Bức xạ tán xạ ngược được thu nhận bởi bộ quang học thu để qua một hệ phân tích phổ và đầu đo quang điện tử. Hệ phân tích phổ lựa chọn khoảng bước sóng quan sát và lọc lựa bức xạ nền ở các bước sóng khác. Hệ phân tích phổ có thể là một monochromator, một polychromator, hoặc một bộ phin lọc phổ băng hẹp cùng với phin lọc bước sóng laser (trừ khi bước sóng tán xạ đàn hồi được quan tâm). Sự lựa chọn đầu đo quang điện tử thường là được xác định bằng miền phổ cần khảo sát, loại ứng dụng và loại laser được sử dụng.
Về ngun tắc có 2 cấu hình LIDAR cơ bản. Cấu hình với bộ phát và bộ thu cách xa nhau sử dụng trong các nghiên cứu thăm dị quang học. Ngày nay, cấu hình này ít được sử dụng khi mà các laser xung nano giây có sẵn hiện nay có khả năng cho độ phân giải cỡ mét tới vài mét và do vậy, cấu hình với bộ phát và bộ thu ở cùng một địa điểm thường được dùng trong hầu hết các trường hợp. Cấu hình LIDAR với bộ phát và thu ở cùng chỗ có thể là đồng trục hoặc lưỡng trục. Trong hệ LIDAR đồng trục, trục của chùm tia laser trùng với trục của bộ thu, trong khi hệ LIDAR lưỡng trục thì chùm tia laser chỉ đi vào trường nhìn của bộ thu ở một độ cao xác định. Cấu hình laser lưỡng trục tránh gặp vấn đề bức xạ tán xạ ngược trường gần gây bão hòa cho các đầu đo quang điện tử, nhưng về mặt quang học thì khơng đạt hiệu suất như hệ lidar đồng trục. Vấn đề tán xạ ngược trường gần có thể giải quyết bằng cách hoặc dùng cổng cho hệ đầu đo quang điện tử hoặc dùng các hệ chopper cơ quang học.
Các telescope Newtonian và Cassegrainian là những bộ phận chính yếu trong hệ quang học thu ngày nay được minh họa trong Hình 1.18. Hệ LIDAR lưỡng trục trong Hình 1.18 sử dụng telescope Newtonian. Ưu điểm nhỏ gọn và có tiêu cự dài được thiết kế trong telescope Cassegrainian khá thông dụng hiện nay. Telescope dựa trên thấu kính Fresnel lớn bằng nhựa tổng hợp có một số ưu điểm như giá thành, trọng lượng và kích thước nên rất được chú ý khi phát triển các hệ LIDAR trên các thiết bị bay. Các quan trắc dựa trên tán xạ Raman thường địi hỏi kích thước độ mở của hệ quang học thu lớn, 30 đến 40 cm, trong các hệ LIDAR để nghiên cứu, phát hiện các thành phần như CO2, H2O, SO2 và ozone trong khí quyển [3].
Hình 1.18. Các cấu hình telescope (a) Newtonian, (b) Gregorian, (c)
Cassegrainian [3]
Tín hiệu LIDAR được thu nhận bởi đầu đo có thể được viết dưới dạng đơn giản nhất như sau [3]:
𝑃 𝑅 𝐾𝐺 𝑅 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑇 𝑅, 𝜆 (1.9)
Trong đó:
P – cường độ tín hiệu được thu nhận từ độ cao R K – hằng số hệ thống
G(R) – mơ tả thơng số hình học phụ thuộc độ cao khi đo
β(R,λ) – hệ số tán xạ ngược ở độ cao R, đại diện cho khả năng khí quyển cho
T(R,λ) – là hệ số truyền, diễn tả ánh sáng bị suy hao trên đường từ hệ LIDAR
tới độ cao R và quay trở ngược lại.
Hai giá trị K và G(R) được xác định hồn tồn bởi thiết kế hệ LIDAR và có thể được giám sát, hiệu chỉnh bởi người làm thực nghiệm. Các thơng tin trong khí quyển và những giá trị định lượng có thể đo đạc nằm trong 2 nhân số sau của phương trình (1.9). Cả β(R) và T(R) là chủ đề nghiên cứu và về nguyên tắc là chưa biết đối với các nhà thực nghiệm.
Chi tiết hơn, chúng ta có thể viết hệ số K như sau [3]:
𝐾 𝑃 𝐴𝜁 (1.10)
P0 là cường độ trung bình của đơn xung laser, và τ là độ dài thời gian của xung.
Vì thế 𝐸 𝑃 𝜏 là năng lượng xung, và 𝑐𝜏 là độ dài của thể tích được chiếu rọi bởi
xung laser ở một thời điểm cố định. Hệ số ½ là do sự quay lại của xung laser qua quá trình tán xạ ngược như được minh họa trong Hình 1.19. Khi tín hiệu LIDAR được phát hiện tại một thời điểm t sau khi cạnh lên của xung được phát ra, ánh sáng tán xạ ngược từ cạnh lên của xung đến từ độ cao 𝑅 𝑐𝑡 2⁄ . Cùng thời điểm đó, ánh sáng sinh bởi cạnh xuống của xung laser đến đầu dò LIDAR từ độ cao 𝑅 𝑐 𝑡 𝜏 2⁄ . Như vậy Δ𝑅 𝑅 𝑅 𝑐𝜏 2⁄ là độ dài của thể tích mà từ đó ánh sáng tán xạ ngược được đầu dị LIDAR nhận được ở một thời điểm và được gọi là “độ dài xung (không gian) hiệu dụng”.