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。     

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。     

机载激光雷达沙尘探测能量优化配置的统计研究

依据美国ANSI标准,结合1999~2004年间地基激光雷达探测的合肥地区沙尘暴消光廓线,统计分析了机载大气探测激光雷达探测沙尘时偏振532 nm垂直通道和1064 nm通道所需的最小激光能量,模拟计算了机载大气探测激光雷达探测沙尘暴时在0~12km高度范围内不同激光束发散角和激光脉冲能量比例的532 nm和1064 nm激光脉冲眼睛安全最大阈值能量。以合肥地区沙尘暴消光特性的统计结果、地面人眼安全标准和两个"瓶颈"通道的探测能力为依据提出两种激光脉冲能量配置方案。     

大气光学遥感监测技术现状与发展趋势

针对开展环境空气中的痕量污染气体监测研究的需求,综述了目前应用较广的光谱遥感监测技术。阐述了利用光学遥感技术监测大气环境的工作原理,详细介绍了几种主流的大气监测技术,包括傅里叶变换红外光谱技术,差分吸收光谱技术,激光长程吸收技术,可调谐激光二极管吸收光谱技术,差分吸收激光雷达技术,指出了上述监测方法的特点并对它们的优缺点进行了分析与比较。     

紫外域波长选择对全天时水汽拉曼激光雷达探测性能的影响

Nd∶YAG激光器三倍频输出的354.7nm光和四倍频输出的266.0nm光都位于紫外波段,都可作为水汽拉曼激光雷达的激励光源;从水汽拉曼激光雷达系统的实际建设出发,分别从后向散射系数、消光系数、大气透过率、臭氧吸收和太阳背景噪声等方面对激光雷达系统的探测性能进行分析,探讨354.7nm和266.0nm激光光源对拉曼激光雷达开展全天时大气水汽探测的影响。结果表明:在水汽探测中,266.0nm及其对应的氧气、氮气和水汽拉曼波长均位于日盲紫外区内,不受太阳背景噪声的影响,但会受到臭氧吸收的影响;354.7nm波段无臭氧吸收,但会受到太阳背景噪声的影响;在分光系统参数一致的情况下,激光雷达系统选用266.0nm波段激光光源时,白天水汽的有效探测距离为2.7km,选用354.7nm波段激光光源时,有效探测距离仅为0.6km;日盲紫外波长的选择可有效提高白天水汽拉曼激光雷达的探测距离,实现水汽的全天时探测。     

差分吸收激光雷达回波信号统计模型的研究

差分吸收激光雷达回波信号统计模型是研究差分吸收激光雷达系统的基础,但是现有的统计模型中均没有考虑大气湍流导致的激光闪烁对回波信号的影响。针对已有统计模型的缺陷和应用需要,综合考虑了大气湍流导致的激光闪烁、目标反射斑纹、接收噪声以及发射功率波动对回波信号统计特性的影响,提出了一种改进的长程差分吸收激光雷达回波信号统计模型,分析了该模型的统计特性。仿真结果表明大气湍流导致的激光闪烁对回波信号统计特性的影响十分显著,同时也验证了该统计模型比已有统计模型更精确、更符合实际。     

基于激光强度分布的激光雷达重叠因子计算及其敏感性分析

激光雷达系统是一种功能强大的遥感设备,具有较高的时空分辨率和精度,广泛应用于区域或全球尺度的大气探测。重叠因子是影响激光雷达系统探测近距离大气的一个重要因素,对其进行精确的计算有利于获得准确探测结果。基于激光强度分布的重叠因子计算方法具有简单实用的特点,可应用于任意指定激光强度分布和不同系统参数的激光雷达重叠因子求解。利用该算法对重叠因子进行了计算,并与实验法测量得到的重叠因子进行了对比分析。重点分析了重叠因子对各个参数的敏感性。分析结果为指导激光雷达的系统调试、优化配置和误差控制提供了一定的参考。     

相干多普勒测风激光雷达

 鉴于多普勒测风激光雷达在航空航天、遥感遥测、气象观测等军事及民用领域中的广泛应用,结合相干探测工作原理,介绍了国外几种典型波段相干多普勒测风激光雷达系统,重点分析了激光发射机/接收机、空间扫描、数据处理等关键技术,并对相干多普勒激光雷达的广阔应用前景进行了展望。指出国内相干多普勒测风激光雷达研究已取得的一些重要进展。     

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.     

