二氧化硫-臭氧-气溶胶多波长差分吸收激光雷达同时观测

利用多波长差分吸收雷达同时观测Miyakejima(34°04′22″N,139°31′40″E)火山爆发在对流层产生的SO2、O3以及气溶胶。此观测技术通过合理选择激光波长对((288.83nm,289.83nm),(288.10nm,289.83nm))能消除观测数据中由于SO2、O3的吸收以及气溶胶散射导致的相互影响,提高观测精度。用波长对(288.10nm,289.83nm)测量O3的浓度,然后再用实测O3所产生的吸收矫正其对SO2观测(使用波长对(288.83nm,289.83nm))浓度的影响;气溶胶消光系数通过实测弱吸收波长回波信号(或由532nm的单波长回波信号)直接反演所得,并用来矫正气溶胶对SO2、O3观测产生的散射和消光误差;介绍了实验之前用于测试光路调试的定标误差分析,以及由于激光能量和实测大气的不稳定产生的统计误差。实测火山爆发产生的对流层二氧化硫的浓度高达45ppb,测量误差小于10ppb,远远大于通常情况下二氧化硫的本底浓度1ppb;长期观测对流层臭氧的浓度约为45ppb,在2000年冬季对臭氧进行了时间为半个月的连续观测,最高浓度达250ppb,该高浓度臭氧可能来自于平流层的传输,该数据有助于研究对流层顶与平流层底交接区的大气运动。     

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.     

短波红外成像系统对激光光斑探测能力分析

通过短波红外探测器灵敏度、目标和环境探测输出信噪比、对比度等分析,计算给出不同大气能见度、环境照度条件下,短波红外热像对外界景物和激光光斑的探测距离,并对理论分析进行试验验证。结果表明,在大气能见度1 km~3 km、环境照度1 lx~1 000 lx、阈值信噪比2.25~10、阈值对比度0.01~0.02的条件下,短波红外热像对激光光斑探测距离为0 km~3.5 km。     

L625差分吸收激光雷达探测对流层臭氧

介绍了用于探测对流层大气臭氧的L6 2 5差分吸收激光雷达系统 ,叙述了该激光雷达的结构、探测大气臭氧的原理和数据处理方法。利用波长对 2 89～ 2 99nm和 2 89～ 30 8nm对合肥上空中、上部对流层的臭氧进行了对比测量。测量结果表明 ,这两对波长的测量结果差别约在 10 %左右。分析了 2 89～ 30 8nm波长对测量臭氧的结果和误差。 10km以下 ,2 89～ 30 8nm波长对测量的对流层臭氧统计误差绝对值一般小于 2× 10 11molecules/cm3 ,忽略气溶胶影响引起的相对系统误差一般小于 4 %。给出和分析了合肥地区对流层 5～ 15km臭氧柱含量的季节变化特征 ,柱含量最大的月份一般出现在第二季度 ,柱含量最小的月份一般出现在第三季度。     

基于本征荧光的生物气溶胶测量激光雷达性能

为研究本征荧光对生物气溶胶粒子探测精度的影响,本文在阐述生物气溶胶荧光光谱信号探测原理的基础上,设计了一台紫外激光诱导荧光雷达.该雷达选用波长为266 nm的四倍频固体激光器作为激励光源,基于本征荧光波长、探测距离等主要参数,对生物气溶胶荧光光谱回波信号的信噪比及粒子浓度的最小分辨率进行数值仿真分析.仿真结果表明,在探测误差小于10%的情况下,距离为1.5 km时,系统对生物气溶胶荧光波长的有效探测范围为300—800 nm;而在距离为2.1 km时,荧光波长的有效探测范围为300—310 nm.此外,在探测距离定义为0.1 km,荧光波长为350和600 nm时,系统对物气溶胶粒子浓度的最小分辨率分别为2个颗粒/L和4个颗粒/L,最小分辨率的差值为2个颗粒/L.仿真结果有利于了解荧光波长变动时激光雷达系统的探测准确度,进而实现大气生物气溶胶更加有效的探测.     

