多条转动拉曼谱线雷达测量对流层大气温度

由于对流层大气中气溶胶的存在,传统的利用大气中瑞利散射和振动拉曼散射测量大气温度的方法具有一定的局限性,然而利用大气N₂和O₂分子的的转动拉曼信号获得大气温度信息的方法不受对流层大气中气溶胶的影响。因此利用N₂和O₂分子纯转动拉曼散射激光雷达开展了测量对流层下部温度分布的实验研究。现有的转动拉曼雷达系统基本上是通过获取单一的转动拉曼谱线来反演大气温度,这就导致了系统的信噪比低,不能很好的反演温度。作者在双光栅单色仪的基础上提出了一种新的雷达信号分光系统。这种新的分光系统的每条通道所获得的信号并不是单独的转动拉曼谱线,而是多条转动拉曼谱线之和,这样就能提高整个系统的信噪比。在较小的激光能量和小口径望远镜的情况下,利用这种方法,雷达系统可以在几公里内获得较好的信噪比。最后实验得到了对流层0.3～5 km高度内的大气温度分布, 它与球载无线电探空仪比较, 二者一致性较好。     

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。     

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。     

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.     

基于纯转动拉曼谱线激光雷达的大气温度反演分析

由于气溶胶的影响,传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限,为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测,由观测数据反演了温度廓线。在基于N₂和O₂的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中,分析了平滑窗口、定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。结果显示随着平滑窗口的增大,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加,为有效去除信号中随机误差的影响,同时保留温度廓线的垂直结构,平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。定标范围不同,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同,相对变化约为0.07 K。当定标常数a,b都增大或都减小时,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大,当一个增大另一个减小时,平均偏差相互抵消;a,b的变化不是等几率的,在符号上总是相反的;平均偏差对a的变化不敏感,对b的变化也不敏感,对a与b的整体变化敏感,约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、定标范围的选择提供了理论依据,对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。     

基于纯转动拉曼谱线激光雷达的大气温度反演分析（英文）

由于气溶胶的影响,传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限,为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测,由观测数据反演了温度廓线。在基于N_2和O_2的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中,分析了平滑窗口、定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。结果显示随着平滑窗口的增大,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加,为有效去除信号中随机误差的影响,同时保留温度廓线的垂直结构,平滑窗口应选择600~1 200m比较好。定标范围不同,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同,相对变化约为0.07K。当定标常数a,b都增大或都减小时,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大,当一个增大另一个减小时,平均偏差相互抵消;a,b的变化不是等几率的,在符号上总是相反的;平均偏差对a的变化不敏感,对b的变化也不敏感,对a与b的整体变化敏感,约91.7%平均偏差落入-3~3K之间。该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、定标范围的选择提供了理论依据,对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。     

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。     

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．     

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     

Rotational Raman lidar for obtaining aerosol scattering coefficients

Two-channel lidar signals that are composed of total rotational scattering and elastic signals provide good information about aerosol scattering coefficients. We can calculate the aerosol backscattering coefficient and extinction coefficient directly, without making any assumption or calibration. Generally, a high-spectral-resolution lidar is used for aerosol monitoring, but we have designed a new low-spectral-resolution lidar system that contains both kinds of scattering information simultaneously, and we have retrieved the aerosol scattering coefficient. The results show that there is no need to assume any relation between aerosol backscattering and extinction or to consider any wavelength calibration to determine the aerosol scattering coefficient.     

Suggestion for qualitative lidar identification of different types of aerosol using the two-wavelength rotational Raman and elastic lidar

Aerosols are important parameters in the meteorological and environmental fields, and remote aerosol identification is extremely desirable. We have proposed and designed a two-wavelength (355 and 532 nm) rotational Raman and elastic lidar that can measure the wavelength dependence of the aerosol backscattering coefficient without any assumptions about the Angstr?m coefficient or the overlapping function from low (100 m) to high (10 km) altitude, depending on the weather conditions. We have measured the differences in the backscattering ratios (BRs) among a cloud, aerosol in the boundary layer, and Asian dust. The ratio of the aerosol backscattering coefficients between two wavelengths is a fingerprint of an aerosol, which is similar to the Angstr?m coefficient. The BR value for a typical aerosol ranged from 0.56 to 0.4 in the boundary layer and from 0.5 to 0.1 for Asian dust. The BR value of water droplet was not unique but was spread over a wide range because of its size distributions.     