全光纤差分吸收激光雷达大气成分探测精度分析

为了提高全光纤差分吸收激光雷达的探测精度,研究近距离探测条件下使用光环形器的差分吸收激光雷达,这对提高气体探测精度具有重要的意义。分析了差分吸收激光雷达的探测精度与激光回波能量测量的关系,发现近距离条件下的气体探测精度将会受到环形器"串音"的影响,分析了不同探测高度下串音对探测精度的影响程度。结合CO2浓度探测的实例并通过仿真计算,得到了信噪比与探测相对误差随探测高度的变化曲线。结果表明,环形器中存在的"串音"会干扰激光回波信号,对探测信噪比与精度产生严重影响。该研究对设计与完善全光纤差分吸收激光雷达系统具有重要的借鉴意义。     

MALT-CLS方法在大气痕量气体FTIR定量分析中的应用

对MALT-CLS方法在大气痕量气体FTIR定量分析中的应用进行了研究,介绍了一些定量分析的实验,如长光程怀特池、机载被动遥测。该方法的特点是其校准光谱是采用MALT程序通过计算HITRAN数据库中吸收线参数、环境参数和仪器参数而得到。它尤其适用于无法采用样品池来产生校准光谱的长光程开放光路和以太阳、天空、地物为背景的被动FTIR测量。     

滇中三类典型地表植被的机载高光谱特征分析

高光谱遥感技术因为具有图谱合一的优势,并且相较于传统多光谱遥感技术,可以实现对目标的精确识别,逐渐运用于地表植被的探测。选择以滇中地区的竹林、华山松、杂木林这三类典型地表植被为研究对象,基于机载高光谱影像数据,通过对原始高光谱、一阶微分处理光谱、连续统去除处理光谱进行处理与对比分析,获得滇中三类典型地表植被类型高光谱特征的初步探测认识。主要结果包括：(1）基于对原始光谱特征分析得出,三类典型地表植被的原始高光谱的最佳波段窗口出现在690~946 nm,且在该波段范围内光谱反射率特征为竹林>华山松>杂木林;(2）运用一阶微分处理光谱特征分析得出,利用光谱微分变换处理能够增强植被的光谱差异。经过一阶微分处理后光谱的最佳波段窗口出现在670~774 nm,在该波段范围内的一阶微分系数为竹林>华山松>杂木林。且发现718 nm为三类植被的敏感波段,即可用718 nm敏感特征波段区分开三类植被类型;并且综合运用一阶微分光谱特征参数中的红边位置,蓝边幅值、黄边幅值、红边幅值、蓝边面积、黄边面积和红边面积可以将三类植被类型进行区分;(3）最后基于连续统去除处理光谱特征分析得出,连续统去除方法能够有效地增强植被光谱曲线反射和吸收的特征。经过连续统去除处理后的光谱,三类典型植被的最佳波段窗口在458~554和570~690 nm,这两个波段范围内的连续统去除系数均为竹林>华山松>杂木林,且发现502和674 nm为三类典型植被的敏感波段,即可用此特征综合区分三类植被类型。该研究结果有助于对滇中森林植被精细判别提供技术方法,同时,为今后发展天-地-空的高光谱影像数据一体化遥感植被精细分类提供技术支撑。     

Polarized Lidar Reflectance Measurements of Vegetation at Near-Infrared and Green Wavelengths

There is growing interest in the use of lidar for remote sensing of vegetation owing to the emergence of reliable and rugged lasers and highly sensitive detectors. Lidar remote sensing has a distinct advantage over conventional techniques in vegetation remote sensing due to its capability for three-dimensional characterization of vegetative targets. The Multiwavelength Airborne Polarimetric Lidar (MAPL) system was developed primarily for vegetation remote sensing applications from an airborne platform of up to 1,000 -m altitude. The lidar system has full waveform capture and polarimetric measurement capability at two wavelengths in the near-infrared (1064 nm) and the green (532 nm) spectral regions. This study presents preliminary ground-based lidar reflectance measurements on a variety of deciduous and coniferous trees under fully foliated conditions with a view towards tree species discrimination. Variations in the reflectance characteristics of selected deciduous trees under unfoliated and fully foliated conditions were also investigated. Our study reveals distinct differences in the reflectance characteristics of various trees.     

