紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶的技术实现和系统仿真

多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测.     

Rayleigh散射Doppler激光雷达风场反演方法改进

在Rayleigh散射Doppler激光雷达的风场反演过程中,除了温度、压强等因素之外,风速反演结果的 准确性还受到Mie散射信号的影响．当Mie散射信号较强时,尤其是遇到高层云或火山灰等情况,如果仍不考虑 气溶胶信号,由于温度不确定度和气溶胶信号的综合影响,风速反演结果将与真值偏差很大．本文提出了利用 激光雷达在垂直方向的测量信号同时反演后向散射比和大气温度的非线性迭代算法,并优化给出了最佳的 初始发射激光工作点．仿真试验结果表明:该方法可以准确有效地反演后向散射比;将该方法结合非线性迭代 风速反演方法,可以有效消除气溶胶后向散射信号的影响,进一步提高大气风速和温度的反演精度．     

多条转动拉曼谱线雷达测量对流层大气温度

由于对流层大气中气溶胶的存在,传统的利用大气中瑞利散射和振动拉曼散射测量大气温度的方法具有一定的局限性,然而利用大气N₂和O₂分子的的转动拉曼信号获得大气温度信息的方法不受对流层大气中气溶胶的影响。因此利用N₂和O₂分子纯转动拉曼散射激光雷达开展了测量对流层下部温度分布的实验研究。现有的转动拉曼雷达系统基本上是通过获取单一的转动拉曼谱线来反演大气温度,这就导致了系统的信噪比低,不能很好的反演温度。作者在双光栅单色仪的基础上提出了一种新的雷达信号分光系统。这种新的分光系统的每条通道所获得的信号并不是单独的转动拉曼谱线,而是多条转动拉曼谱线之和,这样就能提高整个系统的信噪比。在较小的激光能量和小口径望远镜的情况下,利用这种方法,雷达系统可以在几公里内获得较好的信噪比。最后实验得到了对流层0.3～5 km高度内的大气温度分布, 它与球载无线电探空仪比较, 二者一致性较好。     

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(Ⅱ):基于Fabry-Perot标准具的Rayleigh通道大气风速反演研究

基于星载激光多普勒测风雷达工作原理,构建了基于连续双通道Fabry-Perot(F-P)标准具的鉴频仿真系统,仿真研究了Rayleigh通道大气风速反演算法,系统分析了Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号对Rayleigh通道反演大气视线(LOS)风速的影响,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Rayleigh通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.结果表明,基于连续双通道F-P标准具的Rayleigh通道可反演中高层大气风速;Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号影响Rayleigh通道LOS风速反演精度;Rayleigh通道风速反演对温度精度要求最高,在晴空条件下可忽略Mie干扰信号的影响;不考虑Brillouin效应时,高度2 km以下Rayleigh通道无法反演HLOS风速,高度2 km以上Rayleigh通道反演的HLOS风速误差小于0.4 m·s-1,风速标准差在1—4 m·s-1之间;同Mie通道一样,气溶胶和云的分布影响Rayleigh通道HLOS风速反演误差.研究结果对发展星载激光雷达测风技术具有重要参考意义.     

利用转动拉曼测量大气气溶胶后项散射比

利用大气的弹性散射信号与整个转动拉曼信号的比值,不需要假设任何的气溶胶的消光与后项散射比值,就可得到大气气溶胶的后项散射比。通常测量部分转动拉曼谱线之和代替全部转动拉曼谱线之和。全部的转动拉曼谱线之和是不依赖温度,但部分的转动拉曼谱线之和却是与温度有关的。因此,利用转动部分拉曼谱线之和反演大气气溶胶的后项散射比就会带来误差。模拟了随温度变化不同转动量子数的拉曼谱线之和,并且计算了由这些不同转动拉曼谱线之和反演大气气溶胶后项散射比的误差。然后文章提出了一种新的方法,不需要测量整个转动拉曼谱线之和,而只需要测量单条转动拉曼谱线及大气温度,就可以获得大气气溶胶的后项散射比。最后通过实验给出了实际测量的大气气溶胶的后项散射比的结果。     

纯转动拉曼法确定激光雷达几何因子

提出了一种确定激光雷达几何重叠因子的新方法。研究了大气分子纯转动拉曼谱线强度分布特征。利用大气分子总的纯转动拉曼激光雷达信号结合瑞利-米氏散射激光雷达信号能精确反演激光雷达几何因子。这种方法消除了振动拉曼方法中气溶胶波长指数影响以及水平测量法气溶胶非均匀性的限制。数值模拟结果表明:在大气温度三种分布模型和气溶胶波长指数三种分布模型下几何因子反演的最大相对误差小于0.5%。根据实际激光雷达信号反演得到了系统的几何因子。     

