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.     

纯转动拉曼激光雷达中阶梯光栅单色仪设计

纯转动拉曼激光雷达测温系统通常根据大气中N2分子高低阶量子数的转动拉曼散射回波信号来反演大气温度,而探测转动拉曼谱的一种有效方法就是采用单色仪。文章阐述了中阶梯光栅单色仪的探测原理和结构,分析了探测谱线的高阶和低阶量子数及对应的拉曼散射波长。通过对中阶梯光栅的分光原理及色散能力分析计算了准直-聚焦系统的焦距,给出了光学系统的设计参数。利用Zemax软件对光路进行了模拟仿真,仿真结果表明:在探测激光波长为532nm的条件下,采用两块中阶梯光栅设计的单色仪,能够将529.05,530.40,533.77和535.13nm的拉曼谱线很好的分开,同时对对称量子数的谱线信号进行求和,增强系统的信噪比。中阶梯光栅单色仪体积较小,利于测温雷达系统的小型化。     

绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.     

基于Fizeau干涉仪的激光雷达测温方法研究

气温是描述大气状态的基本参数之一，温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器，已经用于气象要素的探测中（风、温度、气溶胶的光学厚度等）。目前，测温激光雷达主要有拉曼激光雷达（振动和转动）、共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等，拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器；共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度；基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量，反演温度时需要建立响应函数和校准程序；基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法，时间分辨率较低，并且该方法在测量过程中需要运动部件，所以不利于星载。在大气低层，分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响，两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布，直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度，会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响，所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量，提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量，并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制，从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小，最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外，还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性，利用Matlab软件建立了一套仿真模型，通过模拟表明，在不考虑云、风和水汽含量的影响时，利用该方法测量对流层内的大气温度时，测量误差小于1 K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件，有较高的使用价值，并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。     

水汽探测拉曼激光雷达的新型光谱分光系统设计与分析

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统, 以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统, 实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、 氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取. 利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型, 对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计. 搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测, 并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号, 反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性, 验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到10^-7以上量级. 理论和实验结果表明, 设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时, 实现水汽探测误差小于15%, 满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测. 关键词： 拉曼激光雷达 水汽混合比 大气后向散射比     

纯转动拉曼法确定激光雷达几何因子

提出了一种确定激光雷达几何重叠因子的新方法。研究了大气分子纯转动拉曼谱线强度分布特征。利用大气分子总的纯转动拉曼激光雷达信号结合瑞利-米氏散射激光雷达信号能精确反演激光雷达几何因子。这种方法消除了振动拉曼方法中气溶胶波长指数影响以及水平测量法气溶胶非均匀性的限制。数值模拟结果表明:在大气温度三种分布模型和气溶胶波长指数三种分布模型下几何因子反演的最大相对误差小于0.5%。根据实际激光雷达信号反演得到了系统的几何因子。     

振动拉曼散射信号反演激光雷达几何因子分析

利用研制的探测大气二氧化碳廓线的振动拉曼激光雷达系统采集的氮气分子振动拉曼散射信号,结合激光雷达探测时的大气消光数据,反演求出激光雷达的几何因子曲线。并对气溶胶波长指数变化对振动拉曼信号反演几何因子造成的影响进行分析与估算。气溶胶消光波长指数变化对振动拉曼散射信号反演几何因子会带来较大的误差影响。当气溶胶消光波长指数或其谱分布确定时,振动拉曼散射信号反演几何因子具有简便、可靠等优点,在振动拉曼激光雷达系统几何因子确定中可以充分应用此方法。     

基于三级Fabry-Perot标准具的纯转动拉曼测温激光雷达

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统，即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源，采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用，对532nm激发光的大气Mie-Rayleigh弹性回波散射抑制比可达10^-10,对量子数J=±6，J=±12的N₂纯转动拉曼散射光谱线接收带宽均小于10pm，因此能充分抑制大气背景辐射噪声及O₂纯转动拉曼谱线的干扰，从而实现了单谱线比反演温度，提高了探测精度，且可在白昼探测大气对流层温度.最后通过探空气球测得的对流层温度垂直分布逆向模拟了该系统双通道的Raman信号曲线，证实了该系统的可行性. 关键词： 拉曼激光雷达 纯转动拉曼散射 三级Fabry-Perot标准具 对流层     

