半导体激光雷达斜程能见度观测和反演方法

论述了自行研制的半导体激光雷达能见度仪的工作原理、基本结构及参数,提出了一种稳定的消光系数迭代算法。利用该半导体激光雷达能见度仪与美国Belfort model 6230A型能见度仪对水平及斜程能见度进行了对比实验。对比实验表明:对于水平能见度,平均相对误差在10%以内的占总量的45.6%,平均相对误差在20%以内的占总量的84.7%,平均相对误差在30%以内的占总量的91.2%;对于斜程能见度,不同天气条件下,能见度变化趋势明显,反映了斜程能见度与水平能见度探测的差别与意义。充分说明该能见度仪能够在各种气候条件下测量水平及斜程能见度,所提出的反演能见度的迭代算法稳定可靠。     

多轴差分吸收光谱技术反演气溶胶消光系数垂直廓线

研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的气溶胶消光系数垂直廓线反演算法. 该算法应用非线性最优估算法, 通过MAX-DOAS测量的氧的二聚体(O₄), 反演气溶胶消光系数垂直廓线和光学厚度(AOD). 首先研究了非线性最优估算法中权重函数、先验廓线协方差矩阵、测量不确定度协方差矩阵的计算方法, 针对中国气溶胶浓度较高且变化剧烈的特征, 设计了非线性迭代方案. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种状态下, 通过计算机仿真模拟验证了MAX-DOAS气溶胶消光系数垂直分布反演算法, 讨论了误差来源. 之后在合肥地区开展了连续观测实验, 并将反演的AOD与CE318太阳光度计对比, 两者的相关性系数达到了0.94. AOD反演的相对误差约为20%. 又将反演的最低层(0–0.3 km)气溶胶消光系数与能见度仪对比, 两者的相关性系数为0.65. 近地面气溶胶消光系数反演的总相对误差约为10%. 模拟验证和对比实验均说明本文研究的气溶胶消光系数垂直廓线反演算法可以较好地获取对流层的气溶胶状态. 关键词： 多轴差分吸收光谱 气溶胶消光系数垂直廓线 气溶胶光学厚度 最优估算法     

东南沿海地区相对湿度对气溶胶消光特性的影响

采用能见度仪和温度脉动仪在我国东南沿海典型地区进行能见度和相对湿度测量实验,利用能见度与消光系数和波长的关系,分析了在雾霾和晴好两种天气条件下相对湿度对沿海气溶胶系统消光系数的影响。研究结果表明:对于波长为1.06μm的激光,该地区两种天气下气溶胶粒子的潮解点均为80%左右;当相对湿度在80%~90%时,随着相对湿度增大,两种天气下消光系数相对干粒子时的增长率基本相同,吸湿增长因子主要介于1~2;当相对湿度大于90%时,二者相对增长差别很大,晴好天气下吸湿增长因子增大了两个量级,远大于雾霾天气。     

北京奥运前期典型天气喇曼激光雷达观测研究

以自行研制的双波长三通道拉曼激光雷达、振荡天平(PM10、PM2.5)、碳黑(BC)气溶胶分析仪及能见度仪相结合对"好运北京"2008年奥运会前期典型天气状况进行了测量与分析,给出了北京奥运主场馆上空气溶胶消光系数的垂直分布及其时空变化关系,计算了气溶胶的消光散射比,并分析了灰霾天气条件下大气能见度、气溶胶颗粒物PM10、PM2.5、BC及气溶胶消光系数垂直分布之间的相互关系.研究结果表明,灰霾天气条件下,大气能见度、颗粒物质量浓度与气溶胶颗粒物消光系数之间具有直接的相关性.     

从多波段图像中获取大气透过率的测量方法

提出了一种基于单帧多波段图像测量非气体吸收波段和弱气体吸收波段大气透过率的方法,可应用于相关光电工程中评估和修正大气衰减影响.首先,利用经过绝对辐射定标的图像采集设备获得辐射图像;其次,基于大气中图像退化光学模型与暗通道先验统计理论得到辐射图像暗通道对应的宽波段平均大气透过率;最后,结合特定波段消光系数和宽波段平均消光系数间的关系得到特定波段的大气透过率.实验对比分析表明:本文方法与能见度仪、激光雷达测量结果相关性较高,其中与能见度仪相比,相关系数在0.89和0.95之间,与激光雷达相比,相关系数在0.95和0.97之间;在1km近距离条件下与能见度仪、激光雷达测量结果平均相对偏差最高分别为9%和6%,在远距离条件下,与能见度仪测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为15%和30%,与激光雷达测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为9%和18%.     

非理想条件下气象能见度的观测方法

为了提高非理想条件下气象能见度的观测精度,从大气光传输理论出发,提出了等效视感阈值和广义科西米德定律,建立了非理想条件下气象能见度观测的相对误差和修正系数计算公式,并模拟分析了非黑色目标在非水平天空背景条件下的气象能见度观测的相对误差和修正系数.结果表明:修正系数受目标反射率、背景反射率、目标与背景距离以及大气消光系数的共同影响,并呈现一定的规律性分布.为了满足观测业务的需求,非理想条件下气象能见度的观测结果需要修正,特别是当修正系数小于0.8时.     

