拉曼激光雷达探测低对流层大气二氧化碳分布

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制成功的我国第一台测量低对流层大气CO2时空分布的拉曼激光雷达系统,选用波长355nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的拉曼后向散射信号。详细分析了拉曼激光雷达系统的定标方法,提出采用Li7500型H2O/CO2分析仪与拉曼激光雷达系统进行对比与标定,结果显示激光雷达与CO2分析仪数据变化趋势一致性较好,激光雷达具有很高的探测灵敏度与准确性,通过线性拟合水平方向标定误差小于0.2%,垂直方向小于1.4%。由标定关系反演出大气中CO2的时空分布,给出了合肥西郊低对流层大气CO2水平方向0～2.0km与垂直方向0～2.5km分布的典型测量结果。     

基于X射线光子计数探测技术的材料K-edge特性识别实验研究

X射线光子计数探测器是多能谱CT成像技术的核心,其通过能量阈值可以选择记录不同能量的X射线光子,有助于分析不同材质的物理特性。利用搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT系统,开展高纯度金属材料K-edge特性识别实验研究。通过设置探测器的不同能量阈值,在不同能量范围获取金属材料投影图像,利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线的衰减特性,以识别金属材料K-edge特性。最终实验结果表明,基于光子计数探测器的X射线能谱CT系统,能够识别金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。通过计算K-edge特征峰能量阈值与材料K-edge理论能量值之间的线性对应关系,对光子计数探测器的能量阈值进行了标定。     

地基激光测风雷达的光束扫描及风场反演

 激光测风雷达通过多普勒频移来确定激光束视线方向上的大气风场的速度矢量。由这些测得的矢量可反演大气风场群速的速度矢量。在本文中,我们将讨论利用单一LDV系统,激光束的扫描方式采用圆锥扫描,在扫描圆锥的垂直截面上取四个正交点上的多普勒风速矢量。通过这四个矢量,利用空间解析几何的知识,最终推导出观测视场上风场的水平和垂直方向的矢量分量。     

地基激光测风雷达的光束扫描及风场反演

激光测风雷达通过多普勒频移来确定激光束视线方向上的大气风场的速度矢量。由这些测得的矢量可反演大气风场群速的速度矢量。在本文中,我们将讨论利用单一LDV系统,激光束的扫描方式采用圆锥扫描,在扫描圆锥的垂直截面上取四个正交点上的多普勒风速矢量。通过这四个矢量,利用空间解析几何的知识,最终推导出观测视场上风场的水平和垂直方向的矢量分量。     

全波形激光雷达回波信号建模仿真与分析

全波形回波信号建模仿真与分析是全波形激光雷达探测技术的一项重要研究内容。针对激光束在目标场景中投影点的获取问题,提出了一种基于激光束空间边界的光线求交快速算法,运算效率高,稳定性好。基于激光雷达信号的时空分布特性,推算出目标场景对信号的响应函数,建立二者的作用过程模型。并针对全回波检测技术中的距离选通探测模式,对目标回波信号与距离选通门限的位置关系进行了分类建模和分析。在研究以上三项关键技术的基础上,构建了全波形激光雷达回波信号仿真系统,仿真实现和分析了不同距离选通门限条件下的全波形回波信号特性,并生成了复杂场景下隐蔽目标的全波形激光雷达数据。     

AML-1车载测污激光雷达探测大气边界层气溶胶

介绍了自行研制用于环境监测的车载式激光雷达(AML-1)系统及典型特点,其在测量气溶胶时不但可以全天候探测,还可以从不同仰角进行测量,对实现连续、实时、大范围监测大气污染有着重要的意义。结合该激光雷达的特点,从垂直、斜程、二维扫描等方面分别给出了该系统探测气溶胶时的典型结果和时空分布图,总结了AML-1车载测污激光雷达系统在测量气溶胶时的优越性和意义。     

AML-1车载测污激光雷达探测大气边界层气溶胶

 介绍了自行研制用于环境监测的车载式激光雷达(AML-1)系统及典型特点，其在测量气溶胶时不但可以全天候探测，还可以从不同仰角进行测量，对实现连续、实时、大范围监测大气污染有着重要的意义。结合该激光雷达的特点，从垂直、斜程、二维扫描等方面分别给出了该系统探测气溶胶时的典型结果和时空分布图，总结了AML-1车载测污激光雷达系统在测量气溶胶时的优越性和意义。     

用于大气温度廓线测量的瑞利-拉曼激光雷达

大气温度廓线及其时间演变特征资料在地球科学领域具有重要的应用,为获取高时空分辨的大气温度的垂直分布,建立了瑞利-拉曼温度测量激光雷达。介绍了瑞利-拉曼激光雷达进行温度测量的主要原理和研制的瑞利-拉曼激光雷达的主要参数;数据处理方面,通过背景噪声剔除和小波算法降噪提高系统的信噪比;使用研制的激光雷达对大气温度廓线进行观测,将观测结果与大气模式数据和卫星观测结果进行对比,均显示较好的一致性,证明了激光雷达温度测量结果的准确性,其温度测量数据可以用于气象学研究。     

