对流层气溶胶消光特性的Mie散射激光雷达探测研究

在介绍激光雷达对气溶胶探测的相关理论的基础上,对自行研制的一套1064nmMie散射激光雷达系统的系统结构、相关技术参数作了详细说明。用此系统对苏州城区对流层气溶胶进行探测并对探测结果进行了初步的分析。     

水中镉化合物粒子消光系数及其反射率光谱(400～900nm)测量

测量出水中镉化合物单位浓度消光系数光谱曲线和镉化合物干燥环境下的反射率光谱曲线是水体镉元素含量遥感反演的关键。首先采用自主设计的透射光测量装置,利用Analytical Spectral Devices(ASD)光谱仪分别测量了相同厚度不同浓度的两种镉化合物粒子溶液(硫化镉和氧化镉)的透射光辐亮度,通过比值法计算出不同浓度的镉化合物粒子溶液的消光系数,最终得到其400~900nm波长范围内的单位浓度消光系数光谱。然后再利用ASD光谱仪在户外晴好干燥的环境下对这两种镉化合物的反射率光谱进行了测量,为日后进一步计算其单位浓度吸收和散射系数打下基础。单位浓度消光系数光谱测量结果表明,硫化镉在675nm出现极大值,在550和830nm出现极小值;氧化镉则随着波长的增加呈逐渐减少的单调趋势;两种化合物在水中的消光作用主要在紫蓝光波段。反射率光谱测量结果表明,硫化镉的反射率从500nm开始快速增大至650nm后趋于平缓;氧化镉从525nm开始呈近线性递增至900nm;二者都具有明显的光谱特征。本文在国内首次专门针对水质遥感领域开展了具有光活性的镉化合物的光学参数测量工作,并获得了这两种化合物的单位浓度消光系数和反射率光谱曲线,是水体镉含量遥感反演模型所必需的光学参数之一,为镉含量遥感反演这一难题提供一个突破口,测量结果可以为镉含量提取的遥感工作波段选择提供有力的参考依据,同时也为水体镉含量的遥感提取提供了模型必需的重要参数。     

开放光程扬尘颗粒物浓度测量方法及系统

利用单波长激光通过扬尘空间发生散射消光衰减的特性,设计了开放光程的颗粒物浓度检测方法及系统。该方法利用双峰正态分布模型模拟颗粒物粒径分布,实时计算一定空间范围内的扬尘颗粒物浓度,具有响应速度快、测量动态范围宽的优点,适合浓度高、变化快、空间范围大的扬尘颗粒物浓度测量。通过水溶胶模拟实验与烟尘实验验证了该方法的可行性。实验数据表明,系统量程可达0~400mg/m3,分辨率为0.05mg/m3,响应时间小于1s。     

基于Mie散射的卷云光学特性

基于中纬度卷云冰晶双峰、热带卷云冰晶三峰分布模型，利用Mie散射理论计算了1～13脚范围内中纬度及热带卷云的消光系数、散射系数、吸收系数。计算结果表明，由不同形状冰晶构成的热带卷云的相应光学参数比中纬度卷云的光学参数大些，但11支子弹玫瑰形状的相应参数要小一些；两种卷云在2．8～3．1μm，9．8～13μm范围内都存在两个基本相同的透射通带；在计算中纬度卷云的光学参数时，可以只考虑中空六棱柱与实心六棱柱中的一种，但计算热带卷云的光学参数时，实心六棱柱与空心六棱柱需要同时考虑。     

薄膜的光谱发射率

本文讨论了薄膜内的多次反射对低吸收薄膜光谱发射率的影响。这里推导出的薄膜发射率的表达式与薄膜厚度d和其光学常数n(λ）和k(λ）有关。在d→∞的特殊情况下，薄膜发射率与大块材料发射率相等。给出了实际数值评价及发射率与d、n(λ）和k(λ)相互关系的更为精确的数值结果。     

降雪对地表附近自由空间量子信道的影响及参数仿真

量子通信具有覆盖面广、安全保密的优势,是当前通信领域国内外的研究热点.在自由空间量子通信过程中,光量子信号需要在地表上空一定高度进行传输,因此各种环境因素,例如降雪、沙尘暴、降雨、雾霾、浮尘等,不可避免地会影响量子通信性能.然而,迄今为止,降雪对地表附近自由空间量子信道影响的研究尚未展开.为此,根据降雪的强度,将降雪分为小雪(S1)、中雪(S2)、大雪(S3)和暴雪(S4)四个等级.由于空中正在飘落雪花对光量子信号具有能量吸收作用,称为消光效应,不同强度的降雪,其消光效应对自由空间光量子信号的影响不同.本文首先建立了不同等级降雪对光量子信号消光效应的数学模型;然后建立了因降雪导致的自由空间消光衰减定量关系,信道极限生存函数、不同降雪强度下的信道容量和量子误码率等性能参数受降雪影响的变化情况;最后建立了降雪强度、传输距离与链路衰减、幅值阻尼信道容量、信道生存函数以及信道误码率的数学模型.仿真结果表明,当降雪强度为2.1 mm/d(S1),传输距离为2.2 km时,通信链路衰减为0.0362,信道容量为0.7745,信道生存函数为0.2329,信道误码率为0.0105.当降雪强度为3.8 mm/d(S2)。传输距离为3.5 km时,通信链路衰减为0.1326,信道容量为0.4922,信道生存函数为0.2099,信道误码率为0.019.由此可见,降雪对量子通信性能有不同程度的影响.所以在实际应用中应根据降雪强度大小,自适应调节量子通信相关参数,提高量子通信的可靠性.     

基于动态雷达比的气溶胶消光系数及光学厚度反演

激光雷达以其高垂直空间分辨率和高时间分辨率的优势在大气气溶胶监测中具有重要作用。在利用Fernald法反演气溶胶消光系数和光学厚度的过程中,雷达比是反演结果的主要误差源。在目前的应用中雷达比普遍都是取固定值,这就必然给雷达反演带来误差。通过对污染物以及气象数据与雷达比的逐步回归分析,建立了雷达比估算模型,从而实现雷达比的动态估算。研究表明:雷达比的变化与空气中PM2.5质量浓度、相对湿度、SO2和NO2质量浓度等具有明显相关性。相比于固定值,利用动态雷达比反演的气溶胶消光系数和光学厚度精度明显提高。     

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。     

单程大气传输的能量衰减研究

本文对激光束在大气传输中能量衰减的主要原因进行了分析，给现单程水平，垂直和斜路径大气传输的能量衰减表达式。     

气溶胶前向散射大气能见度测量系统传递系数的标定及校准方法

分析了气溶胶的前向角散射特性,利用标准的大气透射仪标定前向散射大气能见度测量系统的传递系数。当系统结构发生变化时,传递系数也随之改变,为保证系统测量的准确性和简化系统传递系数的标定过程,提出了一种利用标准漫透射板校准系统传递系数的方法。该方法使用了两块具有相同透射系数的漫透射板,使气溶胶粒子团在前向半球上产生漫散射,此时探测器的测量值即为包含了仪器常数的定值。当系统结构改变时,这个测量值相对于原测量值的变化率作为比例系数代入系统传递系数的计算,实现校准。