科学岛激光雷达研究的起步期
讲述人：退休职工、离退休梦园党支部党员谭锟，原安光所研究员
激光器应用中首先遇到的问题就是激光在大气中传输时发生的能量衰减和传输方向的不稳定问题。1966年上海光机所成立了大气传输研究站。应激光测距、激光通讯和6403任务需求，开展激光传输中能量的损失和传输方向的偏差研究。
1967年，安光所人事处让我离开原微波波谱室到大气站，主持激光传输方向抖动的课题。到1969年，对连续激光和脉冲激光在水平方向的漂移、抖动的测量取得了进展。明确了方向抖动和漂移主要是大气热对流造成的，搞清了一些基本规律，并且建立了可行的测试方法。课题组根据任务要求，急需了解激光在垂直或倾斜穿过大气层时的情况，制定了开展泰山斜程测量实验的计划。由于那个年代的一些原因，该计划未能全部完成。
1970年底，中国科学院决定成立安徽光机所，把上海光机所大气站和北京大气物理所大气传输课题组集中到安光所，成立第二研究室（安光二室，后来又增加了长春光机所大气订正课题组）。目标定位是：为全国服务的大气光学研究中心。1972年研究室组建基本完成，逐步走向正轨，并对1973年研究计划做出重大调整。
激光雷达研究的序幕
1973年组建了大气斜程衰减测量课题组。实验的目的是：直接测量激光斜程（或垂直）穿过大气的衰减系数，以验证晴日理论计算值是否可信。我作为课题负责人，感觉这是一个课题组很难完成的任务。研究室主任陈德新召集各个课题组同志共同讨论，集思广益，最后确定了施行方案。决定第一方案是使用漫反射氢气球直接测量不同高度时的激光反射信号，最后得到激光垂直穿过大气的衰减系数。然后开展第二方案，即测量气溶胶后向散射强度随距离的变化，推导出激光的衰减系数。两个方法互为验证。
实现系留氢气球方案是一次全室动员的、规模很大的验证实验。需要得到多部门、单位的支持。例如购买大量氢气、气球需要的电动绞架的加工、购买系留用的尼龙绳等，那时都是难题。确定实验进行的时间，需要查阅合肥市的多年气象资料。气象资料分析认为，要让系留气球升到2000米高度有难度，只有晴日夜间大气稳定、风力较小时可行。夜间让激光束瞄准气球又是一个难题。此时想到了防空用探照灯。于是来自部队的室主任承担了这一任务，终于得到了南京军区的支持，从蚌埠市派来了车载防空探照灯，参加我们的实验。
为了得到激光垂直穿过大气的衰减系数，我们的办法是：发射脉冲激光到不同高度的漫反射系留气球上，测量其反射信号幅度的变化，以计算出大气的透射率。课题组的精力放在了改进光电接收系统性能以及使用高频示波器和照相机，把回波信号幅度正确地记录下来的办法。最大的工作量则是：全室参加的施放和回收系留氢气球，以及为此付出的准备工作。为了达到两千米高度，只能根据气象台的预报，在晴天夜间进行实验。在防空探照灯部队的帮助下，实验在合适的天气条件下进行了三次。虽然工作量很大，作为一次理论研究的直接验证是成功的。
这样的实验测量不适合长期进行，更无法实现各种气象条件下的长期观测。1974年开始斜程传输课题，主要研究改进大气气溶胶后向散射测量技术。它虽然是相对测量，但是适用于各种天气条件下，便于操作。这种技术就是LIDAR（激光雷达），是无线电雷达技术（RADAR）的光学版本。早期国内叫“莱达”，更确切的叫法是“大气探测激光雷达”。它和探测目标距离的激光雷达有所区别。
激光在大气中传输时能量衰减的主要原因，是气溶胶对激光的散射和吸收。（大气分子也有吸收和散射，只是相对较小。）发射脉冲激光，测量大气气溶胶的后向散射信号随时间（即随距离）的变化规律，就可以得到信号传输衰减系数。准确测量这变化规律就是大气探测激光雷达技术研究的内容。
上世纪七十年代实验使用的激光收发装置，是从上海光机所带来的179测距样机改造而成的。激光测距只关心被测目标的时间（即距离），我们更重视接收信号的幅度随时间的变化。后向散射信号幅度是随距离平方成反比的减弱，因此接收系统需要很大的信号动态范围。1974年开始不断改进接收系统，使其能够准确记录大气散射回波信号波形。当时使用的1.06微米波长的钕玻璃激光器，只能单次发射激光脉冲。记录方法也比较原始，只是使用100兆高频示波器和照相机拍照。因此数据要等照片冲洗、放大之后，经过人工判读得到。
