Dual polarization detection technology based on coherent LiDAR
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摘要:
为了在大气遥感中对风场和退偏比进行联合分析, 提出了一种双偏振相干探测方法。基于传统相干测风激光雷达(LiDAR), 设计了能实现正交偏振信号分集接收的探测系统, 并推导了此系统下大气退偏比计算原理; 搭建系统并进行了实验, 在不同天气条件下, 对比观测平行偏振光和垂直偏振光径向风速信息, 结合实时大气退偏比参数双维度描述大气状态。结果表明, 激光发射能量为100 J、脉宽为400 ns、距离分辨率为30 m时, 阴天、雾天、雨天、晴天径向风速测程分别可达6.0 km、5.5 km、3.0 km、3.0 km; 大气退偏比测程为2.0 km、2.0 km、1.0 km、1.0 km; 测程内双通道径向风速的一致性不随天气而变化。该研究为大气多要素一体化探测提供了参考。
Abstract:Aiming at the joint analysis of wind field and depolarization ratio in atmospheric remote sensing, a dual-polarization coherent detection method was proposed. Based on traditional coherent wind light detection and ringing(LiDAR), a detection system that can achieve diversity reception of orthogonal polarization signals was designed, and the calculation principle of atmospheric depolarization ratio under this system was derived.A systematic experiment was conducted to compare and observe the radial wind speed information of parallel polarized light and vertically polarized light under different weather conditions, and to describe the atmospheric state in combination with real-time atmospheric depolarization ratio parameters in two dimensions. The results show that when the laser emission energy is 100 J, the pulse width is 400 ns, and the distance resolution is 30 m, the radial wind speed range in cloudy, foggy, rainy and sunny days can reach 6.0 km, 5.5 km, 3.0 km and 3.0 km, respectively. The range of atmospheric depolarization ratio is 2.0 km, 2.0 km, 1.0 km, 1.0 km; the consistency of the dual-channel radial wind speed in the range does not change with the weather.This study provides a reference for the integrated detection of multiple atmospheric elements.
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0. 引言
多要素遥感探测由于其高系统集成度、小型化和低成本等优点成为大气参数表征方面的研究热点[1-4]。偏振探测相干激光雷达[5]是近年新兴的多要素大气遥感手段之一，具有大气风速和退偏比同时探测的能力，对于大气运动[6-7]和大气成分监测[8-9]具有重要意义。传统相干测风雷达[10]基于单偏振相干外差[11]，难以满足大气退偏比测量时对两个正交偏振回波的联合探测[12]需求。为达到有效获取多维信息的目的，有必要在相干探测系统中引入双偏振机制[13]。
目前，相干激光雷达的发射端[14-15]和接收端[16-17]均能兼容双偏振机制，其中，基于双偏振接收的双通道探测方案，由于在远距离探测和高时间分辨率上更具优势而得到广泛关注[18-19]。2015年，美国科罗拉多大学ABARI等人[16]报道的激光雷达，在接收端用双偏振接收环形器[20]结合90°混频的方式构建垂直偏振和平行偏振分量的双通道探测，具备远距离风速和实时大气退偏比探测的能力。但由于其采用的环形器仅实现了双偏振接收功能，未对两正交偏振信号进行偏振分集[21]处理，导致后续混频模块需4个平衡探测器协同工作的局面，系统结构复杂且难以实现。