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。     

北京奥运前期典型天气拉曼激光雷达观测研究

以自行研制的双波长三通道拉曼激光雷达、振荡天平（PM10、PM2.5）、碳黑（BC）气溶胶分析仪及能见度仪相结合对“好运北京”2008年奥运会前期典型天气状况进行了测量与分析,给出了北京奥运主场馆上空气溶胶消光系数的垂直分布及其时空变化关系,计算了气溶胶的消光散射比,并分析了灰霾天气条件下大气能见度、气溶胶颗粒物PM10、PM2.5、BC及气溶胶消光系数垂直分布之间的相互关系。研究结果表明,灰霾天气条件下,大气能见度、颗粒物质量浓度与气溶胶颗粒物消光系数之间具有直接的相关性。     

大气气溶胶消光特性和折射率的测量

 介绍了一种综合利用能见度仪、微脉冲激光雷达和光学粒子计数器测量大气气溶胶折射率的新方法。首先使用能见度仪和激光雷达测量出大气气溶胶的消光系数和消光后向散射比，然后使用粒子计数器测量出粒子谱分布，结合气溶胶粒子折射率，根据球形粒子的米（Mie）散射理论，可以得到气溶胶消光系数和消光后向散射比。通过分析消光系数、消光后向散射比、粒子谱分布和折射率之间的关系，结合已知的消光系数和消光后向散射比，反演出大气气溶胶粒子的折射率。     

一种改进的夜间数字能见度测量方法

为降低背景光噪声对数字摄像法夜间能见度测量的不确定性影响,对双光源法能见度测量系统进行改进。该系统利用避光筒限制CCD相机视场角,拍摄2个位于不同距离的LED背光源,然后对摄取到的图像进行处理得到光源图像的灰度值,再根据阿拉德定律求得大气消光系数,计算出大气能见度值。通过在无背景光、有背景光未加避光筒和加避光筒3种条件下的比对实验,分析光源图像的灰度信息,并将实验结果进行处理,得出有避光筒和无避光筒时测得的能见度值与无背景光下测量结果的相关系数分别是0.911 3和0.322 7,均方根相对偏差分别是6.87% 和23.38%。结果表明:系统抑制背景光噪声的能力明显增强,能较准确地测量夜间能见度。     

大气气溶胶消光系数测量新方法

利用光在镀膜玻璃管中传输的特点,介绍了一种测量大气气溶胶消光系数的新方法。该方法将某一波长的光以一定角度入射到充满气溶胶的玻璃管中,经管壁的多次折返大大增加了光程,气溶胶对光的衰减信息可以通过玻璃管两端的探测器测量得到,利用比值计算方法消除光电转换过程中因光强波动、管壁不均匀以及分子散射等带来的测量误差,提高了气溶胶消光系数测量的灵敏度。将用该方法测量气溶胶在波长550nm上的消光系数,与能见度仪测量结果对比表明此方法测量结果是合理的,且该方法具有原理简单、操作方便等特点。     

TiO2膜消光系数的确定及制备参量的影响

基于窄带干涉滤光片的峰值透射率测量可以直接反演出薄膜的消光系数,从而得到了一种简易而又精确的评价薄膜微弱损耗的新方法。阐述了确定弱吸收薄膜消光系数的基本原理,并分析了这种评价方法的基本精度。讨论了离子束溅射TiO2薄膜的制备参量对薄膜消光系数的影响。发现溅射速率和氧分压是影响TiO2薄膜损耗的灵敏因素。在保持其它参量不变的条件下,溅射速率从0.35nm/s下降到0.23nm/s,TiO2薄膜的消光系数从3.9×10-5下降到2.1×10-5;辅助离子源的Ar∶O比从1∶2变化为1∶4,对应的消光系数从5.6×10-5下降到2.3×10-5。此外,随着基板温度的提高,损耗也会有所增加。TiO2薄膜消光系数评价的合理性表明由窄带滤光片的峰值透射率来反演薄膜的消光系数是可行的。     

