基于CCD侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量研究

基于侧向散射激光雷达方程和Mie散射理论,建立了PM2.5浓度与侧向散射光强的关系模型,提出了一种基于电荷耦合器件(CCD)实时监测近地面PM2.5浓度的方法。设计了以波长532nm激光器为光源、CCD为接收器的侧向散射激光雷达装置,利用该装置测量了散射角在15°~45°之间的侧向散射回波信号图,从回波信号图提取灰度值矩阵并分析其光强分布。与赛默飞世尔科技公司PM2.5监测仪(SHARP)提供的测量结果对比,拟合了PM2.5浓度与3个灰度等级光总能量的关系式,拟合度均在0.97以上。该装置具有操作便利、移动便捷、监测实时、成本较低的特点,在近地面比后向散射激光雷达具有更高的精度与实用性,有助于建立PM2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图。     

基于侧向散射技术的近地面气溶胶后向散射系数廓线探测

气溶胶是大气中污染物PM2.5和灰霾的主要成分,近地面的气溶胶直接影响人们的生活和生产。利用电荷耦合器件(CCD)侧向散射激光雷达系统和相应的反演方法,对探测到的数据进行处理和分析。与后向散射激光雷达对比,验证了CCD侧向散射激光雷达探测结果的正确性。分析了2014年4月合肥西区董铺岛3 km高度范围内气溶胶后向散射系数的特点:随时间和高度变化;天气晴好时,地面上后向散射系数与地面站PM2.5质量浓度成正比;紧贴地面有一层较厚气溶胶。实验探测结果表明基于CCD的侧向散射激光雷达是探测近地面气溶胶浓度的一种有效的新方法。     

基于CCD后向散射激光信号的PM2.5测量研究

根据米散射理论和激光传播方程,建立PM 2.5颗粒物浓度与后向散射光强的关系模型,并提出了基于电荷耦合器件(CCD)后向散射激光雷达的实时PM 2.5颗粒物浓度的监测方法。设计了以532 nm波长的激光器为光源、CCD为接收器的后向散射激光雷达实验装置。根据获得的实时大气颗粒物后向散射图像,提取灰度值矩阵并分析了散射图像的光强分布;对比赛默飞世尔科技公司的PM 2.5监测仪(SHARP)的实验结果,拟合了PM 2.5颗粒物浓度与散射光强的5个关系式,拟合度均在0.95以上。这种成本较低、操作便利的实时PM 2.5颗粒物浓度监测装置的推广,有助于建立PM 2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图,具有重要意义。     

基于CCD近地面大气侧向散射系数廓线探测

本文建立了基于电荷耦合器件(CCD)的大气侧向散射系数廓线反演装置。利用该装置,测量了33°到145°散射角范围内的大气侧向散射光强;通过将CCD收集的空间散射光投射到平面散射角上,实现了CCD像元与散射角的对应,最终实现大气侧向散射系数廓线反演。装置采用的连续激光器还很好地解决了反演大气侧向散射系数廓线的实时性问题。     

侧向散射激光雷达探测白天近地面气溶胶探测技术

基于CCD的侧向散射激光雷达不受几何因子的影响,是探测近地面气溶胶的有力工具。夜晚的探测技术已成熟,由于背景光中夜晚的月光和星光远弱于白天的太阳光,故利用夜晚探测技术得到的白天气溶胶信噪比很低。实验中选用窄带滤光片和小张角镜头,通过校正窄带滤光片透射率、缩短单次曝光时间、多次曝光平均等技术可有效提高白天探测气溶胶的信噪比。白天个例表明,侧向散射激光雷达与后向散射激光雷达反演的气溶胶后向散射系数廓线在0.75~1.50km范围内的变化趋势一致,并对0.75km以下侧向散射激光雷达探测的正确性进行了验证。对合肥地区近地面气溶胶后向散射系数进行了37h的连续昼夜探测,并与同一地点的温度、PM2.5质量浓度联合进行分析。研究表明,改进后的白天侧向散射激光雷达技术是正确、可行的。     

PM2.5质量浓度廓线的激光雷达反演研究

针对PM2.5质量浓度在空间不同高度上的分布测量较难这一问题,采用激光雷达和大气透射仪以及粒径谱仪进行联合探测,反演PM2.5质量浓度廓线.考虑相对湿度等因素的影响,通过大气透射仪和粒径谱仪建立地面PM2.5质量浓度与大气透过率之间的函数关系.以大气透射仪所测地面大气透过率值为基准,修正激光雷达大气透过率在高空的边界值,结合Fernald后向积分法反演出大气透过率的垂直分布.依据建立的函数关系和大气透过率垂直分布,得到PM2.5质量浓度廓线,并采用HYSPLIT后向轨迹分析不同高度层气溶胶的输送和动态变化.通过激光雷达、大气透射仪和粒径谱仪的联合探测实验,结果表明:经大气透射仪修正后,大气透过率垂直分布精度得到了提高,PM2.5质量浓度廓线很好的反映了气溶胶垂直分布的微物理变化特征.     