基于固体腔扫描法布里-珀罗干涉仪的大气温度绝对探测方法研究

大气温度是描述大气状态的重要基本特征参量之一.目前,基于Rayleigh散射的大气温度探测方法多应用于大气温度的相对探测,即温度反演时需要响应函数和校准程序.本文提出了利用固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪进行大气Rayleigh散射谱型的精细探测方法和残余米散射信号的抑制方法.根据Rayleigh散射谱特点,针对固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体介质类型、半高全宽、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计.利用优化参数的固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪获取Rayleigh散射谱上离散点信息,并采用多项式插值方法获得拟合谱型,与根据标准大气模型和S6模型获得的理论谱型进行比对,大气温度探测不确定度小于0.8 K.当信噪比为10时,白天与夜晚的探测距离分别为4.5和7.9 km.该方法可实现大气温度廓线的全天时和高精度绝对探测,并对同类高光谱激光雷达分光系统研究具有借鉴意义,为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的分光系统解决方案.     

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(I):基于Fizeau干涉仪的Mie通道大气风速反演研究

研究了星载激光多普勒测风雷达系统结构,构建了基于Fizeau干涉仪的鉴频仿真系统,仿真研究了Mie通道风速反演算法,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Mie通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.仿真和统计结果表明,基于Fizeau干涉仪的Mie通道可反演低对流层大气风速;低对流层HLOS风速误差和标准差分别小于1 m·s-1和2 m·s-1;气溶胶和云的分布影响星载激光多普勒雷达测风误差,可使风速最大偏差增大一倍.     

南京北郊气溶胶质量浓度空间垂直分布反演

使用拉曼 米激光雷达在南京北郊进行常规性检测,通过分析激光雷达回波信号,借助气溶胶质量浓度的线性模型和指数模型进行气溶胶质量浓度空间垂直分布反演。为提高反演的精确度,对米散射信号进行近场修正,消除重叠因子的影响,拉曼散射信号进行小波分析等去噪方法处理。处理过的米散射信号用来反演0~3 km大气的气溶胶质量浓度,拉曼散射信号用来反演3 km~10 km大气的气溶胶质量浓度,然后通过2个信号拼接反演中低层气溶胶质量浓度。实验结果:2种模型反演的气溶胶质量浓度在不同时刻的相关性系数为0.991和0.973 6,具有一定的可信度。     

条纹技术测风激光雷达研究

使用单纵模355 nm激光作为发射光源,Fizeau干涉仪作为光谱鉴别设备,对条纹技术测风激光雷达进行了研究.对激光器频率抖动和Fizeau干涉仪光谱进行了分析,建立了条纹技术激光雷达系统,使用Fizeau干涉仪扫描的方法对系统进行了风速标定.利用研制的激光雷达系统对引入的参考光信号和大气后向散射信号进行同时测量,得到1.5 km以内的大气风速剖面.     

Ultraviolet Rayleigh Lidar for Wind and Temperature Measurements

A new method of simultaneous remote sensing of atmospheric wind and temperature by a ultraviolet Rayleigh lidar is described. This technique uses two narrowband filters located at either side of the wings of the Rayleigh backscatter spectrum to analyze Rayleigh backscattering signals. These filters are selected to be greatly sensitive to both velocity and temperature. By measuring the ratio and the sum of the two normalized filtered signals, the line-of-sight wind velocity and temperature profiles can be retrieved. A lidar system is proposed for the wind velocity and temperature measurements in the middle atmosphere, and the simulation results show that the accuracies of velocity and temperature are about 1 m/s and 2 K at the height of 30 km, respectively. The influence of aerosol component has been estimated for clear weather conditions, and with an uncertainty of aerosol component of 15% the errors are about 0.1 m/s and 2 K above the troposphere, respectively.     

高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析

提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.     