本文作者提出了一种基于相干系统的径向风速、大气退偏比集成探测方法。采用双偏振接收和双通道探测机制，避免了回波浪费和探测时延的问题。搭建系统并进行了实验，证明两个正交偏振回波信号均可用于大气径向风速测量，并由双通道信号强度关系实时输出大气退偏比综合分析大气状态。观测了4种典型天气下系统工作情况，在30 m距离分辨率下，其稳定有效的风速测程最远为6.0 km，大气退偏比测程最远为2.0 km。
1. 原理
偏振作为激光的基本参数，表征着垂直于光波传播方向的电矢量特性[22]，大气退偏即激光在大气中传输时偏振态发生的变化。在大气粒子表面，击中粒子的每一条光线都经历反射和衍射，并按照斯涅耳定律，沿直线继续完成自己的专有路径。就对称球形粒子而言，由于没有造成偏振面旋转，其后向散射光将保持入射光波的偏振态。对于非球形粒子而言，它的后向散射可由内反射产生，该过程将转动电场强度振动平面引起退偏[23-24]。对于1个p偏振的入射激光束，在内反射后可以产生s偏振分量，定义s偏振分量与p偏振分量的比值为大气退偏比，若保偏分量和退偏分量二者平均功率分别为Pp和Ps，大气退偏比可以表示为：
δ=PsPp (1) 若要获知大气退偏比，需要对激光后向散射回波的正交偏振分量进行测量，一般来说发射激光可以是正交双偏振或单一线偏振。在相干体制上的正交双偏振发射[14-15]通过偏振调制器同时发射中心频率不同的p和s两束偏振激光，但该系统仅接收p偏振回波会造成回波信号的浪费，由不同频率信号强度关系反演退偏比使得系统对偏振调制器和激光器要求较高。为避免上述问题，本文中设计了线偏光发射、双偏振接收的相干激光雷达系统，光路如图 1所示。雷达发射机中，主光源(master optical source，MO)经保偏(polarization-maintaining，PM)分束器分为本振光(local oscillator, LO)和透射光，透射光通过声光调制器(acoustic optical modulator，AOM)整形为脉冲序列并产生频移，再由掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)放大，最终经新型环形器以线偏光出射至光学望远镜并准直到大气中，记发射激光偏振方向为p偏振。雷达接收机中，退偏回波经新型环形器分集接收，两个偏振分量Ps和Pp分别与本振光混频，其中s偏振分量Rs经整合于环形器的适配器机械轴旋转为p偏振，为便于理解，图中画出适配器旋转前后的偏振变化。上述两个正交偏振通道相互独立，分别经混频器、平衡探测器完成光电转换，所得两路中频信号被数据采集(data acquisitio, DAQ)板采集并作为数据源进行后续信号处理。
在此雷达系统中，后向散射回波两个正交分量的功率可以通过偏振激光雷达方程[17]来表示：
Pp(z,t)=W0ηqA0hνz2ξ(z,t)βp(z,t)kpexp[−2∫z0αp(z,t)dz] (2) Ps(z,t)=W0ηqA0hνz2ξ(z,t)×βs(z,t)ksexp{−∫z0[αp(z,t)+αs(z,t)]dz} (3) 式中：下标p和s分别代表p偏振光和s偏振光；W0是发射能量；ηq是量子效率；h为普朗克常量；ν是激光中心频率；A0是望远镜接收面积；z是到测量范围的平均距离；t是测量时间；ξ(z, t)是t时刻在距离z处的几何重叠因子[25]；βp(z, t)和βs(z, t)是角后向散射系数；kp和ks是各自通道的系统参数；α(z, t)是t时刻距离z处的大气消光系数；对于随机取向的大气气溶胶分子，可认为αp(z, t)≈αs(z, t)[9]。若本振光功率为PLO，其往两个平衡探测器的传递系数分别为σp和σs, 则双偏振中频(intermediate frequency，IF)信号功率分别表示为：
PIF,p(z,t)=2σp[Pp(z,t)PLO]1/2cos2[(ωp−ωLO)t+Δφp] (4) PIF,s(z,t)=2σs[Ps(z,t)PLO]1/2cos2[(ωs−ωLO)t+Δφs] (5) 式中：PIF, p(z, t)和PIF, s(z, t)分别表示p探测通道和s探测通道的信号光功率；ωp和ωs表示p光和s光角频率；ωLO为本振光角频率；Δφp和Δφs为信号光与本振光相位差。结合式(1)~式(5)，理想情况下大气退偏比与中频信号功率之间的关系为：
δ(z,t)=Ps(z,t)Pp(z,t)=kpksσpσsPIF,s(z,t)PIF,p(z,t)=k0PIF,s(z,t)PIF,p(z,t) (6) 式中：k0为增益比，表征了两个正交偏振通道增益系数之间的差别[26]，与双通道本振光传递系数以及p和s偏振信号的光学接收耦合效率[27]和系统传递系数有关。
2. 实验与讨论
2.1 径向风速和大气退偏比探测
为验证系统对大气风速和退偏比的同时探测性能，在四川成都(位置海拔约为570 m)开展了实验，探测时间涵盖2023-10-16—10-31。激光雷达系统主要参数见表 1。