基于CCD成像的侧向散射激光雷达几何标定方法

通过分析CCD成像特点,设计了侧向散射激光雷达几何标定实验,得到CCD各像元的角宽度,并确定了CCD像元与散射光位置之间的对应关系.对两次实验中采集的回波信号进行标定,并分别与POM02进行相函数比对、与后向散射激光雷达进行探测信号比对,结果表明:相函数廓线和POM02测量结果相吻合;侧向散射激光雷达信号与后向散射雷达的距离修正信号在650m以上的变化趋势一致.侧向散射激光雷达弥补了后向散射激光雷达在近地面段不能探测气溶胶的不足,该标定方法可靠,为进一步利用侧向散射激光雷达研究近地面气溶胶的时空分布奠定了坚实的基础.     

雾霾对基于弹光调制检测系统的影响

近几年我国的雾霾日趋严重，不但对人的健康造成危害、对空中交通造成安全隐患，同时也对很多应用于户外的光学设备造成了影响。为了定量分析不同雾霾等级对基于弹光调制痕量气体浓度检测系统性能的影响，设计了一种测试系统，定量比较了在同一系统中不同PM2.5浓度条件下对等量VOC气体浓度反演的影响。实验中实地采集不同PM2.5浓度的样气，再分别与标准待测气体混合，最终通过对透射光光谱变化和待测气体浓度反演数据的比较，定量分析PM2.5浓度对系统的影响。实验中选用甲醛和苯作为待测气体，分别配制了六种浓度的待测气体，对6个雾霾浓度等级（No.1-No.6）分别进行了测试。实验结果显示，当PM2.5浓度增大时，系统光能吸收率降低。当PM2.5浓度等级小于No.3时，衰减变化相对缓慢，而大于No.3后衰减效果明显增强。当PM2.5浓度小于150 μg·m-3时，测试精度优于90%；当PM2.5浓度超过150 μg·m-3时，对VOC浓度反演的影响变强，当达到350 μg·m-3时，测试误差将近30%。由此可见，PM2.5浓度对弹光调制系统的气体浓度检测具有显著影响。     

光学散射法测量大气中PM2.5的浓度

PM2.5是对人们健康构成威胁的空气污染物之一,要做到针对PM2.5的有效治理,就要先进行有效的监测,以确定污染物的浓度情况。本论文根据光的米散射原理,设计并组装了基于激光散射原理对空气中PM2.5浓度进行测量的装置,测量了大气PM2.5的浓度,应用开源开发平台对系统进来数据处理,并对系统测量准确性进行了评估。     

基于动态雷达比的气溶胶消光系数及光学厚度反演EI北大核心CSCD

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。     

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。     

CCD电视系统实时位置测量的误差分析

本文就CCD电视摄像机对运动物体目标瞬时位置测量精度的几个问题进行讨论。文章首先分析了由于CCD成象器件结构特征和电子热噪音对目标位置测量精度的影响,给出位置测量误差与电视测量系统量化等级的关系,提出在保证一定测量精度下量化等级的选择原则。文章还分析了用普通电视摄象机组成的电视经纬仪测量运动目标位置的局限性,提出为获得较高的测量精度,选用高帧频电视摄象机的必要性。     

基于多光谱数据的永定河流域植被生物量反演

用传统研究植被生物量实测的方法不仅耗时费力,而且由于影响因子不易确定会导致预估精度不高。选择永定河流域河北——北京段为研究区域,以该地区2009年7月20日的TM影像数据为数据源,结合当地分辨率为30米的数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据和其他相关辅助解译资料,并借助全站仪等高精度测量仪器进行外业调查,归纳出永定河地区遥感因子与植被生物量可能存在的函数关系,通过多元线性回归分析遥感影像因子并建立反演模型,最后将反演模型进行精度分析。通过将实测值和预测值分析对比,得出反演模型总体相对误差为-0.025%,平均相对误差为-0.016%,总体预估精度高达84.56%。模型的建立可对大范围流域生态环境因子进行及时、快速、准确地调查,为永定河生态环境问题诊断提供实验数据。     

模拟增益对电荷耦合器件信噪比与动态范围影响的实验研究

电荷耦合器件(CCD)是遥感成像系统的核心部件,为了在低照度、低量化位数的情况下获得高信噪比与大动态范围的遥感图像,首先根据CCD的结构与噪声物理性质给出了模拟增益、量化位数与CCD信噪比的关系,接着搭建了CCD的积分球标定系统,依据实验数据建立了散粒噪声、光子响应非均匀性噪声以及基底噪声的数学模型,然后着重分析了低照度情况下模拟增益与信噪比之间的关系,最后搭建了实际成像系统,获取了低照度情况下不同模拟增益系数的遥感图像.结果表明理论分析、实验室积分球标定数据与实际成像图像符合良好,即模拟增益提高1至2倍 关键词： 电荷耦合器件 模拟增益 信噪比 遥感成像系统     

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.     