Optical monitoring of volcanic sulphur dioxide emissions—comparison between four different remote-sensing spectroscopic techniques

The emissions of sulphur dioxide from the Italian volcanoes Mt. Etna and Stromboli were studied in ship-borne underpasses of their plumes. Four different optical spectroscopy techniques were used and inter-compared. All techniques utilise the absorption signature of the gas in the wavelength region of around 300 nm. A differential absorption lidar was employed in active gas concentration assessment. In parallel, a differential optical absorption spectroscopy system (DOAS) provided spectrally resolved absorption spectra. In one configuration the DOAS used a vertically looking telescope and the absorption of the sky-light was studied, while a different DOAS implementation utilised the sun disc as the light source in slant-angle, long-path absorption measurements. Parallel measurements with the customary correlation spectroscopy method were also performed. Path length Monte Carlo simulations of the down-welling radiation through the volcanic plume at different sun altitude and azimuth angles have been performed taking into account also the effects of other geometric parameters as the plume height and extension. The results are discussed with special emphasis on systematic effects due to scattering.     

实用化拉曼光谱水下温度遥测系统研究

海水水下温度测量对研究海洋环境和气候监测及自然灾害的早期预报等十分重要。利用蓝绿激光在海水中良好的透射性,拉曼光谱技术可应用于大面积海水水下温度的快速遥感监测。但目前能够实现现场连续水温监测功能的实用化拉曼光谱水温遥测系统还尚未见报道。研制了实用化低成本的拉曼光谱水下温度遥测系统,开发了光谱实时采集和数据处理软件。数据处理中结合了面阵CCD的空间累加与时间积分及本底扣除算法,有效增强了拉曼光谱的信噪比和光谱系统的探测灵敏度。为了提高实际测温精度,以短波段拉曼谱的面积(S_HB)与长波段拉曼谱的面积(S_NHB)之比作为光谱信标与水温建立关系,研究了测温精度与光谱积分范围和拟合阶次的关系。实验测量了五百多组不同水温的拉曼光谱,分别选用比值S_HB/S_NHB和S_NHB/S_HB与水温进行线性拟合和二阶多项式拟合。研究结果显示,分界波长对面积比值变化范围影响很大,而拟合阶次对面积比与温度的拟合关系的准确度影响很大,两者最终都影响水温测量误差。为了更客观地反应不同面积比法、分界波长和拟合阶次对水温测量误差的影响,分析了温度测量误差与不同分界波长的关系。结果显示,温度测量误差受分界波长影响较小,受面积比法和拟合阶次影响较大;相同情况下2阶多项式拟合结果优于相应的线性拟合结果;而采用比值S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合时测温精度较高,且拟合参数易于调整。进一步研究了不同面积比方法和分界波长对系统抗干扰性能的影响。研究结果显示,比值S_HB/S_NHB法抗干扰能力随分界波长减小而减小,而比值S_NHB/S_HB法抗干扰能力随分界波长减小而增大。上述研究结果提高了温度反演算法参数设置的合理性和拉曼散射系统测温精度及系统抗干扰能力。综合考虑上述研究结果,数据处理中设定649.3 nm作为分界波长计算拉曼光谱面积比S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合。最后通过实验检验了拉曼光谱水下温度遥测系统的连续实时测温能力和测温精度。结果显示,拉曼光谱系统测温值与高精度同步温度传感器测量温度一致,最大测温误差为±0.5 ℃,测温误差的标准差约0.21 ℃。     

Density Functional Theory Study of Infrared and Ultraviolet Spectra of Urea L-Malic Acid

用密度泛函理论研究了新型二阶非线性光学晶体-L苹果酸脲.采用一些密度泛函理论方法计算了分子结构,比较得出PBEPBE/6-31+G(d,p)是计算分子结构的一种最佳的方法,然后给出了其红外和紫外可见光谱,并与实验结果作了比较,还结合分子轨道布局分析了紫外可见光谱. 同时结合极化连续模型利用密度泛函理论方法研究了L苹果酸脲在水中的几何结构及红外和紫外可见光谱,并指出了溶剂化效应对其性质的影响.     

