一、应用背景与测试目标

1.1 应用背景与核心痛点

在气象与大气光学观测领域，常通过 355 nm、532 nm 波段激光的侧向散射成像，识别光束位置、传播方向与发散状态，同时捕捉云雾、气溶胶及局部污染层引发的散射信号增强特征
。

该场景具备远距离、低光子通量、高背景噪声的典型成像难点：散射光强随激光传播距离呈快速衰减趋势，窄带滤光方案虽能抑制天空背景杂光，却也同步削减了有效信号通量；紫外与可见双波段的系统光学透过率、传感器响应特性存在显著差异；为覆盖完整长距离光路，系统需同时兼顾大观测视场与充足的空间分辨率
。常规成像方案存在明显技术瓶颈：延长曝光时间会累积暗电流与天空背景信号，同时造成光束抖动轨迹模糊；提升增益则会同步放大噪声，无法有效增强有效散射信号的信噪比
。

因此，本场景对成像设备提出了综合性能要求：相机需具备背照式高灵敏度、深度制冷低暗电流、高分辨率能力，在弱散射信号与复杂背景噪声间构建充足信噪比，弥补激光雷达无法直接输出二维光束空间形态的观测短板
。

1.2 核心技术需求

结合大气侧向散射观测的场景特性，成像系统需满足以下核心要求：

• 弱信号抗扰能力：远距离散射信号强度低，易受天空背景光、环境杂散光及探测器暗噪声干扰，需具备优异的弱光探测与噪声抑制性能
  。

• 双波段适配能力：覆盖 355 nm 紫外与 532 nm 可见光双波段观测，要求传感器光谱响应与对应波段匹配，同时适配差异化的光学镜头与滤光配置
  。

• 视场与分辨率兼顾：需同时支持较大观测视场与充足空间分辨率，以精准识别光束偏移、发散特性，以及局部污染层、薄云等精细大气结构
  。

• 多设备协同互补：与激光雷达形成观测能力互补 —— 激光雷达提供沿传播方向的距离分辨回波与定量反演参数，科学相机提供二维空间光束形态与全局分布状态
  。

1.3 实验配置方案

为保障大气侧向散射观测的准确性与可靠性，本次试验采用标准化系统配置与管控方案，具体设置如下：

1. 激光发射系统：采用调 Q Nd:YAG 激光器，输出二倍频 532 nm、三倍频 355 nm 双波段脉冲激光，覆盖大气观测常用的可见与紫外弹性散射波段
   。

2. 接收光学系统：532 nm 波段采用可见光成像镜头；355 nm 紫外波段优先选用熔融石英材质、带紫外增透膜的光学镜头，避免普通玻璃在紫外波段的透过率损耗
   。

3. 窄带滤光配置：基础配置采用 355±5 nm、532±5 nm 带宽滤光片；强背景光工况下可评估 1~3 nm 超窄带滤光方案，进一步抑制天空背景与杂散光，提升散射信号的成像对比度
   。

4. 系统标定与校正：依次采集镜头盖暗场、无激光环境背景、均匀场校正图像；同步记录单脉冲激光能量，用于背景扣除、响应非均匀性修正，以及激光能量波动的归一化校正
   。

二、方案核心技术优势

针对大气侧向散射观测的弱光、双波段、长时序观测需求，本方案具备以下核心技术特点：

1. 高分辨率靶面，视场与细节兼顾采用 2048×2048 分辨率、6.5 μm 像元的成像靶面，在 18.8 mm 对角线标准靶面尺寸下，同时满足大观测视场与精细空间分辨率需求，可清晰记录光束的空间传播形态、偏移与发散特征
   。

2. 背照式高量子效率，双波段适配性优异采用背照式传感器，峰值量子效率达 95%@560 nm，对 532 nm 波段散射光具备极高探测效率；355 nm 紫外波段的系统综合效率，可结合相机量子效率曲线、镜头透过率与滤光片峰值透过率进行精准评估，适配双波段观测需求
   。

3. 深度制冷低噪设计，抑制背景累积读出噪声低至 1.1 e?（中值），-30 ℃制冷工况下暗电流低至 0.08 e?/pixel/s，可有效降低长曝光与多脉冲累积下的背景噪声累积，提升弱散射信号的成像信噪比
   。

4. 高速采集与精准触发，适配动态观测满幅采集帧率可达 100 fps，支持高精度外部触发同步，可实现与激光系统的精准时序配合，适用于连续大气观测，支撑光束抖动、大气条件动态变化的长期监测与分析
   。

三、相机选型

拍摄型号：Solis B0465

选型依据：最大分辨率为2048×2048；满幅拍摄速度为100 fps@10GigE；30 fps@USB；像元尺寸为6.5 μm；量子效率为峰值 95%@560 nm；读出噪声为1.1 e?（中值）；暗电流为0.08 e?/pixel/s@-30 ℃；曝光时间为7.2 μs-60 s
。

四、观测结果与应用价值