偏振-米散射激光雷达对卷云的探测

 研制了一台偏振-米散射激光雷达,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究。介绍了偏振-米散射激光雷达的探测原理,叙述了偏振-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。给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市西郊上空卷云的结构、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。初步探测结果表明,合肥西郊上空高度在6～10 km的卷云的退偏振比在0.2～0.5之间,该激光雷达可以对卷云进行有效的探测,能较好地反映卷云及其光学特性的时空分布。     

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。     

基于激光雷达观测的大气边界层自动识别局部最优点算法

大气边界层高度是影响近地面大气物理运动的主要因素,同时也是影响地面污染物浓度的一个重要因素。地基激光雷达可以对大气气溶胶的垂直分布进行连续稳定的监测,应用激光雷达技术对大气边界层进行连续观测可以为环境监测与预报提供指导性的动态信息。针对存在残留层以及外来污染物输入情况时边界层高度变化检测的可靠性及计算效率问题,结合梯度法的物理意义与激光雷达时序图的图形图像学特征,提出了一种基于时空邻近度的边界层局部最优点识别算法。以江苏省无锡市新区偏振米散射激光雷达太湖观测站点的气溶胶垂直观测数据为例,通过对2012年底两次污染事件进行观测分析,分别使用梯度法和局部最优点法进行大气边界层高度的自动识别。实验结果表明,在静稳状态和污染混入后的情况下,梯度法与局部最优点识别法的结果较为接近,但梯度法在处理污染混入状态以及存在残留层的情况下误判率较高。基于时空邻近度的局部最优点算法通过对垂直特征值以及水平相关性的控制,有效地消除了在弱信号、噪声信号、低云以及存在残留层和外来污染等情况下导致的计算机误判现象,在减小算法时间复杂度的同时在计算机自动识别结果具有更高的稳定性,弥补了梯度法在自动化运行中的识别精度与计算效率的不足。     

南京地区气溶胶散射特性综合观测

利用中国气象局南京综合观测基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷达Mie通道实测数据反演分析南京北郊气溶胶光学消光特性。对2013年11月至12月雾霾天气进行观测并分析得到光学消光系数,并结合CALIPSO卫星搭载的激光雷达CALIOPSO level.2分类产品数据进行消光特性参数分析。利用CALIPSO监测2012年冬季一次沙尘过程所得结果与地基微脉冲偏振激光雷达结果一致。     

小口径便携式Mie散射激光雷达的研制和应用

介绍了小口径便携式Mie散射激光雷达的系统结构、技术参数以及激光雷达信号处理的关键技术和处理方法。给出了测量结果,并与Vaisala公司能见度仪的测量结果进行了对比。这种Mie散射激光雷达具有结构紧凑、重量轻的特点,非常适合于进行能见度和大气消光特性时空分布和时间演变特性的研究。同时也可以进行车载或者结合扫描装置进行自动扫描监测,以获取感兴趣的区域颗粒物的时空分布。     

差分吸收测污激光雷达光路分束设计

在AML-2车载测污激光雷达中,对装有不同气体的拉曼管进行拉曼激发获得相应的强、弱吸收关波长。针对差分雷达激光发射光路转换的特点及提高雷达监测的实时性能要求,基于激光偏振调制原理提出了激光雷达光路分束设计的新方法,对该方法可行性进行了理论分析,并对改进光路的能量损失进行了估算,模拟结果显示改进后的系统延长了仪器的使用寿命,提高了测量的实时性。为提高差分激光雷达实时监测性能提供了一种新方法。     

角向偏振无衍射光束的传输特性及其偏振态研究

从理论和实验两个方面研究角向偏振无衍射光束在自由空间和障碍物空间中的传输特性. 理论上模拟了角向偏振无衍射光束在自由空间以及障碍物空间传播过程中的光强分布与偏振态变化情况. 实验中利用高斯光束先通过偏振转换仪, 再入射到轴棱锥上产生角向偏振无衍射光束. 进而研究其在空间中的传输情况, 并通过分析其经过扇形障碍物后光强分布变化情况讨论障碍物对偏振态的影响和光束的自重建特性. 结果表明: 障碍物遮挡区域光强沿z轴方向逐渐恢复, 且阴影区域沿障碍物所在位置的相反方向移动; 光束的偏振态局部发生变化, 该变化与障碍物所在位置有关. 理论仿真和实验结果一致.     

