基于MODTRAN模型使用被动傅里叶变换红外光谱技术对生物气溶胶的探测研究

利用MODTRAN模型在水平低仰角探测模式下,对生物气溶胶探测的问题进行了分析讨论.用傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术对生物气溶胶进行探测研究.首先介绍了MODTRAN模型的大气模式和廓线,根据FTIR光谱技术对生物气溶胶的被动探测要求,利用辐射传输理论和最简单的三层模型,仿真计算得到大气背景和目标生物气溶胶之间的辐射亮度差?L,然后对?L进一步差值得到信号?2Lt,同时再结合光谱仪自身的噪声等效辐射亮度值,得到实际情况下的信号值?2Lt;最后根据探测条件和MODTRAN提供的大气模式,使用被动遥测红外光谱方法预测每种大气模式下生物气溶胶的探测限浓度.每种大气模式下探测限浓度的不同,是因为边界层温度、透过率和背景辐射亮度的不同所导致,同时还与生物气溶胶的吸收系数有关.研究表明,FTIR光谱被动遥测技术能够探测到生物气溶胶的存在,进一步说明探测生物气溶胶的可行性,也为生物气溶胶实际探测提供了一种方法.     

Fernald前向积分用于机载激光雷达气溶胶后向散射系数反演的理论研究

初步反演结果表明,Fernald前向积分法(FFIM)能够用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演,但相应的理论解释没见国内外相关文献报道.根据合肥地基大气探测激光雷达2008年2月27日的探测数据模拟得到的机载激光雷达数据,对FFIE用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演结果进行了定量分析,分析表明:当反演标定点的高度选在10 km左右时,FFIM能够用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的主要原因有3个:1)Fernald前向积分方程(FFIE)分母中两项的差值一般远大于零, 关键词： 大气光学 Fernald前向积分法 机载大气探测激光雷达 气溶胶后向散射系数     

偏振-米散射激光雷达探测对流层气溶胶光学特性

利用偏振-米散射激光雷达探测对流层大气气溶胶的光学特性及其时空分布.介绍了该雷达的结构、技术参数和探测原理.获得了气溶胶的消光系数垂直廓线和光学厚度,并对这些结果进行了分析和讨论.结果表明,该雷达能较好地探测对流层大气气溶胶的光学特性及其时空分布.     

应用被动傅里叶变换红外光谱技术探测生物气溶胶研究

从红外遥感辐射传输理论出发,利用二流近似方法,建立了包含散射影响的生物气溶胶被动红外探测模型;从理论上阐明了气溶胶对四周辐射的散射对生物气溶胶被动红外探测的影响。以某微生物孢子气溶胶为对象开展探测原理试验,研究了生物气溶胶红外光谱特性。给出了生物气溶胶室内吸收池试验结果,用辐射传输模型解释了试验现象。通过试验验证了探测模型的合理性、有效性;结合探测模型和室内试验结果,也可为外场试验的开展提供参考。     

利用紫外Mie散射激光雷达探测澳门地区沙尘暴事件

研制了一台工作波长为355nm的紫外高能Mie散射激光雷达,并利用该激光雷达在2010年一次沙尘暴事件期间对澳门上空的大气进行了探测,得到了澳门地区不同时刻的气溶胶消光系数垂直廓线。利用Fernald方法反演得到的气溶胶近地面消光系数随时间的变化与当地气象数据具有较好的一致性,气溶胶消光系数与当地可吸入颗粒物浓度的相关性达到了0.93。气溶胶垂直廓线显示,在沙尘暴来临期间存在明显的沙尘气溶胶凝集层。通过气溶胶轨迹倒推,分析了沙尘气溶胶的来源及路径。观测结果表明,该激光雷达可以在特殊天气条件下对澳门地区气溶胶进行有效探测,这将有助于深化对澳门上空气溶胶特性的研究。     

粒子的非球形程度对消光系数的影响研究

利用中国气象局南京综合观测基地的微脉冲激光雷达对南京北郊的气溶胶特性进行了常规的观测,并计算了气溶胶的退偏振比,反演了气溶胶的消光系数,分别得到气溶胶退偏振比及消光系数廓线。分析了不同天气情况下退偏振比和消光系数变化趋势的关系,发现退偏振比和消光系数有一定的相关性,即粒子非球形的程度对其消光的大小有一定的影响。初步探测结果发现:在同一个时刻,晴天和雾霾天时二者变化趋势相同,探测到水云时二者变化趋势相反,探测到冰相云时二者变化趋势相同,研究表明:当探测到气溶胶和冰相云时,粒子的非球形特性越明显其消光系数越大;当探测到水云时,粒子越近似球形其消光系数越大。     

