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．     

气溶胶光学特性对宽谱差分吸收激光雷达NO2质量浓度反演结果的影响

针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO₂)质量浓度反演误差。研究结果表明：当大气气溶胶均匀分布时,NO₂质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应,而后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差一般可忽略不计;当大气气溶胶非均匀分布时,气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度,且与波长指数成反比。此外,适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO₂-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差的近似模型,通过对比模拟计算的结果,验证了近似模型评估NO₂质量浓度反演误差的可行性。     

基于单Fabry-Perot标准具的双频率多普勒激光雷达数据反演技术

本文导出了大气后向散射信号光入射到Fabry-Perot (F-P)标准具的有效透过率表达式. 在基于单F-P 标准具的双频率多普勒激光雷达系统中, 采用平均值法定量分析了瑞利后向散射信号对风场测量准确度的影响. 提出了同时反演风速和后向散射比的非线性迭代方法, 并通过仿真试验验证了该方法的有效性. 同时, 导出了径向风速和后向散射比测量误差的具体表达式, 并据此进行了仿真. 仿真结果表明: 若假定望远镜接收到的总后向散射光子数为50000, 径向风速测量误差随后向散射比的增大迅速减小, 在±25 m/s的风速测量动态范围内, 当R_β > 1.2时, 误差小于3 m/s; 后向散射比测量误差随后向散射比的增大而增大, 与径向风速大小几乎无关, 当R_β<10时, 相对误差小于13%. 关键词： 多普勒激光雷达 Fabry-Perot标准具 边缘技术 双频率     

基于差分吸收激光雷达的一种新的对流层臭氧浓度反演算法

差分吸收激光雷达探测对流层臭氧浓度时,气溶胶的干扰会造成较大的误差。提出了一种算法,该算法能够同时反演得到对流层臭氧浓度和气溶胶消光系数,减少气溶胶对反演结果的影响。使用实验数据,分析计算了气溶胶雷达比,气溶胶波长指数、标定点气溶胶后向散射比各种变化参数对反演结果的误差。结果表明,1 km以下,各种变化参数造成的反演误差小于8%,1 km以上臭氧浓度误差主要来源于信号和背景噪声,各种参数反演误差小于3%。最后给出了利用该算法得到对流层臭氧浓度和气溶胶的消光系数垂直廓线,并和传统的双波长差分算法反演结果作了比较分析。实验结果表明该算法是可行的,该算法可以减少气溶胶对差分吸收激光雷达测量结果引起的误差。     

Raman-Mie方法反演气溶胶后向散射系数

传统的Klett和Fernald反演气溶胶法依赖于消光系数和后向散射系数的假设关系,给反演结果带来误差。根据纯转动拉曼后向散射系数仅是大气温度和压强的函数,设计的Raman-Mie方法用米散射和纯转动拉曼回波信号结合探空温度和大气压强共同反演气溶胶后向散射系数。不仅消除了Klett和Fernald方法引入假设带来的误差,还可避免因几何因子修正带来的影响。最后将该方法用于实验室自行研制的拉曼-米散射激光雷达,反演出了大气气溶胶后向散射系数廓线,实验结果与Klett(Fernald)方法分别进行了比较。     

C波段机载合成孔径雷达海面风场反演新方法

针对基于散射计地球物理模型函数的机载合成孔径雷达(SAR)海面风场反演中存在的风向获取依赖于图像风条纹或数值预报、 散射计数据和浮标等背景场资料, 风向与SAR图像时空分辨率不匹配, 进而影响机载SAR海面风场反演精度等问题, 本文根据机载SAR对海探测特点, 研究一种适用于C波段机载SAR的海面风场反演新方法. 利用SAR图像距离向不同入射角的后向散射系数, 依据地球物理模型构造最小代价函数, 通过代价函数的求解直接从机载SAR数据同时反演出海面风速和风向. 利用论文提出的海面风场反演方法分别对仿真SAR数据和实测C波段机载SAR数据进行风向、 风速的反演误差分析及试验验证.研究结果表明, 该方法适用于机载SAR海面风场反演, 可不依赖背景风向直接反演出精度较高的风速和风向; 雷达后向散射系数误差是决定海面风速、风向反演精度的关键因素, 辐射定标精度越高则反演误差越小; 海面风速反演误差随着风速的提高而增大, 当海面风速大于18 m/s时, 风速反演误差显著增加, 而海面风向的反演误差与风速无明显关系. 关键词： 机载合成孔径雷达 海面风场 多入射角     