海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算

瑞利散射计算精度对海洋水色遥感大气校正的精度起着关键作用,为了提高瑞利散射的计算精度,需要求解平行分层大气矢量辐射传输方程。详细地推导了加倍法解大气矢量辐射传输方程的基本关系式,并阐述了利用加倍法解矢量辐射传输方程的原理。通过与海视宽视场遥感器(SeaWiFS)精确瑞利散射查找表计算结果的比较,证明利用加倍法计算瑞利散射的精度优于0．5％,完全能够满足海洋水色遥感大气校正对瑞利散射计算精度的要求,并可以用来生成海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射查找表。最后,利用开发的加倍法解矢量辐射传输方程软件包,生成了海洋水色及水温扫描仪的精确瑞利散射查找表。开发的加倍法解矢量辐射传输方程软件包可直接用于我国第二代高性能海洋水色遥感器精确瑞利散射查找表的生成。     

分布式光纤布里渊散射温度传感实验系统

提出一种基于布里渊光时域反射计法的分布式光纤布里渊散射温度传感系统.光源采用窄谱半导体激光器.声光调制器将光源调制成窄脉冲,并由高增益光纤放大器放大,产生高功率光脉冲信号,提高了自发布里渊散射信号的强度.采用双通马赫-曾德干涉仪将布里渊散射从瑞利散射中分离出来,在一段4.25 km长的光纤上进行分布式温度传感的实验研究.双通马赫-曾德干涉仪对瑞利散射进行了很好的抑制,得到了比较纯净的随温度变化的布里渊散射信号.     

基于菲佐干涉仪与多通道光电倍增管阵列的多普勒频移检测技术

提出了基于菲佐干涉仪和多通道光电倍增管(PMT)阵列探测器组合的多普勒频移检测的方案,适用于风速测量的直接探测多普勒激光雷达。首先介绍了工作原理,再根据菲佐干涉仪光谱特征对频移检测用干涉仪进行了优化设计,优化设计的菲佐干涉仪腔长150mm、平板反射率0．755。对提出的菲佐干涉仪和多通道光电倍增管阵列探测器组合的方案进行了数值模拟,以分子散射作为背景噪声,计算了该方法的风速测量误差。模拟结果表明,设计的基于菲佐干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达,在30 s的积分时间内、探测高度5 km以下,风速测量误差可以达到0．56 m/s。     

激光雷达中层大气遥感技术

介绍了中科院武汉物理与数学研究所瑞利激光雷达的技术特点，并从其对武汉地区中层大气密度和温度廓线探测的典型结果，给出了该激光雷达对中层大气主要参数的探测能力。     

基于自发瑞利-布里渊散射测量空气的温度

瑞利-布里渊散射的散射截面比拉曼散射大,因而其在大气散射中实现对大气对流层温度廓线的准确测量方面具有一定的优势,同时利用瑞利-布里渊散射实现高压环境下温度的准确测量对于航天飞机主引擎状态的监测和超燃发动机燃烧室参数测量方面具有重要意义。基于自发瑞利-布里渊散射分别采用反卷积方法和卷积方法来实现空气在不同压力条件下的温度反演,研究引起温度反演误差的原因,并对利用两种方法获得的温度测量结果进行了比较。在利用基于维纳滤波器的反卷积方法对测量光谱直接处理实现温度反演之前,首先利用反卷积方法对由自发瑞利-布里渊散射模型与仪器函数卷积得到的卷积光谱进行处理获得反卷积光谱,将反卷积光谱与未经卷积的理论计算光谱进行比较实现温度反演, 并基于温度反演误差小于1.0 K,光谱拟合误差相对较小,光谱处理时间短的参数优化原则对反卷积方法中的关键参数奇异值叠加数进行了优化处理,得到优化后的奇异值叠加数为150。随后实验测量了由532 nm波长的连续激光激发的纯净空气在温度为294.0 K,压强为1～7 bar条件下的自发瑞利-布里渊散射光谱,并结合理论计算光谱和最小χ2值原理对光谱信号散射角进行优化,优化值为90.7°,同时利用反卷积和卷积方法分别对实验测量光谱进行处理实现空气在不同压强下的温度反演。实验结果表明反卷积方法在一定程度上可以提高信号光谱分辨率,而且利用反卷积和卷积方法均可以实现空气在不同压力（1～7 bar）条件下温度的准确测量,温度测量的最大误差均小于2.0 K;利用反卷积方法的温度反演结果随着气体压强的增大随之得到改善,实现温度反演测量所需要的光谱处理时间减少;在空气压强较低（≤2 bar）时,由卷积方法获得的温度反演结果要优于反卷积方法,压强较高（>2 bar）时,两种方法的温度反演结果相近, 其绝对误差均小于1.0 K。通过分析得到引起两种方法温度反演误差的原因主要包括环境温度的波动（±0.2 K）,散射角存在一定的不确定度以及气体的各已知参数的微量偏差对温度测量结果的影响以及反卷积对光谱噪声的非线性放大引起的光谱扰动对温度测量结果的影响。在实验中可以通过提高测量光谱的信噪比、提高散射角的优化精度及改善反卷积方法来获得更加准确的参数测量结果。