偏振成像激光雷达遥感中的基本变换研究

针对偏振成像激光雷达遥感的计算需求,在假设以散射体中心为主坐标系中心的情况下,研究了入射偏振光和散射偏振光坐标系的变换、散射体引起的偏振状态的变化以及散射矩阵与Mueller矩阵之间的几种最基本的变换关系,并从群论的观点给出了这些变换关系的描述。这些变换关系的进一步展开便可得到具体的激光雷达偏振遥感物理量的计算方法,这在解读偏振激光雷达遥感图像的应用中具有实际作用。     

双折射器件对机载激光雷达偏振探测影响的研究

根据膜层理论给出了机载激光雷达回波信号垂直入射偏振棱镜时偏振平行分量透过率的数学解析表达式,定量分析了偏振棱镜对机载激光雷达回波信号平行分量透过率的影响,理论计算表明：棱镜晶体厚度、空气膜层厚度及棱镜结构角共同影响回波信号通过偏振棱镜的透过率;当回波信号波长为532 nm,利用1/2石英波片测得的偏振平行通道和偏振垂直通道的增益比k为1.2时,机载激光雷达偏振通道增益比k的真实值在1.003～1.463之间,若不考虑1/2波片对k值的影响,会给退偏振比反演带来较大的系统误差.     

用于机载激光雷达偏振通道增益比测量的1/2波片优化设计

 利用平面平行板模型和晶体膜层理论,定量分析了偏振光通过1/2波片时偏振平行分量和偏振垂直分量透过率的比值与晶体厚度的关系,对用于机载激光雷达偏振通道增益比测量的1/2石英波片和1/2方解石波片的最佳加工厚度和合适的厚度加工区域进行了定量计算和探讨,指出了不适合加工的晶体厚度区域。回波信号的偏振化方向与1/2波片的光轴方向平行和垂直时分别测得的增益比值存在一定的差异,利用这两个增益比值反演得到的沙尘退偏振比,其最大相对误差在20％左右。     

New technique to simulate angular patterns of polarized signals from multiply scattering media in MFOV and CCD lidars

We present a semi-analytical approach to determine angular patterns of a polarized intensity that form lidar signals from multiply scattering media registered by a monostatic multiple-field-of-view receiver or CCD camera for any polarization state of incident light and any analyzer state at a receiver. Multiply scattering media with a highly forward elongated phase functions are considered. The model of lidar signal formation includes the single near-backscattering and small-angle multiple scattering of light. The developed approach allows computation and analysis of polarized images, including the Mueller matrix images, formed by the laser light backscattered by multiply scattering media, for example, from atmospheric clouds, ocean waters, tissue, etc.     

机载激光雷达沙尘探测能量优化配置的统计研究

依据美国ANSI标准,结合1999~2004年间地基激光雷达探测的合肥地区沙尘暴消光廓线,统计分析了机载大气探测激光雷达探测沙尘时偏振532 nm垂直通道和1064 nm通道所需的最小激光能量,模拟计算了机载大气探测激光雷达探测沙尘暴时在0~12km高度范围内不同激光束发散角和激光脉冲能量比例的532 nm和1064 nm激光脉冲眼睛安全最大阈值能量。以合肥地区沙尘暴消光特性的统计结果、地面人眼安全标准和两个"瓶颈"通道的探测能力为依据提出两种激光脉冲能量配置方案。     

米散射激光雷达剖面数据三次样条垂直水平插值法

传统的空间数据插值方法在米散射激光雷达剖面扫描数据的距离高度显示图可视化应用方面具有一定的局限性.本文分析了米散射激光雷达剖面扫描数据以仰角为基础的空间位置关系与大气参数的空间分布特性,分别在垂直与水平位置上合理选取参考数据,给出位置相关性权重,基于三次样条函数法进行数据变化趋势的平滑性修正,完成缺失数据插值.实验结果表明,该方法能够有效提高米散射大气激光雷达扫描数据空间插值的准确性,插值数据误差小,距离高度显示图图形趋势过度平滑,符合大气参数的整体变化规律.     