基于无人机探测大柴旦地区近地层气溶胶特征

通过改装多旋翼无人机（UAV）和搭载各类载荷以及联合地基观测设备对大柴旦地区大气、环境以及气溶胶参数进行测量。利用获得的数据资料，对该地区近地层气溶胶粒子数浓度（即单位体积空气中气溶胶粒子的数目）、消光系数以及气象要素等特征进行了分析。结果表明，在大柴旦地区，近地层气溶胶粒子数浓度日变化显著，呈现双峰形态，气溶胶粒子数浓度的变化范围为75～220 cm^-3,消光系数的变化范围为0.004～0.038 km^-1;当风速小于6 m/s时，气溶胶粒子数浓度与风速呈负相关关系；当风速大于6 m/s时，二者呈正相关关系；相对湿度对气溶胶粒子的影响较小，这可能是由于该地区以沙尘型气溶胶为主，吸湿性较弱。本研究基于多旋翼无人机探测平台，可以有效地获得近地层精细化大气、环境结构，有助于研究人员了解该地区气溶胶的结构、变化特征以及建立气溶胶模式，同时也为气溶胶及大气环境参数探测方法提供了技术支撑及思路拓展。     

激光诱导生物气溶胶荧光雷达的设计与数值仿真

为了评估激光诱导荧光雷达对生物气溶胶粒子的有效探测距离及随生物气溶胶浓度变化的敏感性,在阐述生物气溶胶探测原理的基础上,设计了一台激光诱导荧光雷达。该雷达选用波长为355 nm的二极管抽运的Nd:YAG固体激光器作为激励光源,基于脉冲能量、脉冲数量、滤光片带宽、望远镜口径、接收视场角以及生物气溶胶粒子荧光非弹性散射截面积等主要参数,对生物气溶胶荧光回波信号的信噪比进行数值仿真。仿真结果表明,生物气溶胶粒子的质量分数为10-12时,在探测误差小于10%的情况下,系统在白天和夜晚的有效探测距离分别可达1.0 km和7.8 km;而在探测距离定义为0.5 km时,系统对生物气溶胶质量分数的最小分辨能力,白天和夜间分别为1.8×10-13和1.0×10-14。仿真结果有利于了解激光诱导荧光雷达系统的最优参数设定和最佳的实验环境,进而实现对生物气溶胶的有效探测。     

侧向散射激光雷达探测白天近地面气溶胶探测技术

基于CCD的侧向散射激光雷达不受几何因子的影响,是探测近地面气溶胶的有力工具。夜晚的探测技术已成熟,由于背景光中夜晚的月光和星光远弱于白天的太阳光,故利用夜晚探测技术得到的白天气溶胶信噪比很低。实验中选用窄带滤光片和小张角镜头,通过校正窄带滤光片透射率、缩短单次曝光时间、多次曝光平均等技术可有效提高白天探测气溶胶的信噪比。白天个例表明,侧向散射激光雷达与后向散射激光雷达反演的气溶胶后向散射系数廓线在0.75~1.50km范围内的变化趋势一致,并对0.75km以下侧向散射激光雷达探测的正确性进行了验证。对合肥地区近地面气溶胶后向散射系数进行了37h的连续昼夜探测,并与同一地点的温度、PM2.5质量浓度联合进行分析。研究表明,改进后的白天侧向散射激光雷达技术是正确、可行的。     

微脉冲偏振激光雷达探测城市底层气溶胶

以单脉冲能量2μJ,重复频率1kHz的Nd:YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统,可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域,实现近地表80~1000m范围内的精确探测,系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1000m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测,并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明,探测期间无明显沙尘事件发生,探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右,在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域,受地面状况影响退偏比偏高,并获得了退偏比值与天气过程的初步关系,同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.     