实验研究报告发表在第一次全国激光大气传输会议上（合肥1975），并收录在“激光大气传输专辑III”。这些成果作为二室大气传输研究成果的重要部分，荣获1978年全国科学大会重大科技成果奖。
上世纪七十年代的激光雷达工作在4号楼六楼实验室进行。发射和接收实验，只需几个人操作，可以在各种不同的天气条件下进行观测。但是数据处理复杂，精度不高，企盼能得到现代科技的支持，获得全面的改进。
上世纪八十年代激光雷达的进展
1979年，改革开放的春风吹到了合肥科学岛，大气光学研究获得了新生。1980年中国科学院批准了课题组提出的“大气探测激光雷达”技术更新研究计划。主要有两项工作：
第一项是“双波长探测激光雷达”。主要研究目的是对流层大气的光学特性研究。技术重点有：
1. 改进发射激光器质量，采用适合于大气测量的高重复频率YAG激光器，实现1.06和0.53微米双波长测量。
2. 改进光电接收系统；实现计算机化数据处理技术。包括更新光电信号接收、电信号放大，数字化，实现计算机控制的激光雷达自动测量等。
3. 光机系统前期沿用179测距样机光、机系统，对镜面等光学元件重新镀膜或更换，提高性能；改进光路实现两个波长的同时测量。
第二项是“高层大气探测激光雷达”。这是一个长期计划。研制的主要技术重点有：
1.研究微弱光信号的接收技术，即单光子接收技术。
2.装备一个口径一米左右的大型望远镜系统。因为当时安徽光机所还没有设计、加工、装调大型望远镜系统的技术，因此由上海光机所加工制作。
3.研制一套计算机控制激光雷达发射、接收的硬件和软件系统。
第一项计划到1985年基本完成，第二项计划于1991年通过了合肥分院组织的科技成果鉴定，获得了中国科学院1992年科技进步二等奖。
双波长激光雷达
1980年课题组为激光雷达控制和数据处理，申请进口一台小型电子计算机（申请美国PDP-11系列）。1980年9月中国科学院计划处批准给我们一台Alpha计算机。中国科学院东方科技公司从香港引进了一批计算机，计划分配给院内许多单位，包括我们激光雷达课题组。当时大家对这台计算机的性能都不了解，东方公司组织十多个分配单位人员去香港参加学习班。1981年2月ALPHA计算机到达科学岛，让我们看到了现代计算机的模样。它可以使用高级语言进行屏幕编程了，而国内计算机还在使用穿孔输入的机器码编程。
经过学习和使用，知道了Alpha计算机是分时操作系统，适合于多用户编程或计算，作实时控制使用会有较大的时间误差。于是这台计算机就作为二室以及所内科研人员学习现代计算机编程使用。经过充分调研，我们为双波长激光雷达订购了一些当时（1981年）先进的设备和部件。这包括重复频率脉冲YAG激光器（每秒10次，北京11所），瞬态波形记录仪7912AD（TEKTRONIX公司）和具有实时操作系统和GPIB通用接口控制语言的4052A个人计算机（王安计算机公司），数字存储示波器468（100MHz带宽）等。它们都具有GPIB通用接口，可以使用IEEE488电缆硬件互联。我们的任务就是使用好这些仪器，编制计算机控制程序和数据处理程序。
1984年国外国内订货到达和调试完成，采用BASIC语言编程，可以实现预期的功能。这样激光雷达接收到的光电倍增管输出信号，可以立即数字化，在屏幕上显示和存储到磁盘。
1985年初，在1号楼5楼实验室建成双波长激光雷达系统，使用了重复频率达每秒10次的YAG脉冲激光器，实现了0.53微米和1.06微米双波长测量大气衰减系数。口径300毫米的反射镜接收到的激光回波，通过干涉滤光片到达光电倍增管。输出电信号送到7912AD波形记录仪。4052计算机通过GPIB接口连接7912AD波形记录仪和468数字示波器，以及硬拷贝机等设备。用4052的BASIC命令语言编程，可以方便地按需要操作这些设备。5月，王大珩院士来视察时演示了实时采集的激光发射脉冲波形。采集速度最快达到每点1纳秒，连续采集1024点，精度是9bit。