基于数字摄像的测量观测系统设计

在大气能见度观测中,相关研究多集中于白天观测,夜间观测的研究比较少见,而对于昼夜连续观测的研究更是鲜有报道。目前,国内外尚没有完全按照能见度定义研制的大气能见度自动观测仪出现。针对这一问题,基于CCD数字摄像技术,模拟人工观测光学原理,提出了一种能够昼夜进行大气能见度连续观测的方法。该方法基于对目标物获得能见度计算公式,并针对昼夜模式下的系统参数进行修正,能够有效消除外在环境因素和相机自身系统内部因素引发的观测误差。为验证算法的有效性,针对天空遮挡、半遮挡和空旷等不同情况（不同情况,会影响观测环境的亮度,以此测试系统对杂散光的抵抗能力,以及对不同环境的适应能力）,搭建了基于该方法的3套原理样机。利用搭建的数字摄像能见度仪（DPVS）在北京地区进行了实际的大气能见度分钟级观测。观测实验表明,基于该方法构建的观测系统,不但具有较宽的观测范围,而且能够有效适应各类复杂天气情况,在雨雪霾等不同天气下,均有较好的观测效果,且无论是在能见度变化较快或者较为缓慢的情况下,DPVS系统均能够进行快速正确的响应。而透过DPVS与散射仪和透射仪这两种标准观测仪器观测结果的对比分析发现,DPVS与前两者的观测结果具有较高的相关性：0.973 1,且观测性能相当,其平均相对误差在-1.54%左右,均方根相对误差在8.82%左右。而本文算法出现的最大相对误差为-14.11%。世界气象组织MOR规定：能见度仪在满量程范围内,其最大相对误差小于20%,即认为是达到标准的能见度仪,可以投入实际观测使用。基于该算法研发的DPVS系统符合观测标准,能够投入实际使用,且DPVS系统的观测成本远比散射仪和透射仪更低,具有较好的前景和应用价值。     

内陆地区近地面大气消光系数统计特征及气象要素影响分析

使用能见度仪测量了合肥地区2005年6月到2007年7月期间近地面的大气消光系数.给出了大气消光系数的时间变化特征和频数分布特征以及大气消光系数与相应时间段的水汽、温度、气压、风速的相关性.结果表明:局地大气消光系数具有明显的日变化、月变化、季节变化和频数特征;不同季节的消光系数与气象要素的相关性有所不同;其中水汽、温度是两个较为重要的影响消光系数特征分布的因素.分析结果可以作为局地大气消光系数模型建立的基础.     

光路准直对长基线透射式能见度仪测量的影响

基于长基线透射式能见度仪分析了影响透射仪收发两端探测光路准直的因素。从透射仪的测量原理出发,阐述了探测光路准直通过影响接收端接收光强进而影响透射仪探测精度的机制。仿真研究了透射仪收发两端探测光路准直出现偏差对接收端接收光强的影响。研究结果表明,在一定大气能见度条件下,透射仪的测量误差与接收端接收光强的测量误差成线性关系。透射仪收发两端的对准状态对透射仪接收端接收光强具有重要影响,发射端姿态角每变化0.01,接收端接收光功率变化0.02 mW,发射端姿态角变化会明显降低透射仪接收端接收光强,增大接收端接收光强的测量误差,对能见度的测量精度影响较大。     

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50 m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。     

成都市大气消光系数时间序列随机特性分析

对不同湿度条件下消光系数序列演变特性的正确认知是构建大气颗粒物湿度订正模型的前提和基础。利用成都市人民南路4段环境监测站所提供的2013年6月到2014年5月逐时(降雨天除外)细颗粒物(PM2.5)浓度监测数据以及相应的地面能见度、相对湿度观测数据,反演得该区域相应时段单位质量消光系数时间序列。简要论述了消光系数吸湿过程中的复杂演变性及已有湿度订正模型的非普适性;基于相空间重构理论确定该时间序列的最佳延迟时间f和最佳嵌入维数m,据此计算出饱和关联维数、最大Lyapunov指数以及Kolmogorov熵特征量,其结果显示该序列具有低维混沌的特征;应用Cao方法排除其为非线性序列的可能性;结合替代数据法论证得成都市单位质量消光系数时间序列为随机序列。该研究结论不仅明晰了单位质量消光系数序列的特性,还为大气颗粒物湿度订正模型的改进奠定理论基础。     

透射式能见度仪校准装置的研制及测量结果分析

为了解决国内外能见度参数量值无法绝对溯源的问题，利用透射式能见度仪的工作原理、结构特点以及环境条件，提出了溯源至几何量的量值复现方法，设计了1套高透射比量具作为主标准器，实现了对透射式能见度仪的校准，促进了能见度参数量值溯源体系的发展。主标准器遮光体采用精密机械加工工艺，遵循几何量参数测量的绝对溯源法，可大幅减小透射比量值的测量不确定度；主标准器滤光片根据几何量测量和光学透射比参数测量相结合的溯源链，解决了现有技术中高透射比无法复现和准确测量的问题。此外，使用锥形遮光体，可避免引入除旋转因素外的其他不确定度来源，大幅提升了能见度仪分辨率的校准能力。     

基于双光源图像特征的夜间能见度观测方法研究

以视觉方法观测能见度为研究核心,提出了基于双光源图像特征的夜间能见度观测方法,完成在各种不同天气情况下,对能见度的大范围、高精度、高鲁棒观测。首先分析多次散射条件下,光源图像亮度变化与大气消光之间的关系,得出反演能见度的基本模型,接着,研究了准确获取与能见度相关的光源图像特征提取算法,并提出了一种能消除光源波动的双光源能见度计算方法。最后,使用基于双光源图像特征的能见度观测系统在不同气象条件下进行实验,结果表明,在采用35 m基线长度,设定观测上限为15 000 m时, 观测误差均小于20%,能够满足气象与交通部门的要求。     

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%.