湍流廓线激光雷达的研制

 对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究。利用焦点附近的大气瑞利后向散射作为测量信标测量湍流信息，当聚焦高度不同时，可以测得不同高度的整层信息,从而可以得到一系列高度的整层湍流信息，最后通过算法得到分层的大气湍流廓线。介绍了湍流廓线激光雷达系统的组成原理和系统结构，采用像增强器的控制系统使得系统的有效测试距离达到15 km；通过与传统测量方法的对比，得出了可以作为湍流强度廓线测量工具的结论。最后展望了该系统的应用前景。     

合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式

 利用QHTP-2型温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构常数进行了长期连续的实地探空测量,对大量探空实验数据的统计分析得出合肥地区(0～25 km)折射率结构常数随高度分布廓线,并以国际广泛应用的Hufnagel-Valley模式为基础拟合得出合肥地区大气折射率结构常数统计模式廓线。研究发现:合肥地区大气湍流随高度分布廓线存在明显的昼夜和季节变化,大气湍流在随高度增加而减小的趋势上叠加了随机起伏,并具有鲜明的跳跃式结构;合肥地区的高空湍流模式廓线较好地符合实测的平均廓线,能反映自由大气中湍流随高度分布的重要特征——指数递减和对流层增强。     

基于支持向量机估算大气光学湍流廓线的研究

主要利用支持向量机的机器学习方法开展估算大气光学湍流廓线的研究。通过选取沿海地区实测探空数据,利用温度、压强、相对湿度、风速、风速切变和温度切变实测廓线数据,依据支持向量机估算得到不同日期的大气光学湍流廓线,并与实际测量值进行比较。误差分析结果表明:在2018-05-05和2018-05-10,估算的大气光学湍流廓线与实际测量廓线的均方根误差分别为0.4461和0.3939,相关性分别为70.42%和62.17%。研究证明:根据实测数据训练学习得到的支持向量机模型能够较为准确地估算沿海地区大气光学湍流廓线,虽有一定误差,但大致趋势吻合,验证了支持向量机方法估算大气光学湍流廓线的可行性,从而为利用常规气象探空数据直接估算大气光学湍流廓线,并为建立相关模式的可能性打下基础。     

利用多源测量数据实时估算整层大气光学湍流

综合利用微波辐射计、风廓线雷达、自动气象站、温度脉动仪及历史探空资料等多源测量数据可实时估算整层大气光学湍流。本文通过构建实时大气参数廓线,计算边界层高度,在边界层和自由大气层分别采用指数递减模式和Dewan外尺度模式估算大气折射率结构常数（Cn2）廓线,拼接后积分实现了大气相干长度（r0）的实时估算,并与相干长度仪实测r0进行了对比。通过误差分析可知,r0的模式估算值与实测值在大气层结不稳定状态均方根误差最小,相关性较好,在稳定和近中性状态均方根误差较大,相关性较差,尤其在近中性状态均方根误差最大。研究结果表明,利用多源大气测量数据,采用分层估算的方法实时估算整层大气光学湍流是可行的,具有一定的工程应用价值。     

用于大气温度廓线测量的瑞利-拉曼激光雷达

大气温度廓线及其时间演变特征资料在地球科学领域具有重要的应用,为获取高时空分辨的大气温度的垂直分布,建立了瑞利-拉曼温度测量激光雷达。介绍了瑞利-拉曼激光雷达进行温度测量的主要原理和研制的瑞利-拉曼激光雷达的主要参数;数据处理方面,通过背景噪声剔除和小波算法降噪提高系统的信噪比;使用研制的激光雷达对大气温度廓线进行观测,将观测结果与大气模式数据和卫星观测结果进行对比,均显示较好的一致性,证明了激光雷达温度测量结果的准确性,其温度测量数据可以用于气象学研究。     

