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。     

双波长荧光雷达探测大气生物气溶胶的性能分析

生物气溶胶在大气中扩散极易传播和发生各种流行疾病,也是生物武器投放的主要形式,实现生物气溶胶实时、远距离的探测显得尤为重要。构建了一台双波长荧光雷达用于大气中生物气溶胶的预警和识别。该雷达系统采用Nd∶YAG固体激光器作为激励光源,基频1 064 nm、四倍频266 nm作为工作波长。基于激光诱导荧光雷达探测原理,对红外波段的弹性散射信号和紫外波段诱导的荧光信号进行数值分析。结果显示,在探测误差小于10%的情况下,距离为1.0 km时,单激光脉冲测量得到白天和夜晚细菌孢子的最小探测浓度分别为15 100个颗粒·L-1和8 386个颗粒·L-1;当脉冲数累加到10 000时,白天和夜晚的细菌孢子最小探测浓度显著改善,分别为144个颗粒·L-1和77个颗粒·L-1。分析结果还表明,通过红外波段确定细菌孢子云团位置后,为了提高系统对细菌孢子的探测性能,可增加紫外激光脉冲数量,延长荧光信号采集时间。     

不同紫外波段激发生物气溶胶荧光雷达系统性能分析

基于激光诱导生物荧光技术,分别采用紫外355nm和266nm激光作为激发光源,构建生物气溶胶荧光雷达监测系统模型.综合考虑不同激发波段,臭氧吸收以及太阳背景光等因素对激光雷达荧光探测效果的影响,对系统性能进行数值仿真分析.仿真结果表明,在四倍频266nm紫外波段的激光激发下,系统受地表臭氧的影响,白天的有效探测距离非常有限;在系统信噪比为10(SNR=10),臭氧浓度为50μg/L时,最大探测距离仅为300m;而夜间情况下,太阳背景光影响减弱,探测距离约为450m.三倍频355nm激发时,臭氧对系统的探测性能影响较小,夜间探测距离可达750m;白天太阳背景光对355nm的系统影响较大,在相同0.5mrad接收视场角下,其有效探测距离约为330m.为减少白天背景光的影响,将望远镜接收视场角压缩到0.3mrad,同时选用50nm带宽的滤光片,此时系统的探测距离为480m.由于355nm波段的激发荧光受白天太阳背景光的影响较大,在进行夜间探测时才可获得较好的效果;而266nm的激发波段可以很好的抑制背景光影响,能够实现对生物气溶胶的白天有效探测.     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统EI北大核心CSCD

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

核黄素与NADH在紫光波段的激光诱导荧光光谱研究

基于细胞代谢荧光体的激光诱导荧光探测,在生物反应过程监测与生物活性物质探测中具有广泛的应用.本文利用波长可调谐激光光源,结合液体射流进样装置,研究了核黄素与NADH等生物荧光体在紫光波段(389nm～404nm)激发的荧光光谱,并考察了激光强度、样品浓度等参数对荧光光谱特性的影响.实验观察到核黄素的激发光谱在402.5nm处出现“波谷”,具有特征性,选择403.5nm激光激发,核黄素的浓度灵敏度约为NADH的八百分之一.这些结果为发展生物荧光探测与识别技术提供了新的基础数据.     

核黄素与NADH在紫光波段的激光诱导荧光光谱研究

基于细胞代谢荧光体的激光诱导荧光探测,在生物反应过程监测与生物活性物质探测中具有广泛的应用.本文利用波长可调谐激光光源,结合液体射流进样装置,研究了核黄素与NADH等生物荧光体在紫光波段(389 nm～404 nm)激发的荧光光谱,并考察了激光强度、样品浓度等参数对荧光光谱特性的影响.实验观察到核黄素的激发光谱在402.5 nm处出现"波谷",具有特征性,选择403.5 nm激光激发,核黄素的浓度灵敏度约为NADH的八百分之一.这些结果为发展生物荧光探测与识别技术提供了新的基础数据.     

包容性非球形气溶胶粒子的散射特性及其对激光传输的影响研究

针对局部地域大气气溶胶的生成、演化的特点,在分析典型对称结构的包容性非球形气溶胶粒子的形态学特征基础上,利用T矩阵法进行了椭球形粒子含非球形粒子的包容性粒子光散射特性计算和分析.以1 064nm波长激光传输为例分别计算了两种典型分布状况的包容性非球形粒子的散射相函数等散射特性,并针对稠密气溶胶大气路径上激光传输的多散射现象,利用蒙特卡罗方法进行了典型大气状况下包容性粒子多次散射对激光信号大气传输中脉冲展宽的应用分析,在传输3km和5km距离时多次散射效应造成激光脉冲峰值半宽分别为3μs和4μs左右.指出气溶胶的基本散射特性与粒子的形态学特征、尺度因子、化学成分及颗粒密度等有密切的关系,其散射特性对激光信号的大气传输具有明显的影响.     

