雷达向下发射的激光束发散角为反，单位rad，则有靠，亍=n(d,／2)2；兀Z／4=耳(乃。)2／4。这样，式(2)可写为Ia(O)=8蜀^Tu兀／兀(乃．)。(3)为保证处于地

6、面足印内的人眼安全，机载激光雷达发射的激光入射到地面的能量密度Jn(r)须满足n叼·收籍日期：2007-06-05修订日期：2008-02·13基金项目：国家973项目作者简介：刘厚通(1969一)，男，山东新泰人，博士研究生。主要从事机载激光雷达研制及激光大气遥感研究，liuhouton96@163．tom．万方数据第3期刘厚通等：机载大气探浏激光雷达人眼安全分析In(O)／H^≤1／sk(4)当机载激光雷达同时向下发射上述两个波长的激光，入射到地面上的总的能量密度必须满足m]Jf532(o)1I-1532+IfIo“(O)

7、IHl06I≤l／Sk(5)以上式中：风是对应于波长．：I的最大允许曝光量，按照美国ANSI标准，对于53212m波长，H。。。-----5×10qJ／mz；对于1064am波长，Hl。6。一5×10-2J／m2；sk为人眼安全系数，对于裸眼，Sk=1[10]。将式(3)代人到式(5)中．并设Nd：YAG激光器输出的532和1064nm两个波长的激光脉冲能量之比为1：1。则激光器输出的激光脉冲人眼安全最大阈值能量可以表示为一1⋯ldoss2。乜。-oe·5虿瓦习二■1瓦五_ii¨)‘0。．——0“—5‘,—d———Z—S——,

8、—)—2—’’—0．05=—(Z8,)21．2机载大气探测激光雷达信噪比的计算方法【¨,hi处于高度Z的机载激光雷达垂直向地面发射532和1064rim波长的激光脉冲，对每一发波长为A的激光脉冲，其接收到离地面z7高度处大气后向散射回波功率P(A，Z7)的表达式及物理意义见文