激光雷达技术：瑞利与米氏散射在大气中的影响

"大气中的散射主要涉及瑞利散射和米氏散射，这两种现象在激光雷达技术中尤其重要。瑞利散射是由于空气分子、气溶胶粒子（如尘埃、水滴等）对光的散射，通常发生在粒径小于1微米的粒子上。这种散射遵循瑞利定律，即散射光强度与入射光波长的四次方成反比。在清洁空气中，瑞利散射是主导效应，使得天空呈现蓝色，因为蓝光在大气中被散射得更强烈。 米氏散射则考虑了大气中较大粒子（如雾滴、云滴）对光的散射情况，它涉及到粒子尺寸与光波长相当的情况。米氏散射不遵守瑞利定律，其散射光强与粒子大小、形状以及入射光角度有关，可以导致光的不均匀分布和大气能见度降低。米氏散射在激光雷达应用中用于探测大颗粒气溶胶和气象现象，如云层厚度和降水。 激光雷达（Light Detection And Ranging，LIDAR）是一种利用激光进行远程探测和测量的技术。它通过发射激光脉冲，然后分析返回的散射信号来获取目标的距离、速度、形状等信息。激光雷达的核心原理包括相干激光雷达和非相干激光雷达，前者关注信号的幅度和相位，后者只关注信号的幅度。 激光雷达方程是描述整个探测过程的关键，它涵盖了激光从发射到接收的所有物理过程，包括激光传输、目标反射、散射光传输以及接收机的信号收集。方程中包含了发射功率、目标的后向散射系数、光学天线效率、大气传输衰减等多个因素。激光束的形状也对激光雷达性能有显著影响，常见的光束类型有高斯光束、爱里光束和均匀光束，每种都有其特定的光学特性。 高斯光束是最常见的一种，其光强分布遵循高斯函数，具有明确的束腰半径和模场半径。随着距离增加，光束会扩散，但其波前曲率半径保持不变，这使得高斯光束在远距离传输时具有较好的聚焦性能。理解并优化这些参数对于提高激光雷达的探测能力和精度至关重要。"