基于火星巡视器车载激光诱导击穿光谱仪系统设计米散射激光雷达可行性研究

火星大气气溶胶的地基探测对研究火星大气环境具有重要意义,为了能够在节约火星巡视器/着陆器体积、重量的条件下进行气溶胶探测,论证了基于巡视器车载激光诱导击穿光谱仪系统设计米散射激光雷达方案的可行性。所设计的米散射激光雷达系统使用巡视器车载激光诱导击穿光谱仪的既有硬件资源,加入分光元件和探测器模块,构成与激光诱导击穿光谱仪系统集成的米散射激光雷达,米散射激光雷达与激光诱导击穿光谱仪在火星地表分时工作,互不影响。为了论证所设计的米散射激光雷达的探测性能,对Phoenix火星探测任务中独立的米散射激光雷达得到的一组原始回波信号数据进行了处理,反演得到一组典型火星大气消光系数廓线,结合消光系数廓线与系统硬件参数计算了所设计的米散射激光雷达的回波信噪比,结果表明该系统在所用原始数据被记录的当日在火星大气边界层顶4 km高度处信噪比达到26 dB,在10 km高度附近下降到0 dB,说明基于火星巡视器车载激光诱导击穿光谱仪系统设计米散射激光雷达进行气溶胶探测具有现实可行性。对比Phoenix的独立米散射激光雷达设计方案,基于激光诱导击穿光谱仪的米散射激光雷达不但能够节省巡视器体积、重量,而且发射能量更高,回波接收方案更为简单,数据反演步骤更为简洁。     

多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法

为了获得大气颗粒物的质量浓度廓线,提出一种基于多波段激光雷达回波信号的大气气溶胶消光系数与颗粒物质量消光效率相结合的新型算法。该方法利用覆盖紫外到近红外波段的激光雷达作为遥感探测工具,获取气溶胶的消光与后向散射系数,反演得到气溶胶粒子谱分布;同时,根据米散射理论算出气溶胶消光效率,结合粒子谱分布,提出颗粒物质量消光效率模型,从而建立基于消光系数与质量消光效率相结合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法。采用该算法对两组不同天气条件多波段激光雷达实测数据进行反演,并与地表采用的颗粒物浓度对比,证明该方法的可行性,为实现颗粒物质量浓度空间分布的探测提供科学依据和方法论。     

银川上空大气气溶胶光学特性激光雷达探测研究

小型米散射激光雷达是广泛使用的探测大气气溶胶光学特性的有效工具。作者研制了一台小型米散射激光雷达,并利用该激光雷达于2009年4月1日至4月10日期间对宁夏银川地区(北纬38°29′, 东经106°06′)上空的大气气溶胶光学特性以及时空分布进行了观测。系统选用532 nm波长激光作为光源,采用Fernald法对接收到的大气回波信号进行反演,得到了气溶胶消光系数的高度分布廓线及24 h内气溶胶消光系数相对浓度的时空变化特性;并对期间一次明显的沙尘天气进行了观测和分析。观测结果表明,该小型米散射激光雷达能够对大气气溶胶及其时空分布情况进行有效、连续的观测,其观测结果有利于分析该地区气溶胶及沙尘天气的变化趋势。     

北京城区大气边界层的激光雷达观测

激光雷达是边界层大气气溶胶和云的一个高效探测工具。利用MPL激光雷达测量出的数据反演出了测站地域上空大气边界层气溶胶消光系数的垂直分布,利用气溶胶消光系数的垂直分布可决定测站上空的大气边界层高度。测量数据表明:大气边界层内气溶胶的含量较为稳定,有明显的气溶胶多层结构。     

小型米散射激光雷达的研制及其探测

介绍了一台自行研制的用于大气气溶胶光学特性和水平能见度测量的小型米散射激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和分析.系统选用532nm波长激光作为光源,采用Fernald反演算法对接收到的大气回波信号进行反演得到气溶胶消光系数.通过对西安城区上空的气溶胶光学特性进行连续观测,测得了西安城区不同时刻消光系数的高度分布廓线、以及24小时内大气边界层高度的时空变化特性,并对大气水平能见度进行了连续观测,其结果与当地气象部门提供的水平能见度数据的变化趋势基本一致.观测结果表明,利用该米散射激光雷达可以对大气气溶胶光学特性和水平能见度进行有效测量.     