基于角度散射法的气溶胶粒子粒径分布反演研究

本文基于人工蜂群-差分近似优化算法(Artificial Bee Colony and Differential Evolution algorithm, ABC-DE)和角度光散射法对气溶胶粒径分布进行了反演研究。此外,本文还提出了一种基于敏感度分析和主成分分析的角度散射测量信号筛选方法,用以提高粒径分布反演结果精度。研究表明:采用角度散射法反演颗粒粒径分布时,选择前向散射角度,如[0°,30°],更有利于提高反演结果精度;粒径分布反演精度与所选择测量角度信号的贡献率相关,高贡献率的测量信号更有利于确保反演结果精度和鲁棒性。     

基于六参量偏振BRDF模型的地物背景偏振反射特性研究

为研究地物背景的偏振反射特性,综合考虑了镜面反射、体散射和后向散射,建立了一种六参量偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型。该模型利用Kubelka-Munk(KM)理论模拟体散射分量,并引入呈高斯分布的后向散射分量,改进了传统的偏振BRDF模型。建立的六参量偏振BRDF模型更加符合地物背景的偏振反射特性。基于多角度偏振测量原理,获得草地和土壤在不同观测几何下的偏振光谱,分析了偏振反射分布特征,并从实测数据中反演了模型参量,将测量值与仿真值进行了对比。结果表明:所建立的六参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据之间具有很好的吻合性,证实了该模型的准确性与有效性。     

HJ-1A/1B卫星CCD影像水环境遥感大气校正方法评价研究——以鄱阳湖为例

HJ-1A/1B卫星CCD传感器具有较高的空间、时间分辨率,在内陆湖泊水质遥感定量监测方面有很大潜力,大气校正是制约其应用的关键问题之一。以我国第一大淡水湖——鄱阳湖为研究区域,结合2009年、2011年两次现场实测数据对FLAASH,6S,COST和QUAC四种大气校正结果进行对比分析,并探讨各种大气校正算法对悬浮泥沙浓度反演精度的影响。结果表明:(1)HJ-1A/1B卫星CCD的第1波段在水环境遥感应用时,建议进行重新定标;第2和3波段四种大气校正结果精度相对较高,其中,FLAASH,6S和COST三种大气校正算法精度都较高,QUAC精度偏低,建议在可能的情况下对该算法进行有针对性的改进;(2)FLAASH,6S,COST和QUAC四种大气校正算法第2和3波段比值结果与实测数据吻合度最好,平均相对误差分别为8.2%,9.5%,7.6%和11.6%,因此建议在鄱阳湖水域尽量采用第2和3波段比值作为反演因子;(3)以四种大气校正结果为基础,与悬浮泥沙浓度直接建模,结果发现,四种模型反演精度均比用实测遥感反射率与实测悬浮泥沙浓度建立的模型反演结果要高,FLAASH,6S和COST三种算法反演所得悬浮泥沙浓度精度都较高,平均相对误差分别为:10.0%,10.2%和8.0%;QUAC略差,平均相对误差为18.6%。建议在泥沙浓度反演时采用大气校正结果与悬浮泥沙浓度直接建模,可以有效降低利用实测光谱数据建模引起的大气校正误差的累积效应;(4)在精度要求不是特别高的前提下,四种大气校正算法都可以采用,但综合算法复杂程度、精度、稳定性等多种因素,在辅助信息不全的情况下,COST大气校正算法更值得推荐。     

基于可见光图像的无创血糖测量仿体实验验证

基于光学测量的无创血糖检测是目前生物医学领域的研究热点,但由于存在信噪比低、背景噪声干扰、准确度不高等问题,该无创血糖检测方法还停留在实验阶段,无法应用于临床实践。针对这些问题,提出了一种基于可见光图像的无创血糖检测方法。该方法通过采集到的散射图像,采用梯度增强决策树算法,建立了散射图像特征参量与血糖浓度关系的回归模型,并通过仿体实验验证了模型的准确性。实验结果表明,利用梯度增强回归模型,可以对可见光散射图像与葡萄糖浓度的关系进行建模,一致性决定系数可达0.929,葡萄糖检测精度平均绝对误差为0.156g·L~(-1)。     

CO_2反演中大气散射影响的光程校正方法

CO2作为影响气候变化最重要的温室气体,其反演精度达到1%是气候研究的基本要求。在反演中解决大气散射的影响,是提高CO2反演精度的关键问题之一。温室气体观测卫星为了实现高光谱分辨率,其光谱带宽通常较窄。高光谱分辨率对CO2浓度变化敏感,而窄带宽在采用传统差分吸收光谱(DOAS)法以快慢变分离的方式处理散射时难以保证反演精度。针对我国高光谱卫星CO2反演算法的开发需求,从光程的角度研究了散射对CO2反演的影响,并与传统DOAS方法在沙漠和草地两种区域进行了对比。结果显示相对于传统DOAS方法,该方法在沙漠和草地区域的应用均使CO2的反演精度得到提高,达到或接近1%的精度需求,反演结果的相关性和数据离散度也得到改善,这表明该方法能有效降低大气散射对CO2反演的影响。