激光诱导等离子体光谱空间分布特性

激光波长和激光入射角是影响激光诱导等离子体空间分布和光谱强度空间分布特性的重要因素.基于流体动力学和SAHA方程,仿真了激光诱导等离子体的二维空间演化过程,研究了激发等离子体的辐射光谱空间分布特性及激光波长、入射角度等参数对等离子体特征谱线空间分布特性的影响.研究结果表明:波长为1064 nm的激光在不同延时条件下,最佳激光入射角度均为0°.当入射角度为0°时,所激发的等离子体辐射在不同的探测角度处均有较强的光谱信号,且在100,500,1000 ns延时条件下,最佳探测角分别为±41°、±11°和±12°.对于不同的波长,当延时分别为100 ns和500 ns且激光以0°入射时,长波长激光所激发的等离子体光谱在不同探测角处的强度均强于短波长激光.当延时为100 ns时,1064 nm波长激光所激发的光谱在最佳探测角位置的强度约为532 nm和266 nm波长激光所激发的光谱在各自最佳探测角位置强度的2倍.随着探测角绝对值的减小,等离子体辐射光谱强度先增大,到达最佳探测角后强度再减小.入射波长分别为532 nm和1064 nm的激光诱导击穿光谱实验结果验证了仿真结果.     

紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶的技术实现和系统仿真

多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测.     

近距离激光外差探测光学极限位移分辨率

通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数,分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系,修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型,并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真,结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm,激光线宽在1 kHz,探测距离为100 m时,光学极限位移分辨率为0.266 nm,相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.     

双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性

新近研制了一台基于532和1 064 nm的双波长米散射激光雷达(dual-wavelength lidar,简称DWL),用于探测对流层大气气溶胶可见和红外波段的消光特性及其时空分布,同时用于粒子尺度谱垂直分布特征的研究。系统采用4个通道分别用于接收对流层下部和中上部532及1 064 nm的大气回波信号,有效地缩短了获取大气信息的时间。采用窄带滤光片,并借助光阑,将接收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,提高系统的白天探测能力。叙述了雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法。利用该雷达对合肥地区(117.16°E, 31.90°N)上空的气溶胶进行了探测。给出了对流层大气气溶胶532及1 064 nm消光系数的垂直廓线及其时空分布典型探测结果。分析了气溶胶波长依赖指数的空间垂直分布。讨论了对流层大气气溶胶光学厚度月变化。观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好的反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。     

激光告警系统中小型静态傅里叶变换光谱仪的研究

相干激光告警接收机较光谱识别型激光告警接收机有着不可比拟的优点,在相干激光告警中实时可靠地获取敌方来袭激光的光谱细节具有重要意义。文章介绍的基于等效斜楔干涉具和线阵CCD的小型静态傅里叶变换光谱仪,是相干激光告警接收机的重要组成部分,其光学部分由一个等效斜楔干涉具和柱面镜组成,内部不含扫描部件,具有体积小、成本低、结构简单、性能稳定、光谱检测速度快等优点,可以满足脉宽大于等于10 ns脉冲激光信号光谱高速探测的要求。该光谱仪波长范围从400到1 100 nm,波长分辨率小于10 nm。文中详细介绍了该光谱仪的设计方法和关键光学元件的设计原理,进行了相关的性能分析,构建了实验系统,应用该实验系统对7个中心波长分别为635,650 nm等的半导体激光器进行了光谱测试,并将测试结果与使用日本Advantest公司的Q8344A型光谱仪测得的结果进行了比较,得到中心波长平均误差为0.269 nm,绝对平均误差为0.919 nm。波长分辨率最小为1.170 nm,最大为8.845 nm,且有较高的信噪比。     

激光波长对拉曼散射水温遥感系统测温精度及探测深度的影响

机载激光拉曼散射雷达技术可以快速获取次表层海水温度的三维分布,具有重要的实用价值和经济价值.首先,从理论上分析了水的伸缩振动拉曼谱峰值位置和半高全宽与激发波长之间的对应关系,发现随着激发波长的增大,拉曼峰逐渐向长波方向移动,且拉曼光谱半高全宽显著增大.然后,实验测量了不同温度下450 nm激光和532 nm激光激发的水的拉曼光谱,对比验证了上述理论分析结果.并采用单高斯峰拟合法分析了两组拉曼光谱,拟合出高斯峰峰值位置与温度之间的关系,分析了激发波长对温度测量精度的影响.研究发现,采用较长波长的激发光可以提高拉曼光谱的测量精度,从而改善测温精度.最后,建立了拉曼散射雷达方程,分析了拉曼散射系数与激光波长之间的关系,研究了激光波长对雷达系统探测深度的影响.结果表明,激光波长对雷达系统探测深度有很大的影响,采用480 nm以下波长的激光时雷达系统探测深度较大,而采用长波段激光时雷达系统探测深度会大幅降低.实际系统设计中选取激光光源时需要综合考虑上述两方面的影响.     