激光雷达扫描方式

为实现激光束对空域的有效扫描和探测,研究了栅形扫描、李萨茹形扫描、螺旋形扫描和六边形扫描四种常见的激光雷达扫描方式,推导了相应的扫描方程,讨论了参数的物理意义及调整方法;重点研究了栅形扫描和六边形扫描方式下光斑的分布情况,通过仿真分析了两种扫描方式下光束的漏扫率和重叠率,结果表明,在相同扫描条件下六边形扫描方式的漏扫区域最少。展示了基于上述研究内容的扫描控制系统实物图及扫描图案。分析总结了四种扫描方式的特点,给出了每种扫描方式的适用情况及使用建议。     

Single-frequency polarized eye-safe all-fiber laser with peak power over kilowatt

An all-fiber, single-frequency, linearly polarized, high peak-power, pulsed laser at 1,540 nm for Doppler wind lidar is presented. This laser is composed of a single-frequency, narrow-linewidth external cavity diode laser, and multistage fiber amplifiers. A peak power of 1.08 kW and a pulse width of 500 ns at 10 kHz repetition rate are achieved, which is the highest peak power with a linewidth of 800 kHz in erbium-doped silica fiber to our knowledge. The beam quality of M ² < 1.3 and a polarization extinction ratio over 16 dB are obtained. This laser will be employed in a compact long-range coherent Doppler wind lidar.     

Specific Features of Lidar Returns in Airborne Sensing of Seawater Containing Air Bubbles

Air bubbles arising in water under the action of wind-driven sea waves or as a result of the vital activity of a biomass and concentrated in the subsurface water layer change its optical properties. Their influence on the characteristics of a lidar return in seawater sensing with linearly polarized and unpolarized radiation is investigated. The dependence of the lidar return characteristics on the air bubble concentration and microstructure and of the optical and geometrical conditions of observations is examined for the radiation wavelength = 0.53 m.     

Daylight rejection with a new receiver for potassium resonance temperature lidars

For daytime operation a new receiver for potassium resonance temperature lidars was developed that includes a twin Faraday anomalous dispersion optical filter and a high-performance photon-counting avalanche photodiode instead of a photomultiplier. The design of a flat spectral filter shape over the lidar scan range avoids instrumental error on the temperature results. Initial temperature measurements under daylight conditions were realized.     

Design of three-dimensional imaging lidar optical system for large field of view scanning

Three-dimensional (3D) lidar has been widely used in various fields. The MEMS scanning system is one of its most important components, while the limitation of scanning angle is the main obstacle to improve the demerit for its application in various fields. In this paper, a folded large field of view scanning optical system is proposed. The structure and parameters of the system are determined by theoretical derivation of ray tracing. The optical design software Zemax is used to design the system. After optimization, the final structure performs well in collimation and beam expansion. The results show that the scan angle can be expanded from ±5° to ±26.5°, and finally the parallel light scanning is realized. The spot diagram at a distance of 100 mm from the exit surface shows that the maximum radius of the spot is 0.506 mm with a uniformly distributed spot. The maximum radius of the spot at 100 m is 19 cm, and the diffusion angle is less than 2 mrad. The energy concentration in the spot range is greater than 90% with a high system energy concentration, and the parallelism is good. This design overcomes the shortcoming of the small mechanical scanning angle of the MEMS lidar, and has good performance in collimation and beam expansion. It provides a design method for large-scale application of MEMS lidar.