表 1 雷达系统组件主要参数Table 1. Main parameters of radar system componentsparameter value wavelength 1550 nm laser pulse energy 100 μJ pulse duration 400 ns pulse rate 10 kHz AOM frequency shift 80 MHz telescope diameter 80 mm detector bandwidth 200 MHz ADC ADC rate 500 MHz 系统在传统相干测风雷达基础上充分利用退偏回波，可经双通道同时测量径向风速。图 2为2023-10-16不同时间点分别从两个正交偏振态后向散射回波中得到的风速曲线，图中横坐标表示探测距离，纵坐标是风速测量值，实线和虚线分别代表s通道和p通道。可以看出，p偏振回波探测距离约为6.0 km，s光探测距离约为2.0 km，径向风速范围在1.0 m/s~5.0 m/s之间。两个偏振态回波在不同时间点变化趋势略有差异，但对比测程内的p和s通道风速曲线，二者趋势基本一致，可见双通道风速探测结果可靠性。
大气退偏比由两个正交回波信号强度之比得到，具体由式(6)给出，图 3a为不同时间点测得双通道的信号强度，信号强度大小关系基本稳定，p通道强度为1010 dB量级，s通道强度小于109 dB量级。图 3b为退偏比曲线，总体而言，4个不同时间点均在0.5 km内具有较高大气退偏比，范围在0.050~0.070之间，这是由于探测点附近正在进行施工建设，加之城市汽车尾气等的污染，导致近程非球形粒子含量较多。大气退偏比在0.5 km~2.0 km内总体于0.040附近波动，这与DONG等人[28]基于典型城市气溶胶对1550 nm激光退偏比的仿真结果0.034相近。不同距离数值上的差异是由于后向散射经历的退偏过程不一致引起，在不同时间的变化是由于大气粒子随风漂移，使探测路径上偏振变化有所区别导致。可见本系统测算的退偏比符合理论趋势，具有一定的可信度。
2.2 典型天气探测性能比对
由于大气环境随天气变化具有显著差异，为讨论所提方法在风速和大气退偏比探测上的系统指标，对探测地点4种典型天气条件下目标参数的变化情况进行观测，每次数据记录持续5 min，系统主要参数见表 1。图 4为阴天、雨天、雨过天晴、雾天的径向风速曲线，样本采集时间分别为2023-10-16T14:00、2023-10-26T19:00、2023-10-27T10:00和2023-10-31T16:00;横坐标为探测距离，纵坐标为径向风速。由图可知，在所处环境下，阴天测程6.0 km，径向风速在1.5 m/s~4.0 m/s之间；雨天和晴天测程较近，约为3.0 km，径向风速分别在0.0 m/s~3.0 m/s和0.0 m/s~1.0 m/s范围；雾天测程为5.5 km，径向风速在-1.5 m/s~0.5 m/s之间。
为讨论双通道风速一致性，绘制了探测时间内双通道径向风速测量结果, 如图 5所示。图中横坐标为时间，纵坐标为探测距离，颜色变化表示径向风速大小。图 5a、图 5c、图 5e和图 5g为p通道风速，图 5b、图 5d、图 5f和图 5h为s通道风速，为便于在同一坐标下对比观察，仅截取双通道中较短测程内的变化情况做讨论。可见阴天双通道风速均在2.0 km以上，且2.0 km内二者变化趋势吻合程度很高；雾天s通道在2.0 km内存在实测情况，但变化趋势大体吻合；雨天和晴天s通道测程在1.0 km左右，所测得径向风速数据吻合程度较好。
![图 5 典型天气双通道风速变化图]()
图 5 典型天气双通道风速变化图a, b—2023-10-16下午 c, d—2023-10-31傍晚 e, f—2023-10-26晚上 g, h—2023-10-27早上Figure 5. Variation of double channel wind velocity in typical weathera, b—afternoon of 2023-10-16 c, d—evening of 2023-10-31 e, f—night of 2023-10-26 g, h—morning of 2023-10-27不同天气下，由于大气粒子种类占比不一致，大气退偏比会随环境变化有所区别。图 6为不同天气下的大气退偏比探测结果。横坐标为探测时间，纵坐标为测程，颜色变化表示大气退偏比大小。测试过程中，阴天、雾天、雨天和晴天实时空气质量分别为61 μg/m3、75 μg/m3、70 μg/m3、24 μg/m3，结果表明，阴天和雾天探测范围约为2.0 km，雨天和晴天探测范围约为1.2 km。就天气因素与大气退偏比大小的关系来说，探测距离内阴天大气退偏比较大，在0.030~0.060附近；雨天较小，在0.005~0.015左右；雨过天晴时大气退偏比较雨天增大，在0.018~0.050范围；雾天大气退偏比在0.005~0.025之间，近程退偏比比雨天稍大。针对不同天气下大气退偏比的波动分析，阴天起伏最明显，晴天次之、雾天和雨天相对稳定。测试条件下，阴天大气污染性粒子比重较大且随风扩散快速，导致探测距离内后向散射信号强度随机性加重；雾天空气湿度较大，大气中球形粒子弱退偏保证了后向散射的稳定；雨天较低的云层加重了激光传输路径上的吸收效应，故雨天退偏虽处于较稳定的小值，但系统测程仍处于较低水平；雨后刚放晴时空气相对洁净少有后向散射回波，且散射粒子存在随大气漂移的趋势，故其测程也较低。
![图 6 典型天气大气退偏比变化图]()