用于反演半导体激光云高仪垂直能见度的算法

根据云高仪工作原理,从米散射激光雷达方程出发,推导出一种低层大气中气溶胶消光系数边界值的获取方法,并在此基础上利用Fernald方法反演得到了大气消光系数的垂直分布;通过垂直路径上的消光系数反演得到垂直路径的平均能见度,结果表明,该平均能见度更接近垂直方向真实的能见度。用该算法处理了半导体激光云高仪实际测量的数据,并与Vaisala云高仪测量的垂直能见度进行了对比,结果表明:该算法在反演大气垂直能见度时具有较高的准确性和可靠性。     

利用紫外Mie散射激光雷达探测澳门地区沙尘暴事件

研制了一台工作波长为355nm的紫外高能Mie散射激光雷达,并利用该激光雷达在2010年一次沙尘暴事件期间对澳门上空的大气进行了探测,得到了澳门地区不同时刻的气溶胶消光系数垂直廓线。利用Fernald方法反演得到的气溶胶近地面消光系数随时间的变化与当地气象数据具有较好的一致性,气溶胶消光系数与当地可吸入颗粒物浓度的相关性达到了0.93。气溶胶垂直廓线显示,在沙尘暴来临期间存在明显的沙尘气溶胶凝集层。通过气溶胶轨迹倒推,分析了沙尘气溶胶的来源及路径。观测结果表明,该激光雷达可以在特殊天气条件下对澳门地区气溶胶进行有效探测,这将有助于深化对澳门上空气溶胶特性的研究。     

基于Fernald-PSO法反演气溶胶激光雷达比及其 对斜程能见度的影响

为了提高斜程能见度的计算精度,提出了一种基于Fernald-PSO法求解气溶胶激光雷达比的方法.首先,以均匀层底部和顶部的大气消光系数相等为条件构建气溶胶激光雷达比和气溶胶消光系数边界值的方程.然后,再以激光雷达数据反演和AERONET网站观测的气溶胶光学厚度相等为条件构造另一参量方程.最后,采用Fernald-PSO法解方程组,用得到的参量反演气溶胶消光系数计算斜程能见度.采用激光雷达和AERONET数据对该方法进行验证,分析气溶胶激光雷达比对斜程能见度反演的影响.结果表明,同一信号气溶胶激光雷达比假设值与计算值相差越大,气溶胶消光系数和斜程能见度的相对误差绝对值也越大,最大误差分别为18.93%和19.90%.     

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     

气溶胶消光系数与质量浓度的相关性研究

为了利用激光雷达探测的消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布,研究气溶胶消光系数与质量浓度之间的关系就显得十分重要.根据Mie散射理论,分析了气溶胶的质量消光系数、消光系数和质量浓度之间的关系,引进了等效参数,分析了Junge指数对等效参数的影响.用实际测量的粒子谱分布、能见度、相对湿度和气溶胶质量浓度验证了气溶胶消光系数和质晕浓度之间的关系.这对利用激光雷达测量的气溶胶消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布是很有实用价值和指导意义的.     

基于双视场激光雷达的气溶胶水平分布观测

在自主研制的便携式双视场米散射气溶胶激光雷达（DFOV激光雷达）基础上,探索双视场激光雷达信号拼接思路,利用“斜率-Fernald”方法反演了气溶胶水平消光系数,进而获取了DFOV激光雷达对气溶胶水平消光系数的扫描分布。首先,对雷达回波信号分段运用斜率法,求解最优的气溶胶消光系数、后向散射系数以及相对应的参考距离,然后将该参考点处的后向散射系数代入“Fernald方法”的前后向积分解中,进而得到整条廓线的消光系数。该方法有效避免了“斜率法”中大气均匀的前提假设和消光系数负值的问题,也有效避免了“Fernald方法”对参考点的限制和要求。在获取水平消光系数后,通过拟合近地面空气质量监测点位过顶时刻DFOV激光雷达测量的气溶胶消光系数与PM₁₀质量浓度ρ(PM₁₀)之间的关系,相关性达到0.91。将此定量关系传递至激光雷达扫描的消光系数结果中,可得到气溶胶质量浓度的水平分布,定量反演大气中颗粒物的分布,用于研究近地面大气污染成因、机理和污染来源分析,为DFOV激光雷达进一步应用于城市区域大气污染定量评价和区域空气质量三维模式同化分析研究提供定量的数据支撑。     