1985年底大气光学中心成立，新领导对研究室做出重大变动。新成立了计算机和数据库研究室（12室），因为我熟悉计算机技术，让我去了12室。原二室激光雷达课题组分成移动式激光雷达（组长周军）和高空探测激光雷达（组长胡欢陵）两个课题组。
1985年后PC微机进入国内，随着数字技术的快速发展，激光雷达硬件和软件技术也在不断更新，激光雷达在探测大气各种成分上做出了新成绩。
高层大气探测激光雷达
研究高层大气探测需要更大的接收口径。初期计划是请上海光机所为我们设计和加工一台1米左右的大口径望远镜。1982年院部计划局通知课题组说，上海光机所有一台159调试样机，口径很大，可以调给大气探测激光雷达使用。为详细了解是否适用，我出差去上海光机所。因为我熟悉那里，了解到该设备完好在用。研究室计划要上测月新项目，需要腾出实验室建更大的望远镜，计划报给了中国科学院。院部批准上海光机所建更大的望远镜，同时把老的望远镜给了安光所。此望远镜接收口径是625毫米，是现成的设备，双方皆大欢喜。中国科学院给大气光学大力支持，除调拨设备外还主动拨付了建设配套实验楼的经费。上海光机所也对我们大力支援，为我们复印了专门为159样机设计的实验楼全套图纸。
在安光所基建办的主持下，配套实验楼工程选定在1号楼南面靠近湖边处。应二室要求，159实验楼的辅助实验室从2层增加到三层。1985年159实验楼竣工，上海光机所派工人师傅把159系统拆解、打包、运输和安装到位。安装、调整时我所光学车间工人也一同参加学习安装。配套的400Hz控制电源也工作正常。光学跟踪望远镜系统校准完成，达到原来的指标。
配套的大功率YAG脉冲激光器由安光所3室研制。
1982年，课题组便开展了高层大气光电接收系统的研制。光电接收系统分成两路。一路接收底层近距离的回波信号，采用普通光电倍增管和高速AD转换器使回波信号数字化。另一路接收高层回波弱信号，采用弱信号专用的光电倍增管和光子计数技术。为了抑制近距离大气散射强回波对光子计数弱信号的干扰，避免光电倍增管过载，我们采用机械旋转开关方案（可以完全阻断散射光）。开门时间必须在近处的强散射回波信号之后，因此需要使用计算机控制激光器的发射时间，精确测定旋转开关的位置，开门时只有高层激光回波到达光电倍增管。
为响应我们申请的光子计数器，1984年分配到一台国外进口的商品仪器。但是它是为测量周期发生的弱光信号使用的。我们测量激光脉冲回波信号时，占空比很小（大约千分之一），无法直接使用这台光子计数器。于是想到用单板计算机对此光子计数器进行控制，满足我们占空比很小时的测量。光子计数器测量开始时间，必须和激光发射时间同步（需要延时）。单板计算机通过RS232接口，接受IBM PC主控计算机的启动指令，使光子计数开始计数时间正好是我们需要测量的那段时间。这项工作在1985年完成和发表。
高空平流层探测激光雷达系统是比较复杂的，需要一个合理搭配的班子共同努力。全部设备研制、控制软件编程、实验调试和运行在1989年基本完成。控制软件是采用BASICA调用汇编子程序完成的，兼顾了速度和用户友好界面。系统经过较长时间的对比测量和验证，不断完善测控软件；激光雷达高空探测最后取得成功。1991年通过了合肥分院组织的鉴定，获中国科学院1992年科技进步二等奖。随后高空激光雷达进入常规观测研究。
1990年代开始，“大气光学重点实验室”开发了更多的激光雷达在探测大气成分的应用项目。诸如移动式激光雷达、微脉冲激光雷达、激光雷达测量大气风场以及激光雷达探测大气湍流等，都取得了很好的成绩。高空探测激光雷达组还为中国科技大学空间物理系和电子部22所各研制了一台一米大口径垂直探测高空电离层的激光雷达。1990年代后期的另一个重要工作，是探测大气中污染气体的车载式激光雷达。
车载式激光雷达研制
用激光雷达遥测大气中污染气体成分和浓度是环境科学研究期望的设备，这就是差分式多波长激光雷达。1998年大气光学重点实验室张寅超申请到一个863课题，即“车载激光雷达测量大气污染”。