随机并行梯度下降算法拟合大气湍流廓线统计模式的研究

掌握湍流基本规律及其廓线结构分布,是大气光学理论与应用研究中的关键问题之一。利用随机并行梯度下降算法对大气湍流廓线统计模式拟合进行了研究。在已获合肥地区整层大气折射率结构常数C2N平均廓线的前提下,以广义Hufnagel-Valley湍流模型为基础,拟合获得了该地区不同时间与不同季节的湍流模式廓线。研究发现,该方法获得的该地区湍流模式廓线在整层大气高度上均能很好地同实测平均廓线相符合,且两者所表征的整层湍流特征参量也能保持非常好的一致性。对寻求基于Hufnagel-Valley模型的通用湍流廓线模式拟合方法进行了有益的探索。     

PM2.5质量浓度廓线的激光雷达反演研究

针对PM2.5质量浓度在空间不同高度上的分布测量较难这一问题,采用激光雷达和大气透射仪以及粒径谱仪进行联合探测,反演PM2.5质量浓度廓线.考虑相对湿度等因素的影响,通过大气透射仪和粒径谱仪建立地面PM2.5质量浓度与大气透过率之间的函数关系.以大气透射仪所测地面大气透过率值为基准,修正激光雷达大气透过率在高空的边界值,结合Fernald后向积分法反演出大气透过率的垂直分布.依据建立的函数关系和大气透过率垂直分布,得到PM2.5质量浓度廓线,并采用HYSPLIT后向轨迹分析不同高度层气溶胶的输送和动态变化.通过激光雷达、大气透射仪和粒径谱仪的联合探测实验,结果表明:经大气透射仪修正后,大气透过率垂直分布精度得到了提高,PM2.5质量浓度廓线很好的反映了气溶胶垂直分布的微物理变化特征.     

差分像移湍流廓线激光雷达测量误差分析

差分像移激光雷达可以测量随距离分布的大气湍流廓线。在结合测量原理和定性分析的基础上,经过严格的数学推导得到了差分像移激光雷达测量湍流的误差公式,提供了定量分析和改进系统性能的基础:在系统参数确定后,通过合理分配探测点间距以及每个探测点的探测时间可以达到最好的测量效果。根据模拟分析的结果,测量误差主要来源于光斑质心计算误差和有限样本引起的统计误差。近距离测量时,由于接收到的光子信号很强,光斑质心计算误差的影响很小,此时样本统计误差起主导作用;随着距离的增加,光斑质心计算误差的影响越来越大。     

激光雷达大气湍流测量方法研究

 报道了一种用激光雷达方法测量大气湍流的技术，利用发射激光束在空间所需位置产生一个聚焦光斑，通过此光斑处的大气分子瑞利散射机制形成一个空间的人造散射光源，接收系统对此光源的散射光进行探测，测量出从地面到此空间散射光源之间的大气湍流参数。给出了对武汉上空大气湍流测量的初步结果。得到了不同高度层的大气相干长度随时间的变化特性、平均值和起伏均方差，并对实验测量和模型计算的大气折射率结构常数在相应高度段的积分值进行了比较，二者积分值都在10-12量级，得到的结果基本相符。这种测量方法的实现，为测量空间不同方位、不同距离的大气湍流提供了一种新的手段。     

机载激光雷达信号Fernald前向反演的一种新定标方法

针对机载激光雷达信号Fernald前向反演方法要求准确得到标定值的问题,提出了一种新的定标方法:在机载激光雷达探测得到的各条大气回波信号廓线中,使用一条已知其大气气溶胶后向散射系数垂直分布的廓线,通过机载激光雷达方程来确定出其他各条回波信号廓线上的大气气溶胶后向散射系数标定值.模拟分析和实验验证了这种定标方法的可行性,用其标定值反演出的大气气溶胶后向散射系数垂直廓线是较为合理准确的;误差分析表明由该定标方法反演的大气气溶胶后向散射系数相对误差在20%以内.这种定标方法是可以运用于机载激光雷达信号Fernald前向反演的.     