基于MAX-DOAS观测大气Ring效应的气溶胶消光廓线反演

Ring效应指大气中O2和N2分子对太阳光的转动拉曼散射导致太阳夫朗禾费线变浅(被填充)的现象。气溶胶能够改变光子在大气中的光程和大气散射性质,进而影响散射次数和转动拉曼散射几率,所以可以通过观测Ring效应强度获取气溶胶信息。研究了一种利用地基多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪器观测反演气溶胶信息的新方法,基于MAX-DOAS仪器在晴朗天气下对大气Ring效应进行观测,结合Mc Artim大气辐射传输模型可以获取气溶胶消光廓线。将MAX-DOAS反演气溶胶光学厚度结果和太阳光度计观测结果进行了对比,一致性较好。研究结果表明,基于地基MAX-DOAS观测大气Ring效应反演气溶胶消光廓线是可行的。     

利用拉曼散射测量燃烧场的组分浓度及温度

介绍了利用拉曼散射测量燃烧流场温度及组分浓度的物理方法和实验测量结果。利用可调谐KrF准分子激光激发振动拉曼散射（VRS）测量了甲烷－空气燃烧火焰内不同空间的主要组分分子（CH4、N2、O2、H2O等）浓度及温度,测量误差小于10％;另外用N2的拉曼谱拟合测量了火焰的温度,测量精度高于5％。在实验中采用了偏振技术及波长调谐提高了信噪比和测量精度。     

New multi-quantum number rotational Raman lidar for obtaining temperature and aerosol extinction and backscattering scattering coefficients

Aerosol and temperature are important parameters for forecasting the weather. Rotational Raman signals of atmospheric molecules and an elastic signal of the molecule and aerosol give good information about the temperature and aerosol extinction and backscattering coefficients. For a rotational Raman signal, we have designed a new kind of lidar signal receiving system which can sum different rotational quantum numbers from J=2, to 9 and J=11, to 20. This integration signal gives a good signal to noise ratio when compared with the temperature lidar system which use an interference filter for a single quantum number. From this new system, we can obtain the temperature parameter and aerosol scattering coefficient with good signal to noise ratio the (SNR) with a normal laser and a small telescope up to several kilometers. Temperature profiles and aerosol profiles show different shapes in different weather conditions. PACS 42.62.Fi; 42.68.Jg; 42.68.Ge; 42.15.Eq; 42.58.Wt     

A pure rotational Raman lidar using double-grating monochromator for temperature profile detection

A pure rotational Raman lidar is constructed for measurements of vertical temperature profiles of atmosphere. A fiber-coupled, double-grating monochromator is used as the filter system so that a high spectral resolution of <0.23 nm and an out-of-band rejection rate of 10⁷ are achieved. Comparison with in-situ measurements indicates that the accuracy of atmospheric temperature measurements using this lidar system is better than 1.1 K up to an altitude of 10 km. Different effects on signal accuracy resulting from various noise sources are analyzed and uncertainties in temperature due to detection noises are estimated.     

日盲紫外域拉曼激光雷达探测大气水汽技术研究

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号，可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱，在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中，多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量，设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出-266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长，采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器，同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统，实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5，283.6和294.6 nm的精细提取。计算仿真结果表明，臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响，主要是探测距离的影响；氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响；水汽通道存在少量太阳背景光噪声，对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明，设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时，可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线，修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收，进一步提升系统的探测能力和探测精度。     

双视场米散射激光雷达探测对流层气溶胶

介绍了自行研制的用来探测对流层大气气溶胶消光特性的双视场米散射激光雷达.该激光雷达采用两个具有独立接收视场的探测通道分别接收高低层532 nm的大气回波信号,可以兼顾低层大视场角低探测盲区和高层小视场角高探测高度的要求.叙述了该雷达系统的总体结构和技术参量以及数据处理方法,给出了合肥地区(东经117.16°,北纬31.90°)大气气溶胶消光系数廓线和对流层光学厚度的探测结果.测量结果表明,该雷达具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征.      

Raman diagnostics of CVD systems: Determination of local temperatures

The suitability of local temperature measurements by cw Raman spectroscopy for the CH₄/H₂ CVD system has been established. The temperature profiles in a model reactor were derived from H₂ pure rotational lines and from hot bands of thev ₁ vibrational band of CH₄. Experimental results are presented for substrate temperatures of 773 K and of 1473 K. High accuracy of measurement and excellent agreement with theoretical solutions for the temperature field within the reactor were found.