图 6 典型天气大气退偏比变化图a—2023-10-16下午 b—2023-10-31傍晚 c—2023-10-26晚上 d—2023-10-27早上Figure 6. Variation of atmospheric depolarization ratio in typical weathera—afternoon of 2023-10-16 b—evening of 2023-10-31 c—night of 2023-10-26 d—morning of 2023-10-27本次对比实验说明: 系统测算的双通道径向风速和大气退偏比随天气条件的变化符合物理规律，双要素的结合有助于更便捷地描述复杂的大气环境。于传统相干测风雷达而言，由于单偏振接收体制仅允许p偏振回波信号进行风速测算，此时若碰到退偏比较大的大气环境，测程会大大降低。因而，双偏振机制的引入不仅可以拓展相干激光雷达功能，还可以在强退偏环境下保证探测距离，提高系统可靠性。
3. 结论
提出了一种能同时检测径向风速和大气退偏比的相干偏振探测方案，该系统并进行了具有小型化、多功能化等优势。搭建系统并进行了实验，可以充分利用回波的两个偏振分量得到双通道径向风速，且测程内二者具有一致性；提取双通道信号强度关系可以计算大气退偏比，结合风速及大气退偏比双参数信息可以更准确地描述大气环境及其变化。此外，本系统还具备双通道消光系数等参数反演、高退偏环境测程保证等能力，为环境监测、气象研究等领域的多要素一体化测量提供了一种新的技术手段。
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图 5 典型天气双通道风速变化图
a, b—2023-10-16下午 c, d—2023-10-31傍晚 e, f—2023-10-26晚上 g, h—2023-10-27早上
Figure 5. Variation of double channel wind velocity in typical weather
a, b—afternoon of 2023-10-16 c, d—evening of 2023-10-31 e, f—night of 2023-10-26 g, h—morning of 2023-10-27
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图 6 典型天气大气退偏比变化图
a—2023-10-16下午 b—2023-10-31傍晚 c—2023-10-26晚上 d—2023-10-27早上
Figure 6. Variation of atmospheric depolarization ratio in typical weather
a—afternoon of 2023-10-16 b—evening of 2023-10-31 c—night of 2023-10-26 d—morning of 2023-10-27
表 1 雷达系统组件主要参数
Table 1 Main parameters of radar system components
parameter value wavelength 1550 nm laser pulse energy 100 μJ pulse duration 400 ns pulse rate 10 kHz AOM frequency shift 80 MHz telescope diameter 80 mm detector bandwidth 200 MHz ADC ADC rate 500 MHz 
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[1] YUAN J L, XIA H Y, WEI T W, et al. Identifying cloud, precipitation, windshear, and turbulence by deep analysis of the power spectrum of coherent Doppler wind lidar[J]. Optics Express, 2020, 28(25): 37406. DOI: 10.1364/OE.412809
[2] WANG Y Y, DONG Z, DING J J, et al. Photonics-assisted joint high-speed communication and high-resolution radar detection system[J]. Optics Letters, 2021, 46(24): 6103-6106. DOI: 10.1364/OL.444252
[3] SHARAMA A, CHAUDHARY S, MALHOTRA J, et al. Measurement of target range and doppler shift by incorporating PDM-enabled FMCW-based photonic radar[J]. Optik—International Journal for Light and Electron Optics, 2022, 262(2022): 169191.