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。     

卫星遥感中不同偏振量对气溶胶反演的影响分析

偏振探测是提高气溶胶卫星遥感能力的重要途径。作为目前全球重要的偏振数据源,我国高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪（DPC）能够测量不同的偏振量,包括Stokes矢量偏振分量、偏振辐亮度（L_ｐ）和线偏振度（DOLP）。各偏振量所包含的有效信息和测量误差不同,进而影响气溶胶参数的反演精度。针对此,在最优估计反演框架下,利用信号自由度（DFS）和后验误差定量化分析了各偏振量对气溶胶参数反演的影响,为后续DPC气溶胶算法开发提供参考。研究结果表明：Stokes矢量包含的信息量最高,其次是线偏振度和偏振辐亮度,相应的气溶胶总DFS分别为7.5,6.1和5.2;采用不包含偏振方向信息的L_P反演时,复折射指数虚部和粒子谱有效方差的信息量比采用Stokes矢量和DOLP反演时显著下降,表明这两个参数对偏振方向和测量误差敏感,增加偏振方向信息和降低测量误差能够有效提高这两个参数的可反演性;偏振方向的探测对提高气溶胶遥感能力有重要价值,采用L_P和DOLP反演时,气溶胶各参数的后验误差比采用Stokes矢量反演分别增加67.6%和65.5%,其中细模态体积柱浓度和粒子谱有效半径受到的影响最大;在全部气溶胶参数中,复折射指数实部后验误差最小,虚部的反演不确定性最大。总体来说,细模态气溶胶的三个参数（体积柱浓度、复折射指数实部和粒子谱分布有效半径）在三种偏振量反演情况下平均DFS均大于0.85,能够较好的通过DPC观测反演得到,而粗模态气溶胶反演与气溶胶类型有关,参数反演不确定性较大。     

基于碘分子滤波器的高光谱分辨率激光雷达原理

碘分子1107～1108吸收线之间有一个光谱透射率峰。基于该光谱透射率峰的碘分子滤波器对大气分子的瑞利散射有强烈的抑制作用,而对大气气溶胶的Mie散射影响较小。利用这种碘分子滤波器构成的高光谱分辨率激光雷达可以分离大气分子散射和气溶胶散射,从而能够测量大气后向散射比和大气风场。对测量原理和测量精度进行了详细推导,并利用合理的激光雷达和大气参数进行了计算机模拟。模拟结果表明,对于大气后向散射比的测量,夜晚大气高度25km、白天8km以下可以达到5%的精度;大气视线风速测量范围为±40m/s,测量精度在夜晚大气高度5km、白天4km以下时优于5%。     

菲佐测风激光雷达及风速反演算法

 研制了基于菲佐干涉仪的测风激光雷达系统,并使用高斯拟合法和最大似然法反演风速,对两种风速反演方法进行了分析,结果表明：风速较小时,两种方法具有相似的风速反演精度,但高斯拟合法收敛快、受条纹信噪比影响较小;风速较大时,高斯拟合法会由于条纹移出而产生较大误差,而最大似然法在处理风速较大情况时具有优势。实际风速测量时,应根据风速估计值的大小,采用两种方法分别处理大风速和小风速时的情况。最后,使用研制的测风激光雷达系统和风速反演算法,得到了1.5 km以内的大气风速廓线。     

大气后向散射比对风速测量的影响

 采用同时测量Rayleigh散射和Mie散射混合信号的多普勒频移的单边缘技术，探测低空中（<12 km）的大气风速。由于大气后向散射比R_b值的变化，导致测量结果有很大的误差。详细分析了Rb值的变化对风速测量灵敏度及测量结果的影响，并做出了在不同Rb值情况下的风速测量校正曲线。结果表明：随着R_b值的增大，风速测量灵敏度有升高的趋势；随着Rb值偏差的增大，测量的风速误差有增大的趋势；同时，在相同的R_b值偏差情况下，随着径向风速的增大，测量的风速误差也有相应的增大。     