基于回波信号仿真的瑞利-喇曼-米激光雷达研制

 在分析瑞利、喇曼和米散射仿真回波信号的基础上,研制了一台探测大气温度、气溶胶和卷云的瑞利-喇曼-米散射激光雷达,实现了一台激光雷达针对大气温度、气溶胶和卷云光学特性的多参数探测。为提高瑞利和喇曼微弱回波信号信噪比,采用了极高灵敏度的R4632光电倍增管和光子计数技术;为实现对大气气溶胶和卷云的探测,532 nm回波信号采取高低分层技术、高层通道回波衰减方法和探测器门控技术。瑞利-喇曼-米散射激光雷达的探测结果证明了利用仿真回波信号指导激光雷达设计的可行性。     

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。     

化学发光法大气氮氧化物浓度自动分析仪中光信号探测模块温控系统设计

化学发光法是测量低浓度的大气氮氧化物含量的有效方法,可用于24h连续自动分析的大气环境监测系统。然而该方法需要高温转换室、高压臭氧发生模块、高温反应室等模块,使得仪器内的环境分布极为复杂,仪器在长时间运行后容易出现灵敏度下降、信噪比降低等现象。针对上述现象,设计了用于仪器的光信号探测模块的温度控制系统。该温控系统基于PID控制原理,通过AVR单片机ATMEGAl6对半导体制冷片（Ther—mo—ElectricCooling,TEC）的闭环控制来实现温度的精密控制。实验结果表明,该系统可以使光信号探测模块的温度控制在5℃±0．1℃,光电倍增管的暗噪声从25℃时的363个／s下降到5℃时的8个／s光子数,噪声波动标准差也从22降到3,能够很好地满足系统对信号探测稳定性的要求。     

Fernald前向积分用于机载激光雷达气溶胶后向散射系数反演的理论研究

初步反演结果表明,Fernald前向积分法(FFIM)能够用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演,但相应的理论解释没见国内外相关文献报道.根据合肥地基大气探测激光雷达2008年2月27日的探测数据模拟得到的机载激光雷达数据,对FFIE用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演结果进行了定量分析,分析表明:当反演标定点的高度选在10 km左右时,FFIM能够用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的主要原因有3个:1)Fernald前向积分方程(FFIE)分母中两项的差值一般远大于零, 关键词： 大气光学 Fernald前向积分法 机载大气探测激光雷达 气溶胶后向散射系数     

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。     

北京限行期间大气污染物的DOAS监测与分析

摘要：利用差分光学吸收光谱（DOAS）技术于2007年8月对北京市朝阳区大气污染物进行了实时监测,对大气中重要常规污染物NO2、SO2和O3的日变化特征、与天气条件之间的关系和各污染源进行了分析和探讨。通过分析污染物在“好运北京”奥运限车期间（8月17～20日 ）与限车前后（8月16、21日）的浓度变化,对机动车限行效果进行了讨论。结果表明,监测点NO2主要来源于汽车尾气,以凌晨和上午时段污染最重,并对O3的来源有着一定的贡献;SO2主要来源于西南方向的污染源,较强风速时北风有利于其浓度的降低;结果还显示机动车限行可有效降低NO2 、SO2浓度,分别达到28.34％和25.87％;但是因导致O3被消耗量降低,致使O3浓度上升。     