基于侧向散射技术的近地面气溶胶后向散射系数廓线探测

气溶胶是大气中污染物PM2.5和灰霾的主要成分,近地面的气溶胶直接影响人们的生活和生产。利用电荷耦合器件(CCD)侧向散射激光雷达系统和相应的反演方法,对探测到的数据进行处理和分析。与后向散射激光雷达对比,验证了CCD侧向散射激光雷达探测结果的正确性。分析了2014年4月合肥西区董铺岛3 km高度范围内气溶胶后向散射系数的特点:随时间和高度变化;天气晴好时,地面上后向散射系数与地面站PM2.5质量浓度成正比;紧贴地面有一层较厚气溶胶。实验探测结果表明基于CCD的侧向散射激光雷达是探测近地面气溶胶浓度的一种有效的新方法。     

基于本征荧光的生物气溶胶测量激光雷达性能

为研究本征荧光对生物气溶胶粒子探测精度的影响,本文在阐述生物气溶胶荧光光谱信号探测原理的基础上,设计了一台紫外激光诱导荧光雷达.该雷达选用波长为266 nm的四倍频固体激光器作为激励光源,基于本征荧光波长、探测距离等主要参数,对生物气溶胶荧光光谱回波信号的信噪比及粒子浓度的最小分辨率进行数值仿真分析.仿真结果表明,在探测误差小于10%的情况下,距离为1.5 km时,系统对生物气溶胶荧光波长的有效探测范围为300—800 nm;而在距离为2.1 km时,荧光波长的有效探测范围为300—310 nm.此外,在探测距离定义为0.1 km,荧光波长为350和600 nm时,系统对物气溶胶粒子浓度的最小分辨率分别为2个颗粒/L和4个颗粒/L,最小分辨率的差值为2个颗粒/L.仿真结果有利于了解荧光波长变动时激光雷达系统的探测准确度,进而实现大气生物气溶胶更加有效的探测.     

多波长发光二极管光源雷达系统与近地面低层大气气溶胶探测

设计并研制了一台多波长发光二极管(LED)光源雷达系统,用于探测近地面低层大气气溶胶特性.介绍了LED光源雷达系统的组成及工作原理,计算分析了系统几何重叠因子,从而确定了LED光源雷达系统的最低探测高度为60 m.研究了LED光源雷达散射回波信号的数据反演方法,根据LED光源雷达适合近距离探测的特点,采用了Fernald前向积分反演算法,并以地面能见度仪数据为基础,确定了气溶胶消光系数的边界值.利用所设计的475, 530和625 nm三个波长的LED光源雷达系统,分别在轻度污染、中度污染和重度污染天气情况下,对西安夜晚城区上空低层大气气溶胶进行了探测,获得了近300 m高度内三个波长的大气气溶胶消光系数高度分布曲线,并对近地面低层大气气溶胶的垂直分布与变化特征进行了探讨.     

一种无需定标的地基激光雷达气溶胶消光系数精确反演方法

如何对低云下雾霾的激光雷达探测数据进行准确定标,一直是米散射激光雷达数据反演中一个有待解决的问题.对于低云和雾霾同时出现的天气,激光很难穿透云层,不能利用大气清洁层对激光雷达信号定标.而对于探测高度小于6 km的便携式米散射激光雷达,由于探测高度较低,也很难利用大气清洁层对激光雷达数据进行定标.本文根据Fernald前向积分方程的特点,提出了一种气溶胶消光系数迭代算法.通过对反演过程进行特定设置,每经过一次迭代,利用气溶胶消光系数迭代算法得到的气溶胶消光系数反演值与其真实值之间的差值就会相应减小.经过几次迭代后,气溶胶消光系数反演值与真实值之间的差值就会小到可以忽略不计.初步反演结果表明:利用气溶胶消光系数迭代算法,无需对激光雷达探测数据定标就能精确反演出气溶胶消光系数廓线.     

微脉冲偏振激光雷达探测城市底层气溶胶

以单脉冲能量2μJ,重复频率1kHz的Nd∶YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统,可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域,实现近地表80～1 000m范围内的精确探测,系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1 000m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测,并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明,探测期间无明显沙尘事件发生,探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右,在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域,受地面状况影响退偏比偏高,并获得了退偏比值与天气过程的初步关系,同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.     