[4] WEI T W, XIA H Y, YUE B, et al. Remote sensing of raindrop size distribution using the coherent Doppler lidar[J]. Optics Express, 2021, 29(11): 17246-17257. DOI: 10.1364/OE.426326
[5] 裘家伟, 章振, 余赛芬, 等. 1.5微米大气探测激光雷达研究进展(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(3): 20210079. QIU J W, ZHANG Zh, YU S F, et al. Development of 1.5 μm lidar for atmospheric detection (invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(3): 20210079(in Chinese).
[6] SHANGGUAN M J, QIU J W, YUAN J L, et al. Doppler wind lidar form UV to NIR: Areview with case study examples[J]. Frontiers in Remote Sensing, 2022, 2: 787111. DOI: 10.3389/frsen.2021.787111
[7] RUI X B, GUO P, CHEN H, et al. Portable coherent Doppler light detection anad ranging for boundary-layer wind sensing[J]. Optical Engineering, 2019, 58(3): 034105.
[8] 胡帅, 高太长, 刘磊, 等. 偏振光在非球形气溶胶中传输特性的Monte Carlo仿真[J]. 物理学报, 2015, 64(9): 094201. HU Sh, GAO T Ch, LIU L, et al. Simulation of radiation transfer properties of polarized light in non-spherical aerosol using Monte Carlo method[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(9): 094201(in Chinese).
[9] 刘东, 戚福弟, 金传佳, 等. 合肥上空卷云和沙尘气溶胶退偏振比的激光雷达探测[J]. 大气科学, 2003, 27(6): 1093-1100. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2003.06.12 LIU D, QI F D, JIN Ch J, et al. Polarization lidar observations of cirrus clouds and asian dust aerosols over Hefei[J]. Atmosphere Science, 2003, 27(6): 1093-1100(in Chinese). DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2003.06.12
[10] WANG K X, ZHANG X, LIN Zh F, et al. Performance verification of mobile Doppler wind lidar[J]. Proceedings of the SPIE, 2021, 12280: 1228003.
[11] 濮莉莉, 周煜, 孙剑锋, 等. 激光雷达部分相干外差探测接收特性研究[J]. 光学学报, 2011, 31(12): 1228002. PU L L, ZHOU Y, SUN J F, et al. Receiving characteristics of coherent ladar under partially coherent condition[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(12): 1228002(in Chinese).
[12] 董云升, 刘文清, 陆亦怀, 等. 双通道扫描偏振激光雷达的研制及应用[J]. 光学技术, 2009, 35(2): 261-264. DONG Y Sh, LIU W Q, LU Y H, et al. Design and application of dual-channel scan polarized lidar[J]. Optical Technique, 2009, 35(2): 261-264(in Chinese).
[13] ZHAO K, HUANG H, WANG M J, et al. Recent progress in dual-polarization radar research and applications in China[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2019, 36(9): 14.