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。     

多波长激光雷达探测多种天气气溶胶光学特性与分析

设计和构建了波长为355,532和1064nm的多波长米散射激光雷达系统,并研究了多波长激光雷达信号数据处理和反演算法,实现了对地表气溶胶的探测;利用该激光雷达对2013年冬季西安市上空大气进行了探测,研究分析了雾霾天、晴天和有云天气的混合层高度、气溶胶消光特征和粒径分布特征.分析比较了不同波长探测到的混合层高度变化情况.在雾霾天,大气混合层高度与晴天和有云天相比明显偏低,在0.4 km附近,而晴天的混合层高度有0.5—0.8 km.利用长波(1064 nm/532 nm)段和短波(532 nm/355 nm)段两个ngstrm指数分析了不同天气情况下的粒径分布特征.对于近地层气溶胶,雾霾天的长波ngstrm(1064/532)指数小于短波ngstrm(532/355)指数,而晴天与之相反,说明在近地层雾霾有污染的大气中,存在有较多的粗粒子.在云层中,ngstrm指数明显减小,并且出现负值,说明云粒子半径比较大.     

激光波长对水中金属元素激光诱导击穿光谱探测的影响

针对激光诱导击穿光谱(LIBS)在海洋应用中的问题,对1 064和532nm两个激发波长下水中LIBS光谱特性进行探测分析,以比较其烧蚀效果。通过激光诱导等离子体的时间分辨光谱,分析水下等离子体电子密度随时间的演化规律,1 064nm激光诱导等离子体寿命约为1 200ns,而532nm激光激发情况下等离子体寿命仅约为600ns。基于光在水中的传输特性和LIBS的实验结果,建立了获得最佳LIBS探测效果所需的入水前激光脉冲能量Eiopt(r)与探测距离r的关系,并应用到水下原位探测的模拟分析。结果表明,当探测距离不大于5cm时,所需的入水前1 064nm激光单脉冲能量小于100mJ,该激发波长可用于LIBS的水下探测;当探测距离增至10cm时,所需的入水前532nm激光单脉冲能量只需30mJ左右。因此,当原位探测距离增加时,则需考虑选择532nm激光作为烧蚀光源。     

拉曼-荧光联合光谱水下原位探测技术研究

深海热液环境中存在着巨大的化学和热梯度,快速剧烈的混合和生物过程产生了多种多样的矿物过程,并培养了大量的化学合成微生物。激光拉曼光谱非常适合于深海热液环境矿物过程的探测,然而要对矿物与微生物作用过程进行研究,还需要与荧光光谱技术进行联合,针对此需求开展了原理验证实验研究。在实验室搭建了一套拉曼-荧光联合光谱探测桌面系统,利用一台双波长激光器同时作为拉曼光谱和荧光光谱的激发光源,其中拉曼光谱采用532 nm波长,荧光光谱采用266 nm波长,双波长激光器发出的光束经分光镜分为两路,经过后向散射光路收集的两路信号分别进入两个小型光纤光谱仪进行分光探测,拉曼光谱采用QE65000光谱仪,荧光光谱采用USB2000光谱仪,通过软件可以方便的分别设置两个光谱仪的参数。利用搭建的实验系统对海水和拟菱形藻样品进行探测,分别获得了海水样品的SO2-₄拉曼光谱和可溶性有机物(CDOM)荧光光谱,拟菱形藻样品的类胡萝卜素拉曼光谱和类蛋白、叶绿素等荧光光谱,实验结果证明了研制小型拉曼-荧光联合光谱探测装置的可行性,并为发展原位联合光谱探测装置提供了技术参考。     

紫外域激光雷达探测西安城区上空大气气溶胶时空剖面

开发了一套紫外域波长的米散射激光雷达系统,探测西安城区上空大气气溶胶污染物质的光学特性及时空变化.系统选用对人眼较为安全的355 nm波长激光作光源,采用高光谱分辨率光栅,并借助光阑,将接收到的主要大气回波信号谱线（米散射和瑞利散射光谱与白天太阳背景光）从空间分离,剔除大部分太阳背景噪音,提高系统的白天探测能力.通过对西安城区上空的气溶胶时空变化特性进行24 h连续观测,采用Klett方法反演得到气溶胶消光系数,首次测得西安城区不同时刻消光系数的高度分布剖面图以及24 h内气溶胶相对质量密度的时空变化特性.     

新型LED光源气溶胶探测雷达系统优化设计与初步实验

为了实现近地面、多波长气溶胶时空探测,克服激光波长可选择性不足的问题,利用LED丰富的光谱特性,设计了一种新型发光二极管(LED)光源雷达。LED能量小且发散角大,其出光能量、发散角、接收视场角和几何重叠因子都会对LED光源雷达探测距离产生影响。针对共轴LED光源雷达系统的特点,分析了几何重叠因子的特征和计算方法,详细讨论了光源发散角和接收视场角对几何重叠因子的影响。结合LED光源的特点,利用美国标准大气模型对雷达系统的探测能力进行了仿真,优化了光源发散角和接收视场角,在LED能量一定的情况下获得了最大的探测距离。搭建了LED光源雷达系统并完成了初步实验观测,结果表明该雷达夜晚能够接收到240m远处的大气回波,验证了雷达探测低层大气气溶胶的能力。