Raman激光雷达探测气溶胶光学特性

介绍了武汉大学自行研制的Raman多通道激光雷达系统,给出了整个系统的设计原理及主要技术参量.详细描述了利用Raman激光雷达原理反演大气气溶胶消光系数、后向散射系数和激光雷达比等光学特性的方法,并对求解消光系数过程中的关键部分做了讨论分析.同时对武汉上空对流层低空大气气溶胶、云以及边界层等光学特性进行了实时探测反演.实验结果表明:该Raman多通道激光雷达系统在夜晚对低空气溶胶的垂直分布特性具有较好的探测能力,工作性能可靠.     

绝对测温转动拉曼激光雷达分光系统设计及性能

为实现转动拉曼激光雷达的绝对测量温度技术,设计并测试了多通道转动拉曼分光系统.提出了一阶闪耀光栅与光纤Bragg光栅组成的两级并行多通道拉曼分光系统,优化了其核心级联器件(微米级光纤阵列)的参数及光路结构;仿真分析了一级分光系统的分光光路,转动拉曼谱线最大离心伸缩量约为0.0031 nm,离心伸缩比为0.69%;实验测试表明一级分光系统各转动拉曼通道的通道系数均在0.75以上,提取到拉曼光谱的实测中心波长与理论值的最大偏差约为0.0398 nm,偏离度为8.86%,可提供对弹性散射信号27 dB以上的有效抑制,结合已有光纤Bragg光栅二级分光实现高达62 dB弹性散射的抑制效果,可以实现对单条偶转动量子数转动拉曼谱线的精细光谱提取.     

一种无需定标的地基激光雷达气溶胶消光系数精确反演方法

如何对低云下雾霾的激光雷达探测数据进行准确定标,一直是米散射激光雷达数据反演中一个有待解决的问题.对于低云和雾霾同时出现的天气,激光很难穿透云层,不能利用大气清洁层对激光雷达信号定标.而对于探测高度小于6 km的便携式米散射激光雷达,由于探测高度较低,也很难利用大气清洁层对激光雷达数据进行定标.本文根据Fernald前向积分方程的特点,提出了一种气溶胶消光系数迭代算法.通过对反演过程进行特定设置,每经过一次迭代,利用气溶胶消光系数迭代算法得到的气溶胶消光系数反演值与其真实值之间的差值就会相应减小.经过几次迭代后,气溶胶消光系数反演值与真实值之间的差值就会小到可以忽略不计.初步反演结果表明:利用气溶胶消光系数迭代算法,无需对激光雷达探测数据定标就能精确反演出气溶胶消光系数廓线.     

Raman激光雷达探测气溶胶消光系数求解新方法

利用Raman激光雷达测量的回波数据求解气溶胶消光系数,选用美国标准大气模式时,反演结果有可能会产生较大的误差。提出一种采用温度模式求解Raman激光雷达回波方程探测对流层大气气溶胶消光系数的新方法,并对这种新方法进行了详细的理论推导。通过与利用无线电探空仪测量数据计算的结果进行对比,发现二者具有较好的一致性。理论和实验均表明：通常情况下,采用温度模式方法求解Raman激光雷达方程探测对流层大气气溶胶消光系数是可行的。温度模式方法包含了探测地点的季节和地理海拔因素,较直接采用美国标准大气模式更加符合实际,可以减少反演结果的误差。     

Measurement of tropospheric CO2 and aerosol extinction profiles with Raman lidar

A prototype Raman lidar was designed for monitoring tropospheric CO2 profile and other scientific investigatious.The third harmonic of Nd:YAG laser (354.7-nm wavelength) was used as stimulated light source to provide nighttime measurements.Filter with high rejection ratio performance was used to extract CO2 Raman signals from Rayleigh-Mie scattering signals effectively.To improve the real time monitoring function,a two-channel signal collection system was designed to collect CO2 and N2 Raman scattering signals simultaneously. The N2 Raman scattering signals were used to retrieve aerosol extinction coefficient.Typical features of CO2 concentration profile and aerosol extinction coefficient in Herei were presented.The mixing ratio of atmospheric CO2 in Hefei can reach about 360-400 ppmv.