拉曼激光雷达探测低对流层大气二氧化碳分布

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制成功的我国第一台测量低对流层大气CO2时空分布的拉曼激光雷达系统,选用波长355nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的拉曼后向散射信号。详细分析了拉曼激光雷达系统的定标方法,提出采用Li7500型H2O/CO2分析仪与拉曼激光雷达系统进行对比与标定,结果显示激光雷达与CO2分析仪数据变化趋势一致性较好,激光雷达具有很高的探测灵敏度与准确性,通过线性拟合水平方向标定误差小于0.2%,垂直方向小于1.4%。由标定关系反演出大气中CO2的时空分布,给出了合肥西郊低对流层大气CO2水平方向0～2.0km与垂直方向0～2.5km分布的典型测量结果。     

激光雷达研制及其探测大气气溶胶的实验研究

作为一种激光探测大气气溶胶特征的新技术,采用分子滤波技术的高光变分辨率激光雷达在国际上得到了发展,给出了对这种YAG激光雷达系统的理论分析并建立了实验装置,其接收望远镜孔径为300mm,YAG激光脉冲能量为150mJ。通过数值模拟与初步测量估计了激光雷达性能,测量了大气回向散射信号,测量结果表明实结果与理论分析一致。     

差分吸收激光雷达回波信号统计模型的研究

差分吸收激光雷达回波信号统计模型是研究差分吸收激光雷达系统的基础,但是现有的统计模型中均没有考虑大气湍流导致的激光闪烁对回波信号的影响。针对已有统计模型的缺陷和应用需要,综合考虑了大气湍流导致的激光闪烁、目标反射斑纹、接收噪声以及发射功率波动对回波信号统计特性的影响,提出了一种改进的长程差分吸收激光雷达回波信号统计模型,分析了该模型的统计特性。仿真结果表明大气湍流导致的激光闪烁对回波信号统计特性的影响十分显著,同时也验证了该统计模型比已有统计模型更精确、更符合实际。     

双孔差分闪烁法测量大气湍流的理论与实验研究

根据cross-path理论, 推导出弱起伏条件下差分孔径光强起伏结构函数的精确表达式, 以此为依据, 从理论上提出测量大气湍流强度的双孔差分闪烁法. 在Kolmogorov湍流谱条件下, 分析了信标光直径和信标光高度对该方法中路径权重函数的影响. 在近地面开展了2 km路径的水平光单程传输实验, 将双孔差分闪烁法和单孔闪烁法的测量结果进行了对比. 实验结果表明: 在不同的天气条件和大气湍流状况下, 两种方法测量的折射率结构常数具有高度的一致性; 通过对折射率结构常数积分得到的球面波大气相干长度进行相关性分析, 发现两者的线性相关系数达0.96; 由此验证了双孔差分闪烁法的可行性和有效性. 该方法能够分离出主动信标双程传输的后向闪烁信息, 为主动信标准确探测大气湍流提供了一种新方法.     

Capability of Raman lidar for monitoring the variation of atmospheric CO2 profile

Lidar (Light detection and ranging) has special capabilities for remote sensing of many different behaviours of the atmosphere. One of the techniques which show a great deal of promise for several applications is Raman scattering. The detecting capability, including maximum operation range and minimum detectable gas concentration is one of the most significant parameters for lidar remote sensing of pollutants. In this paper, based on the new method for evaluating the capabilities of a Raman lidar system, we present an evaluation of detecting capability of Raman lidar for monitoring atmospheric CO$_{2}$ in Hefei. Numerical simulations about the influence of atmospheric conditions on lidar detecting capability were carried out, and a conclusion can be drawn that the maximum difference of the operation ranges caused by the weather conditions alone can reach about 0.4 to 0.5km with a measuring precision within 30ppmv. The range of minimum detectable concentration caused by the weather conditions alone can reach about 20 to 35 ppmv in vertical direction for 20000 shots at a distance of 1 km on the assumption that other parameters are kept constant. The other corresponding parameters under different conditions are also given. The capability of Raman lidar operated in vertical direction was found to be superior to that operated in horizontal direction. During practical measurement with the Raman lidar whose hardware components were fixed, aerosol scattering extinction effect would be a significant factor that influenced the capability of Raman lidar. This work may be a valuable reference for lidar system designing, measurement accuracy improving and data processing.