基于车载多轴差分吸收光谱技术对城市NO2污染分布和排放评估研究

二氧化氮（NO₂）在大气光化学中发挥着重要作用,不仅参与了对流层臭氧（O₃）的催化生成,同时也能促进生成二次气溶胶。NO₂作为交通运输和工业过程中的重要排放产物,通常也被视为一种评估人为污染源排放的指示物,因此,开展城市NO₂分布与排放研究对于城市大气污染管控与治理具有重要意义。2018年1月和2月期间,基于车载多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）对衡水市区开展了4次走航观测实验,获取了衡水市区环城路上对流层NO₂垂直柱浓度（VCD）的空间分布,其浓度范围为0.89×1015~56.33×1015 molecule·cm-2,均值在22.42×1015~30.20×1015 molecule·cm-2。观测结果表明衡水市NO₂污染源主要分布在城外东南方向的工业聚集区,以及市区环城路东部的立交桥路段;而城市西部和北部则较为干净,当风场来自该区域会对污染源区起到一定的清洁作用,可使源区NO₂浓度降低20%以上。航测期间进行了站点对比观测,综合两者的观测结果评估了衡水市东部污染区域的相对贡献,其NO₂含量比西部洁净区域高出了30.1%~61.9%、贡献值高7.89×1015~13.32×1015 molecule·cm-2。将NO₂城市分布与WRF模式模拟的气象数据相结合,可计算出目标区域的NO₂本地排放通量为0.86×1024 molecule·s-1,该结果相对较低,一方面说明衡水市区相对于其他研究区域,其NO₂污染源并非在集中在市区内部;另一方面是因为本次实验研究区域的面积仅有50 km2,远小于其他研究的城市区域范围。对于实验测得的衡水市区输出总通量,其中96.16%来源于外部传输,3.84%为本地排放造成,进一步证明了衡水市NO₂主要污染源位于城外。通过实验期间衡水市区的后向轨迹气团与OMI卫星的NO₂平均结果可看出,衡水市除城市东部和东南部的本地污染源外,也受到了北部的保定、廊坊和西北部的石家庄等地的污染传输影响。总体来看,车载多轴差分吸收光谱技术对于城市NO₂等污染气体的源区确认、污染贡献评估和排放通量计算方面有较出色的应用前景。     

城市污染气体分布的车载被动差分光学吸收光谱遥测技术研究

介绍了一种基于被动差分光学吸收光谱(differential optical absorption spectroseopy,DOAS)技术探测城市上空污染气体分布的光学遥测方法.采川安装在汽车上的被动DOAS系统对所测城区进行连续测量,通过DOAS拟合方法处理采集的太阳散射光谱,获得测量点上的污染气体柱桁度.同时利用此车载DOAS技术对深圳城区进行了连续六人的观测实验,得到了深圳市上空SO<,2>,NO<,2>的空间分布信息.从脱测结果发现,深圳市西边的污染较东边严重,SO<,2>西边浓度均值约址东边的2.0倍,NO<,2>约为3.6倍.并把柱坝光点测量的乍载DOAS结果与此站点的点式仪器测量结果对比,两种仪器的测镀结果具有相关性,SO<,2>的相关系数R<'2>=0.86,NO<,2>的相关系数R<'2>=0.57.实验结果表明车载DOAS的光学遥测方法为城市污染气体分布快速测量提供了一种有效的手段.     

基于车载便携式DOAS对工业园区SO_2,NO_2和苯的走航观测

介绍了自行研发的便携式DOAS系统,该系统基于差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS),并结合了光纤光谱仪和多次反射池技术。通过采用SO_2标准气体和NO_2标准气体对系统的精确度及稳定性进行测试,利用该系统对铜陵市某工业园区的SO_2,NO_2和苯等污染成分开展了走航观测实验。结果表明,在整个测量期间,以上污染气体在近污染厂区显示了较高的浓度值,SO_2的最高浓度为5 023.2μg·m~(-3),NO_2为2 195.2μg·m~(-3),苯为162.5μg·m~(-3)。在吸收光程为12.6m时,系统对SO_2,NO_2和苯的最低检测限分别为67.0,169.9和30.6μg·m~(-3)。该便携式DOAS系统可为工业园区气体泄漏、无组织排放等气态污染物的应急性及监督性监测和评估提供便捷、有效的技术手段。     