Effect of Water Vapor Absorption on Measurements of Atmospheric Nitrate Radical by LP-DOAS

利用长程差分吸收光谱技术进行大气NO3自由基测量时,水汽的强烈吸收叠加在测量光谱中,对NO3的精确反演和探测限带来较大的影响. 通过分析水汽吸收的非线性效应,建立了一种去除水汽影响的有效方法. 通过测量日间大气吸收谱,并考虑日间水汽与夜晚水汽变化量,一同参与数据拟合,结果表明该方法可以有效地去除水汽吸收的影响. 把该方法应用于在珠三角外场实验中,获得了好的效果,探测限达到3.6 ppt。     

New algorithm of white-light phase shifting interferometry pursing higher repeatability by using numerical phase error correction schemes of pre-processor, main processor, and post-processor

White-light phase shifting interferometry (WLPSI) is frequently used for the precision measurement of 3D patterns in various fields. Phase error is one of the most dominant errors in WLPSI, and it is mainly generated by the scanner positioning error and mechanical vibrations. In this paper, phase error detection method by image analysis is proposed, and the numerical correction method for minimizing the phase error is also proposed. The image reconstruction method (IRM), iterative IRM (IIRM) as pre-processors, partial IRM (PIRM), least squares method (LSM) as a main processor, and surface compensation method (SCM) as a post-processor were developed for correcting phase errors. The five methods are implemented and simulated, and the pros and cons of each method are explained.Mirau type interferometry and the phase error generator using a PZT stage were used, and the measurements by WLPSI were done under various vibration conditions. The captured images were analyzed by the five correction methods, and the results were compared. Phase error was effectively minimized by the correction methods, and repeatability of 0.2 nm was obtained in the case of the specimen of 500 nm in height. Repeatability of 10 nm was obtained by conventional WLPSI algorithms for the same specimen.     

土壤Cd含量实验室与野外DS光谱联合反演

土壤重金属高光谱遥感建模理论上能够大大降低传统化学分析测定所需成本,正逐步发展为有效探查土壤污染空间分布与开展污染土壤综合防治的关键技术。然而土壤重金属高光谱遥感调查技术目前多局限于稳定可控条件下的实验室光谱模型,野外诸多因素（光照、湿度、土壤粗糙度等）影响下野外原位光谱模型的有效性已成为困扰该项技术大范围推广亟待突破的关键科学问题。以湖南衡阳市某矿区为例,分别利用ASD地物光谱仪和等离子发射光谱法测定46个土壤样品350~2 500 nm的实验室光谱和Cd含量,并在土壤取样时同步测量样品野外原位光谱。在运用DS（direct standardization）转换算法处理野外光谱的基础上,融合实验室光谱先验知识,基于主成分逐步回归建模方法开展了土壤Cd含量实验室与野外原位DS光谱联合反演实验,交叉验证了模型的稳定性。同时为深入探究实验室与野外原位DS光谱联合反演模型的有效性,将其与基于实验室光谱、野外原位光谱、野外原位DS光谱、实验室与野外原位光谱联合建立的主成分逐步回归模型开展了对比分析。结果表明：野外原位光谱反演模型精度（R2=0.56）明显低于实验室光谱反演模型（R2=0.64）,野外原位DS光谱反演模型与之相比精度有所提升（R2=0.66）;在野外原位光谱DS转换校正基础上,联合实验室光谱先验知识的土壤Cd含量反演模型精度最高,R2可达0.72。与此同时,实验室与野外原位DS光谱联合反演模型揭示482,565,979和2 206 nm波段对研究区土壤Cd含量有较好指示性,此结果与实验室光谱反演模型所识别的特征波段一致,两者物理意义相同。研究结果证实了实验室光谱先验知识以及DS转换算法能够提升野外原位光谱模型的可靠性,可为发展土壤Cd含量野外原位高光谱遥感探测提供重要的提供理论与方法支撑。     

A highly-sensitive automatic transient laser-induced breakdown spectroscopy system with high temporal and spatial resolution

A highly-sensitive automatic transient laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS) system is designed and integrated.It successfully avoids the delay time selecting problem in the conventional LIBS system,and realizes the LIBS data acquisition with high spatiotemporal resolution automatically.Multiple transient spectra can be obtained in each measurement,which will provide more information for spectral research.The water-vapour and liquid-water Raman scattering spectra are captured by this system,and the comparison of experimental water-vapour Raman scattering spectrum with theoretical data verifies the reliability of the LIBS system.Based on this system,the air laser induced air breakdown spectra are captured and analysed.The system is also useful for the research on water-vapour Raman Lidar remote sensing.