An algorithm to determine cirrus properties from analysis of multiple-scattering influence on lidar signals

A Monte Carlo-based evaluation of the multiple-scattering influence on ground-based Raman lidar measurements is presented. The lidar returns from cirrus clouds are analyzed in order to evaluate vertical profiles of the extinction and backscattering coefficients. Results show that for the typical cirrus cloud, the presence of the multiple scattering can lead to an underestimation of the extinction coefficient by as large as 200% whereas the backscattering coefficient is almost unaffected for the Raman lidar technique. An algorithm to select one or a set of phase functions which fit to the lidar data is also presented. It is an iterative procedure based on Monte Carlo scattering simulation. By comparison of the experimental value of the lidar ratio, corrected for the multiple scattering influence, and the phase function used in the Monte Carlo simulation, one can determine a suitable phase function. The validity and sensitivity of the algorithm have been demonstrated by applying it to simulated cases. The application to some real cases indicates that our procedure allows for the establishing of a practical scattering model for the cirrus clouds.     

Measurements for profiles of aerosol extinction coefficient,backscatter coefficient,and lidar ratio over Wuhan in China with Raman/Mie lidar

<正>The profiles of aerosol extinction,backscatter coefficient,and lidar ratio in the lower troposphere over Wuhan are measured by a multi-channel Raman/Mie lidar.Using the lidar ratio retrieved by Raman scattering principle,the profiles of aerosol extinction and backscatter coefficients are also retrieved by Mie scattering signals,without a prior assumption about their relation in the traditional pure Mie signals data analyses.The observations by both Raman and Mie are in good agreement with each other.The high coherence shows that the system is reliable,and the Mie and Raman channels are in good adjustment and have the same field of view.     

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．     

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.     

一种激光雷达测量海洋光学参数的新方法

为了拓展海洋光学参数的激光遥感测量手段,借鉴高光谱分辨率多普勒激光雷达对大气散射信号的测量机制,提出了一种利用激光雷达水下后向散射信号测量海洋固有光学参数的新方法。在原理方面,描述了测量系统的组成和利用碘分子吸收滤波器实现水分子瑞利散射信号和悬浮物米散射信号的光谱分离测量方法, 在结论方面,给出了利用海水激光后向散射信号实现海水悬浮物后向散射系数和海水体消光系数的具体反演算法。     

Iteration method for the inversion of simulated multiwavelength lidar signals to determine aerosol size distribution

A new method is proposed to derive the size distribution of aerosol from the simulated multiwavelength lidar extinction coefficients. The basis for this iteration is to consider the extinction efficiency factor of particles as a set of weighting function covering the entire radius region of a distribution. The weighting functions are calculated exactly from Mie theory. This method extends the inversion region by subtracting some extinction coefficient. The radius range of simulated size distribution is 0.1－10.0μm, the inversion radius range is 0.1－2.0μm, but the inverted size distributions are in good agreement with the simulated one.     

粒子的非球形程度对消光系数的影响研究

利用中国气象局南京综合观测基地的微脉冲激光雷达对南京北郊的气溶胶特性进行了常规的观测,并计算了气溶胶的退偏振比,反演了气溶胶的消光系数,分别得到气溶胶退偏振比及消光系数廓线。分析了不同天气情况下退偏振比和消光系数变化趋势的关系,发现退偏振比和消光系数有一定的相关性,即粒子非球形的程度对其消光的大小有一定的影响。初步探测结果发现:在同一个时刻,晴天和雾霾天时二者变化趋势相同,探测到水云时二者变化趋势相反,探测到冰相云时二者变化趋势相同,研究表明:当探测到气溶胶和冰相云时,粒子的非球形特性越明显其消光系数越大;当探测到水云时,粒子越近似球形其消光系数越大。     

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.