SO2气体排放的紫外成像遥感监测

工业烟囱及船舶尾气中SO2气体排放是造成大气污染的重要因素。SO2容易被氧化生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶,产生酸雨,严重危害大气生态环境平衡及人类健康。现有的SO2光学遥感测量技术,如拉曼散射激光雷达、差分吸收激光雷达(DIAL)、傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、紫外差分吸收光谱(DOAS)、高分辨光谱成像等,难以兼顾气体污染监测对高时间分辨率、高空间分辨率以及便携机动等应用需求。近年来,紫外SO2相机成像探测因探测精度高、实用性强得到迅速发展,该技术时间分辨率高、空间分辨力强,能从解析图像中直观在线获取污染气体浓度在空间的二维分布及随时间的排放率,对于监测环境污染有重要作用。基于紫外SO2相机成像探测技术,围绕SO2柱浓度探测的测量原理及影响因素、仪器设计及实验方法、反演算法及结果比对等方面开展研究。取得的成果主要有:(1)利用窄带滤光片的窄波窗口,用紫外相机测量310 nm附近的SO2紫外吸收,建立了紫外成像遥感监测理论模型,介绍了紫外成像遥感检测获取SO2浓度图像的测量原理;(2)将滤光片放置镜头前后,讨论了不同入射角对滤光片中心波长及透过率曲线的影响,发现滤光片放置镜头后,相机系统对SO2的灵敏度受入射角影响更小,对SO2浓度图像的反演误差更小;(3)分析了太阳高度角对SO2浓度图像反演的影响,阐明了SO2浓度反演曲线实时校准的不可或缺性;(4)通过理论分析设计出了紫外成像遥感探测装置,开展了基于紫外成像遥感监测SO2气体排放的实验研究,通过2-IM法拟合出了人工天空背景,获得了SO2光学厚度图像,利用标准泡进行校准,反演出了SO2浓度图像;(5)采用DOAS技术对SO2气体排放进行监测,与紫外成像遥感获得的SO2浓度进行对比表明,两方法实验结果所计算得到的浓度信息趋势相一致,从而证明紫外成像遥感监测技术测量结果的准确性,同时展现了该技术在工厂烟囱及船舶尾气污染排放遥感监测中的巨大应用前景。     

基于微型光纤光谱仪的DOAS系统对大气中NO2,SO2和O3的监测研究

提出了将基于微型光纤光谱仪的DOAS系统用于空气中NO2、O3和SO2的监测,并对系统的性能包括探测器的偏置、暗电流、噪声和线性以及光谱仪的的光谱分辨率和杂散光进行了测试.在2006年3月合肥郊区用该系统对NO2、O3和SO2进行了连续观测,测量结果与购买的商用仪器DOAS2000（美国热电公司）的测量结果具有很好的相关性.结果显示该系统灵敏、简单易操作、并具有高时间分辨率的优点,非常适用于NO2、O3和SO2的连续观测.     

High spatial and temporal resolution mobile incoherent Doppler lidar for sea surface wind measurements

A mobile Doppler lidar based on an injection-seeded diode-pumped Nd:YAG pulsed laser with a high repetition rate was developed to measure the sea surface wind (SSW) with high spatial and temporal resolution. The system was operated during the 2007 Qingdao International Regatta to measure the distribution of SSW in the racing area in real time with 50-100 m horizontal resolution and 2-10 min temporal resolution. An observation of nonuniform distribution of SSW is presented. The lidar results are compared with both buoy and wind tower measurements, which show good agreement. This lidar can be used advantageously for the 2008 Olympic sailing games as well as for observing mesoscale and microscale meteorology processes.     

车载测污激光雷达对大气边界层气溶胶的斜程探测

利用自行研制的车载测污激光雷达系统 (AML 1)对大气边界层气溶胶进行了斜程探测 ,并给出了与之相应的数据处理方法。将该雷达相近时间内斜程测量与垂直测量的数据进行对比 ,结果表明此斜程探测及数据处理方法是合理可行的。文中列举了某斜程方向 (2 0°天顶角 )气溶胶随时间的演化图 ,以及某垂直剖面内气溶胶消光系数二维扫描图 ,这些典型结果很直观的反映了气溶胶时、空分布情况 ,对实现连续、实时、大范围污染监测有重要意义。     

车载二氧化硫差分吸收激光雷达系统

研制了一套探测低层大气二氧化硫的车载可移动激光雷达系统.该系统选用的差分波长对为300.05nm和301.50nm.光源采用两台Nd…YAG激光器分别泵浦两台窄线宽染料激光器经过倍频来获得.激光经过合束、扩束后与望远镜同轴发射.后向散射信号被近牛顿式望远镜接收后,通过光电倍增管转换为电信号,然后被数据采集卡采集,最后用来反演二氧化硫分布廓线.在淮南地区进行了针对近地面水平探测的外场实验,结果表明,在0.8~3.0km范围内,当晚二氧化硫浓度在20μg·m-3上下波动,气象部门地面仪器结果为18~22μg·m-3,实验结果与仪器结果具有可比性.