米散射激光雷达测量大气水平能见度

激光雷达作为一种新型的大气观测工具，可以通过直接探测激光与大气相互作用的光辐射信号来定量地反演大气水平能见度，从而成为测量大气水平能见度的主要手段．正在研制的一台基于532nm波长的车载式米散射激光雷达，用于大气能见度的测量；简单介绍了正在研制的激光雷达的技术参数，给出了测量数据的处理方法；利用雷达的技术参数进行了模拟计算，显示了该激光雷达探测大气水平能见度的可靠性，计算误差显示在大气能见度为10km时该激光雷达的测量误差小于16％．     

小型米散射激光雷达的研制及其探测

介绍了一台自行研制的用于大气气溶胶光学特性和水平能见度测量的小型米散射激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和分析.系统选用532nm波长激光作为光源,采用Fernald反演算法对接收到的大气回波信号进行反演得到气溶胶消光系数.通过对西安城区上空的气溶胶光学特性进行连续观测,测得了西安城区不同时刻消光系数的高度分布廓线、以及24小时内大气边界层高度的时空变化特性,并对大气水平能见度进行了连续观测,其结果与当地气象部门提供的水平能见度数据的变化趋势基本一致.观测结果表明,利用该米散射激光雷达可以对大气气溶胶光学特性和水平能见度进行有效测量.     

激光后向散射式大气能见度测量仪样机的研制

大气能见度的高精度、实时性探测对军事装备及军事活动起着重要作用.针对军事装备对能见度测量的实时、精确、仪器便携、功耗低、无合作目标的特殊要求,根据激光后向散射理论,研究了舰用探测大气能见度激光雷达样机的原理、系统组成及其软件实现,并进行了外场试验,试验结果表明样机误差在±20%以内.     

合肥上空大气二氧化碳Raman激光雷达探测研究

Raman激光雷达是用于大气成分探测与特性研究的有效工具.介绍了中科院安徽光学精密机械研究所自行研制的一台用于测量低对流层大气CO2时空分布的Raman激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和对比分析.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Raman后向散射信号与Li-7500型H2O/CO2分析仪进行对比标定,通过反演获得了大气CO2水平与垂直方向时空分布廓线,并且获得了合肥地区大气边界层CO2的夜变化趋势.结果表明,大气CO2在空间的分布相对均匀,Raman激光雷达与CO2分析仪变化趋势一致性较好,能够对大气CO2时空分布进行有效、连续的观测.     

激光遥感斜程能见度探测技术研究进展（特邀）

以斜程能见度精确探测为目标,综述了激光遥感在斜程能见度测量中的主要技术及其研究进展,分析了现有探测技术在斜程能见度测量中的不足与局限性,重点介绍了一种新型的激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量方法,剖析了基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶精细探测技术、基于辐射传输模式的大气散射辐射亮度解析方法以及大气散射辐射亮度校正的斜程能见度测量技术与应用案例,突破了当前白天斜程能见度测不准的技术瓶颈。最后,展望了激光遥感技术在全球斜程能见度测量中的应用潜力。     

银川上空大气气溶胶光学特性激光雷达探测研究

小型米散射激光雷达是广泛使用的探测大气气溶胶光学特性的有效工具。作者研制了一台小型米散射激光雷达,并利用该激光雷达于2009年4月1日至4月10日期间对宁夏银川地区(北纬38°29′, 东经106°06′)上空的大气气溶胶光学特性以及时空分布进行了观测。系统选用532 nm波长激光作为光源,采用Fernald法对接收到的大气回波信号进行反演,得到了气溶胶消光系数的高度分布廓线及24 h内气溶胶消光系数相对浓度的时空变化特性;并对期间一次明显的沙尘天气进行了观测和分析。观测结果表明,该小型米散射激光雷达能够对大气气溶胶及其时空分布情况进行有效、连续的观测,其观测结果有利于分析该地区气溶胶及沙尘天气的变化趋势。     

基于激光雷达的垂直能见度反演算法及其误差评估

针对大气垂直方向上消光系数分布不均匀难以用传统方法直接测量垂直能见度的问题,提出了一种基于激光雷达探测垂直能见度的计算方法。根据大气辐射传输基本原理,借助于辐射传输方程,推导出了垂直能见度的计算公式;然后利用激光雷达原理方程和Klett算法反演出大气垂直方向上的消光系数分布,基于此提出了垂直能见度的迭代算法。最后,利用灰色模型GM(1,1)和批统计算法,对激光雷达反演得到的后向散射系数进行了评估,给出了误差置信区间为(0.760±0.339)×10^-4(srad·km)^-1。结果表明,该方法是一种特别有效的计算垂直能见度的方法,符合探测的基本需求,且误差小精度高。     

基于拉曼激光雷达的大气温度和水汽反演分析

为了同时测量大气温度,水汽和大气气溶胶,中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学中心研制了一台多功能拉曼激光雷达。该激光雷达采用多腔干涉滤光片的高性能光谱盒,同时按小角度入射顺序安装,分离不同波长的激光雷达回波信号,并能高效率地提取信号。利用该台拉曼激光雷达进行连续观测,分析了大气温度、水汽混合比的垂直分布。研究结果表明:探测时间为5分钟,激光能量为200 mJ时,激光雷达和无线电探空仪测得的平均偏差很小, 10 km以下的总体趋势相似,同时观测到逆温层位于对流层低层。在干净天的条件下, 6.2 km高度下的夜间统计温度误差在1K以下;在轻微雾霾天的条件下, 2.5 km高度下的夜间统计温度误差在1 K以下。水汽探测过程中,激光雷达在4 km以内的相对误差不超过5%, 7.5 km以内的相对误差不超过20%。连续观测结果验证了拉曼激光雷达的可靠性,实现了对流层大气参数的实时测量。     