[14] XU Z Y, CHEN K, ZHANG H X, et al. Multifunction lidar system based on polarization-division multiplexing[J]. Journal of Lightwave Technology, 2019, 37(9): 2000-2007. DOI: 10.1109/JLT.2019.2897108
[15] XU Z Y, ZHANG H X, CHEN K, et al. Compact all-fiber polarization coherent lidarbased on a polarization modulator[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2020, 69(5): 2193-2198. DOI: 10.1109/TIM.2019.2921053
[16] ABARI C F, CHU X Z, HARDESTY R M, et al. A reconfigurable all-fiber polarization-diversity coherent Doppler lidar: Principles and numerical simulations[J]. Applied Optics, 2015, 54(30): 8999-9009. DOI: 10.1364/AO.54.008999
[17] WANG C, XIA H Y, SHANGGUAN J M, et al. 1.5 μm polarization coherent lidar incorporating time-division multiplexing[J]. Optics Express, 2017, 25(17): 20663-20674. DOI: 10.1364/OE.25.020663
[18] ZHOU Y L, LI J, WANG K X, et al. Coherent Doppler wind lidardenoising adopting variational mode decomposition based on honey badger algorithm[J]. Optics Express, 2022, 30(14): 25774-25787. DOI: 10.1364/OE.461116
[19] DONG X, HU Y H, ZHAO N X. Characteristics of heterodyne lidarechos in different polydisperse aerosol environments[J]. Optik, 2018, 174: 655-664. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.08.119
[20] ROTH J M, BKAND R E, LIBBY S I. Large-aperture wide field of view optical circulators[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2005, 17(10): 2128-2130. DOI: 10.1109/LPT.2005.856394
[21] HU Y H, DONG X, GUO L R. Coherent detection of backscattered polarized laser with polarization diversity reception[C]//2016 Fourth International Conference on Ubiquitous Positioning, Indoor Navigation and Location Based Services (UPINLBS). Shanghai, China: IEEE, 2016: 271-277.
[22] 南娓娜. 偏振激光在湍流大气传输中的退偏特性[D]. 西安: 西安工业大学, 2013: 8-9. NAN W N. Depolarization properties of polarized laser beams propagating through turbulent atmosphere[D]. Xi'an: Xi'an Technological University, 2013: 8-9(in Chinese).
[23] 战俊彤, 张肃, 付强, 等. 非球型粒子对激光偏振特性的影响[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(11): 20200150. ZHANG J T, ZAHNG S, FU Q, et al. Effect of aspheric particles on laser polarization characteristics[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(11): 20200150(in Chinese).
[24] 彭涛, 王顺艳, 王丹凤, 等. 相干测风激光雷达回波偏振态对径向风速精度影响. 激光技术, 2024, 48(5): 613-619. DOI: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.05.001 PENG T, WANG Sh Y, WANG D F, et al. Influence of echo polarization of coherent wind LiDAR on radial wind speed accuracy. Laser Technology, 2024, 48(5): 613-619(in Chinese). DOI: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.05.001
[25] 张寅超, 王琛, 陈和, 等. 基于视场权重的激光雷达几何因子计算方法[J]. 光子学报, 2020, 49(10): 1001001. ZHANG Y Ch, WANG Ch, CHEN H, et al. Calculation method of lidar geometric factor based on field of view[J]. Acta Photonica Sinica, 2020, 49(10): 1001001(in Chinese).
[26] 罗敬. 高精度偏振激光雷达关键技术和系统研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2018: 3-5. LUO J. Research on key technologies and system of high-precision polarization lidar[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018: 3-5(in Chinese).
[27] 彭涛, 陈涌, 赵培娥, 等. 光纤脉冲相干激光测风雷达光学天线特性分析[J]. 激光技术, 2022, 46(4): 511-515. DOI: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.011 PENG T, CHEN Y, ZHAO P E, et al. Character analysis of fiber coherent LiDAR antenna[J]. Laser Technology, 2022, 46(4): 511-515(in Chinese). DOI: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.011
[28] 董骁, 胡以华, 徐世龙, 等. 不同气溶胶环境中相干激光雷达回波特性[J]. 光学学报, 2018, 38(1): 0101001. DONG X, HU Y H, XU Sh L, et al. Echoing characteristics of coherent lidar in different aerosol environment[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(1): 0101001(in Chinese).
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