偏振-米散射激光雷达的研制

研制的偏振-米散射激光雷达（PML）,可用于探测卷云和沙尘气溶胶的后向散射光退偏振比以及研究流层大气气溶胶的消光特性。采用窄带滤光片和光阑,将接收到的激光大气回波信号谱线（米散射和瑞利散射光谱）从天空太阳背景噪声中分离出来,以提高系统的白天探测能力。介绍了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。对偏振-米散射激光雷达的性能参数进行了测定,并对测定结果进行了分析与讨论,给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市地区(117.16°E, 31.90°N)上空大气气溶胶的消光特性和卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果,对这些结果进行了分析和讨论。结果表明：研制的偏振-米散射激光雷达性能可靠,能对大气气溶胶和卷云的物理和光学特性进行有效的探测。     

有机气溶胶的微脉冲荧光激光雷达水平近场探测研究

微脉冲激光雷达技术是大气气溶胶观测的重要手段,当使用紫外激光光源时,可利用激光诱导荧光信号探测环境中的有机气溶胶。建立了微脉冲荧光激光雷达水平探测有机气溶胶的仿真模型,并对回波光子数及信噪比进行了数值仿真计算。根据仿真结果设计并搭建了一台微脉冲荧光激光雷达,通过对系统进行几何重叠因子标定,减小了近场荧光回波信号的强度误差。以营养肉汤溶液为气溶胶样本对该激光雷达系统开展了测试实验,实验表明该MPFL系统空间分辨率为7.5m,实验最大探测距离达到200m。同时与另一台低重频高脉冲能量的荧光激光雷达进行了对比实验,对比结果显示,两型激光雷达接收的荧光信号强度变化趋势具有很好的一致性,相关系数达82%以上。在相同的累加时间下,MPFL荧光信号变化率矩阵标准误差小于0.02%,具有更好的抗干扰性能,能够实现对有机气溶胶准确探测,验证了系统有效性和实用性。     

双扫描激光雷达精细探测低层大气气溶胶方法

为实现水平非均匀分布的低层大气气溶胶光学特性的遥感探测,提出一种基于双扫描激光雷达的气溶胶精细探测方法.该方法以扫描激光雷达为遥感探测工具,通过双激光雷达相向交叉扫描工作模式,实现对同一空域近地表气溶胶全视野剖面的交叉探测,从而提供双激光雷达方程组以精确求解气溶胶消光和后向散射系数.在数据反演过程中,通过对交叉扫描区域进行坐标化和网格化处理、网格像素单元的初值预设,以及双扫描激光雷达方程组的数值逼近反演得到气溶胶消光.利用长距离扫描激光雷达的数据对该方法进行验证,结果表明,该方法与多角度方法反演所得到的结果随高度变化的趋势具有高度的一致性;同时双扫描激光雷达可提供交叉扫描区域剖面的气溶胶浓度分布,相比于单条廓线具有较大的优势.     

探测大气温度和气溶胶的瑞利-拉曼-米氏散射激光雷达

研制了一台瑞利-拉曼-米氏散射激光雷达,实现了对流层和平流层大气温度和密度的探测。作为多参数大气探测系统,该激光雷达也实现了夜间至25km、白天至5km高度气溶胶的探测能力;其中激光雷达是探测平流层气溶胶最有效的手段之一。利用该激光雷达对目前合肥地区对流层温度、平流层逆温现象、对流层和平流层气溶胶做了探测和分析,并给出若干典型结果。分析表明,该激光雷达数据可靠,可用于大气温度、密度、气溶胶的常规观测和分析研究。     

基于斜程传输模型的卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究

基于大气气溶胶在空间的不均匀分布,提出并利用激光在大气气溶胶中的斜程传输模型开展卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究,即将气溶胶的分布分为水平及垂直方向,在垂直方向将其分为无穷多层,令每层气溶胶的水平方向浓度分布均匀,结合气溶胶粒子的散射截面、尺度分布函数,计算激光在每层气溶胶中的透过率,最后进行积分得到激光的大气传输透过率.结果表明,与Kim经验公式及Mie理论模型相比,由斜程传输模型计算得到的激光气溶胶透过率更接近实验值,其平均相对误差降低了一个数量级,仅为3.5%,表明该模型可准确地计算激光在气溶胶中的传输特性.结合激光雷达公式,利用该模型对气溶胶中不同轨道高度卫星探测成功率进行数值模拟仿真,发现在轻霾环境中低轨卫星的探测成功率可达40%以上,高轨卫星的探测成功率仅为15%,可利用高效率探测器与高能量激光器实现轻霾环境下的卫星激光测距.研究结果能合理解释已有的实验报道并有效地预估卫星激光测距系统探测性能,为系统的升级改造提供可靠的理论依据和技术保障.