基于双F-P干涉仪的多普勒测风激光雷达的性能分析

 自行研制了一台基于双边缘技术的多普勒激光雷达，用于测量对流层大气风场。该雷达采用具有高光谱分辨率的双Fabry-Perot干涉仪来检测气溶胶后向散射的多普勒频移量。给出了多普勒测风激光雷达的结构和参数。利用干涉仪参数讨论了雷达系统的测量精度。实验测定了双干涉仪的频谱曲线。通过计算和分析，由测量的干涉仪频谱曲线的的标准偏差引起的系统测量误差为0.5 m/s。系统的测量误差随着测量的高度和所测速度的增加在增大，在高度10 km测量50 m/s的风速时系统的测量误差小于2 m/s。     

全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s-1)鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s-1))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s-1大动态范围内风速误差小于1 m·s-1的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。     

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。     

Noise reduction in LOS wind velocity of Doppler lidar using discrete wavelet analysis

The line of sight (LOS) wind velocity can be determined from the incoherent Doppler lidar backscattering signals. Noise and interference in the measurement greatly degrade the inversion accuracy. In this paper, we apply the discrete wavelet denoising method by using biorthogonal wavelets and adopt a distance-dependent thresholds algorithm to improve the accuracy of wind velocity measurement by incoherent Doppler lidar. The noisy simulation data are processed and compared with the true LOS wind velocity. The results are compared by the evaluation of both the standard deviation and correlation coefficient. The results suggest that wavelet denoising with distance-dependent thresholds can considerably reduce the noise and interfering turbulence for wind lidar measurement.     

多纵模激光F-P标准具双边缘测风可行性分析

讨论采用多纵模激光器作探测光源用于双边缘多普勒激光雷达测风的可行性。给出了多纵模激光器谐振腔腔长与边缘滤波器F-P标准具腔长之间的关系。分析了多纵模双边缘测风的主要特性,计算灵敏度、信噪比和径向测速误差,并与单纵模测风性能进行对比。可用类似单纵模测风中动态频率跟踪技术解决多纵模激光器频率漂移问题。     

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.     

Performance comparison of Fabry–Perot and Mach–Zehnder interferometers for molecular Doppler lidar based on fringe-imaging technique

Fringe-imaging Fabry–Perot interferometer (FIFPI) and fringe-imaging Mach–Zehnder interferometer (FIMZI) used as frequency discriminator for incoherent molecular Doppler lidar were analyzed, respectively. For a pure molecular backscattered signal, performances (wind measurement sensitivity and signal-to-noise ratio) of both FIFPI and FIMZI systems were simulated based on the U.S. standard atmospheric model. Comparisons of two systems were made under the same emitting and receiving parameters with certain wind speed dynamic range. Simulated results show that, though relatively lower sensitivity to Doppler shift, the single-channel FIMZI system provides a factor of 1.3 times smaller error in the horizontal wind velocity than that of FIFPI at a range of 20 km. We expect that the FIMZI frequency discriminator would provide an effective technique to improve the measurement accuracy for incoherent molecular Doppler lidar.     

Simultaneous Measurement of Wind and Aerosol Backscattering in the Troposphere by High Spectral Resolution Lidar with Iodine Filter

We propose a high spectral resolution lidar system which is capable of measuring aerosol backscattering and line-of-sight wind velocity in the troposphere. An iodine vapor filter is used to separate the aerosol and Rayleigh scattering components as well as to discriminate the Doppler shift frequency. The performance of the lidar system is estimated with reasonable parameters. The error of horizontal wind velocity below an altitude of 6 km is less than 0.5 m/s, and accuracy of the aerosol backscattering coefficient is better than 40% below 10 km. This system is particularly suitable for the study of aerosol transportation in the troposphere.