1999年中国科学院组织了去德国的考察。参观了马普研究所的车载激光雷达，参观了柏林大学的激光测量大气污染的实验室。然后到Elight公司，仔细了解我们准备购买的钛宝石可调谐激光器。
激光雷达系统很复杂，需要一个团队的共同努力。课题组分工明确。包括探测目标和原理；可调谐波长的激光器的维护使用；汽车实验室设计、改装；发射接收光机系统；光电接收和测控系统（硬件和软件）。测控软件像是中枢神经，软件是否完善、友好，数据是否可靠，对整个设备成功很重要。测控软件要设计好激光雷达系统收发时序和得到可靠的数据。这里选择成熟的、视觉效果好的VB语言作界面，涉及硬件控制则调用汇编语言子程序。
2001年初，第一代车载测量大气污染的激光雷达AML-1完成调试，并进行了一些外场试验测量。
2001年底激光雷达车去北京参加863计划15年庆展。第一次长途奔驰进京参展，是考验车载激光雷达性能的时刻。一切顺利，在北京还进行了一些实验测量。
2002年起，AML-1多次到北京参加了大气环境综合实验。为了提高设备性能，2002年计算机升级为工控机，更新了最新的快速数据采集卡等硬件，对软件也进行了相应的升级。2002年6月29日，AML-1车载激光雷达在北京9院通过863专家组鉴定。
第二代车载激光雷达AML-2
由于进口的钛宝石激光器价格很高，维护费用很大，并不适合国内推广应用。2002年课题组提出采用不同波长的两个或多个拉曼管激光器，代替一台钛宝石可调谐激光器的新方案，实现差分测量。这样可以大大降低激光器成本。拉曼管可以由所内制造，更换波长就是更换拉曼管。这就提出了一个如何快速更换拉曼管的问题。有几种方案可以实现，比较简单、稳定的办法是：采用电动平移台来移动拉曼管。缺点是：拉曼管的交换速度比较慢，大约需要几秒钟，这样就很难实现快速波长交替测量。但是我们是测量大气平均属性，需要一段时间的数据平均。例如对两个波长各测100秒。天气状态稳定时，间隔若干秒的缺点也不是不可接受的了。
控制电动平移台使用了8134运动控制卡。AML-2调试完成后，在2004-2005年多次参加了合肥、北京和广东各地的实际测量，基本上达到了设计目标，实现了国产化要求。2005年7月14日，AML-2车载激光雷达成果鉴定和验收会在合肥举行。
第三代车载激光雷达——自动准直车载激光雷达AML-2-1
激光雷达发射的激光束需要和接收望远镜轴线同轴。如果平行度有偏差，测量结果就会有误差，因此准直技术很重要。由于车辆震动，环境温度的变化都可能导致发射光束方向偏离接收望远镜轴线，使测量结果产生误差。因此每次测量前都需要人工仔细调整，准直精度决定了测量精度。准直调整工作很重要，而且费事、费时，我们希望可以自动进行。激光雷达光束准直的自动调整研究成为大气光学重点实验室的自选课题。
我们采用CCD摄像机和图像处理技术，监测发射光束的方向。我们把2台二维方向手动调整镜，改成电动调整导向镜。这样就可以用程序来调整激光束发射方向。计算机测控软件可以在每次测量前后，在发射出口光路中自动插入一个取样镜，这样就可以在CCD相机上监测收-发准直情况。如果方向偏差大于规定值，则启动激光光束方向的调整程序，直到图像软件判断准直误差小于规定的值。
在实验室内的激光雷达系统上进行的测量表明，当设定准直误差不超过50微弧度时，调整时间小于30秒。因为接收望远镜的视场是1毫弧度，这个指标可以保证接收信号有足够的精度。这项技术在测控程序中自动进行，以减轻激光束准直调整时的工作量。还可以减小人工调整时有时会发生的偶然误差，可以改善因为温度变化、车辆震动引起的测量误差。
2010年，新一代的车载激光雷达使用了自动准直技术。安装了2个电动方向调节架。控制软件使用7200接口卡和8144运动控制卡，实现诸多步进电机的控制。使用M20A图像卡（北京嘉恒）采集CCD摄像机得到的发射光束方向信息，与接收镜主轴方向比较，在程序控制下调整反射镜架，使其误差小于50微弧度。检测证实达到了预期的指标。
新一代车载激光雷达AML-2-1可以自动进行某设定方向，或某一角度范围的污染气体和气溶胶浓度的测量，更新了高速数据采集卡（台湾凌华9820），应用软件也得到了全面升级。