用于反演半导体激光云高仪垂直能见度的算法

根据云高仪工作原理,从米散射激光雷达方程出发,推导出一种低层大气中气溶胶消光系数边界值的获取方法,并在此基础上利用Fernald方法反演得到了大气消光系数的垂直分布;通过垂直路径上的消光系数反演得到垂直路径的平均能见度,结果表明,该平均能见度更接近垂直方向真实的能见度。用该算法处理了半导体激光云高仪实际测量的数据,并与Vaisala云高仪测量的垂直能见度进行了对比,结果表明:该算法在反演大气垂直能见度时具有较高的准确性和可靠性。     

对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究,成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达,采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统,实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取,并研发了多参数同步反演算法,获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线,结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测,获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明,在探测时间15 min和激光能量150 m J的条件下,系统在晴天条件可实现高度16 km以下大气温度和湿度的同步探测,在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测,并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究,为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。     

Analysis of detectable range of multiple-slit streak tube imaging lidar

Multiple-slit streak tube imaging lidar is a promising flash imaging system. Its detectable range, affected by the detection of the unit sensitivity, operating mode, and visibility, are critical factors for the system design and applications. In order to discuss the lidar range measurement performance, a lidar equation based on the Lambert law is analyzed, and the relationship between the lidar detectable range and the emission power is simulated at different levels of visibility; the result shows that the detectable range of lidar developed in our laboratory reaches 2,500 m for a 23 km visibility. Outfield experiments were carried out to evaluate the system performance; a clear stripe image for a target located 1386 m away was gained under the condition of 15 km visibility. Finally, parameters that affect the lidar detectable range are discussed, and relevant methods to improve the lidar performance are proposed.     

半导体激光雷达斜程能见度观测和反演方法

论述了自行研制的半导体激光雷达能见度仪的工作原理、基本结构及参数,提出了一种稳定的消光系数迭代算法。利用该半导体激光雷达能见度仪与美国Belfort model 6230A型能见度仪对水平及斜程能见度进行了对比实验。对比实验表明:对于水平能见度,平均相对误差在10%以内的占总量的45.6%,平均相对误差在20%以内的占总量的84.7%,平均相对误差在30%以内的占总量的91.2%;对于斜程能见度,不同天气条件下,能见度变化趋势明显,反映了斜程能见度与水平能见度探测的差别与意义。充分说明该能见度仪能够在各种气候条件下测量水平及斜程能见度,所提出的反演能见度的迭代算法稳定可靠。     

An iterative calculation to derive extinction-to-backscatter ratio based on lidar measurements

The aerosol optical thickness (AOT) is an important parameter for understanding the radiative impact of aerosols. AOT based on lidar measurements is often limited by its finite detection range. In this paper, we have reported a method of fitting and iterative calculation to derive the extinction profile of background aerosols from 0 to 30 km at 532 nm, which is virtually the AOT of the entire atmosphere. The mean extinction derived from this method at the ground level tallies with visibility measurement and it is also consistent with the sun-photometer data, within experimental error. These data have been further treated to study the dust cases. For most of the cases, transmission losses were determined to estimate the extinction as well as lidar ratio. The result of the analysis shows that for background aerosols, a mean lidar ratio of 47±15 sr was found. For dust layers, a mean lidar ratio of 44±19 sr and an optical thickness of 0.53±0.49 were determined at 532 nm.     

从多波段图像中获取大气透过率的测量方法

提出了一种基于单帧多波段图像测量非气体吸收波段和弱气体吸收波段大气透过率的方法,可应用于相关光电工程中评估和修正大气衰减影响.首先,利用经过绝对辐射定标的图像采集设备获得辐射图像;其次,基于大气中图像退化光学模型与暗通道先验统计理论得到辐射图像暗通道对应的宽波段平均大气透过率;最后,结合特定波段消光系数和宽波段平均消光系数间的关系得到特定波段的大气透过率.实验对比分析表明:本文方法与能见度仪、激光雷达测量结果相关性较高,其中与能见度仪相比,相关系数在0.89和0.95之间,与激光雷达相比,相关系数在0.95和0.97之间;在1km近距离条件下与能见度仪、激光雷达测量结果平均相对偏差最高分别为9%和6%,在远距离条件下,与能见度仪测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为15%和30%,与激光雷达测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为9%和18%.     

激光雷达雨中能见度测量

 分析了雨中能见度测量值偏高是由于雨滴的前向散射效应的原因。针对这一情况,在假设雨滴谱分布满足Marshall-Palmer分布条件下,提出了激光雷达前向散射修正模型。利用自行研制的CSY2型能见度激光雷达在孝感、北京进行了为期半年的比对实验。结果显示：在中雨和大雨条件下,利用该修正算法能大大减少能见度测量误差。     

Metal fluorescence lidar (light detection and ranging) and the middle atmosphere

Metal fluorescence lidar (light detection and ranging) has come of age as a tool for exploring the middle atmosphere. The Colorado State University sodium lidar system exemplifies these lidar systems, using a number of interesting techniques to achieve measurements of temperature and wind speed in the middle atmosphere. This and other fluorescence lidar systems have illuminated a number of interesting properties of the mesopause region (within the middle atmosphere). This paper reviews both the laboratory physics necessary to construct fluorescence lidar systems, and the advances in atmospheric science that have resulted from the data collected.     

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。