用于大气温度廓线测量的瑞利-拉曼激光雷达

大气温度廓线及其时间演变特征资料在地球科学领域具有重要的应用,为获取高时空分辨的大气温度的垂直分布,建立了瑞利-拉曼温度测量激光雷达。介绍了瑞利-拉曼激光雷达进行温度测量的主要原理和研制的瑞利-拉曼激光雷达的主要参数;数据处理方面,通过背景噪声剔除和小波算法降噪提高系统的信噪比;使用研制的激光雷达对大气温度廓线进行观测,将观测结果与大气模式数据和卫星观测结果进行对比,均显示较好的一致性,证明了激光雷达温度测量结果的准确性,其温度测量数据可以用于气象学研究。     

大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统设计与性能仿真

为持续获得对流层低层高精度、高时空分辨率的水汽浓度分布数据,提出了一套改进的大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统方案.详细描述了系统主要组成部分,对主要误差进行了分析与估计,并提出了一种差分吸收截面实时测量装置用于补偿发射激光器带来的测量误差.针对该系统,并结合上海地区不同季节的水汽浓度状况,对935 nm水汽吸收带中四个水汽吸收峰的差分光学厚度、雪崩二极管的倍增系数M与回波信噪比的关系、水汽浓度随机测量误差等进行了详细的仿真与分析.仿真结果表明,根据不同的季节和天气状况,可以选择不同的吸收峰以达到最佳探测效果;在300—5000 m高度范围内,最大可以达到300 m的垂直分辨率与5 min的时间分辨率,水汽浓度随机测量误差不超过18%.     

Experimental validation of the differential image motion lidar concept

We have experimentally validated the concept of a differential image motion (DIM) lidar for measuring vertical profiles of the refractive-index structure characteristic C(n)(2) by building a hard-target analog of the DIM lidar and testing it against a conventional scintillometer on a 300-m horizontal path throughout a range of turbulent conditions. The test results supported the concept and confirmed that structure characteristic C(n)(2) can be accurately measured with this method.     

Daylight rejection with a new receiver for potassium resonance temperature lidars

For daytime operation a new receiver for potassium resonance temperature lidars was developed that includes a twin Faraday anomalous dispersion optical filter and a high-performance photon-counting avalanche photodiode instead of a photomultiplier. The design of a flat spectral filter shape over the lidar scan range avoids instrumental error on the temperature results. Initial temperature measurements under daylight conditions were realized.     

1.06 μm相干激光雷达动目标多普勒信号探测

介绍了一套1.06 μm脉冲式相干激光雷达测速演示系统.采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的Q开关高重复频率Nd∶YAG激光器为发射源,实现稳定的单频输出.通过外差式相干探测的方法,利用转速0~60 Hz可调、直径为10 cm的转盘为运动目标,回波信号被带宽为3.5 GHz的高速光电探测器响应后,经采样率为2.5 GS/s的A/D采样,输送到基于LabVIEW信号处理系统中,从而测量不同转速下的多普勒频移,各测速点的多普勒频移测量结果相对误差在3%以内.针对测量中存在的误差从激光器输出线宽和测速系统准确度两方面进行了误差分析,并提出了改进措施.演示系统的良好重复性证实了这种相干激光雷达系统的可行性.     

合肥上空大气二氧化碳Raman激光雷达探测研究

Raman激光雷达是用于大气成分探测与特性研究的有效工具.介绍了中科院安徽光学精密机械研究所自行研制的一台用于测量低对流层大气CO₂时空分布的Raman激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和对比分析.系统选用波长355 nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N₂和CO₂的Raman后向散射信号与Li-7500型H₂O/CO₂分析仪进行对比标定,通过反演获得了大气CO₂水平与垂直方向时空分布廓线,并且获得了合肥地区大气边界层CO₂的夜变化趋势.结果表明,大气CO₂在空间的分布相对均匀,Raman激光雷达与CO₂分析仪变化趋势一致性较好,能够对大气CO₂时空分布进行有效、连续的观测.     

探测大气气溶胶消光系数的便携式米散射激光雷达

 介绍了一种新型的便携式米散射激光雷达的总体结构及其各部分的功能，分析讨论了该激光雷达在夜晚与白天探测大气气溶胶消光系数垂直廓线的性能。其夜晚的探测高度达到15km左右，白天的探测高度达到10km左右。还可对卷云进行探测，获得卷云的厚度及其峰值消光系数。该激光雷达具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、探测速度快等优点。     

Photon-counting chirped amplitude modulation lidar system using superconducting nanowire single-photon detector at 1550-nm wavelength

We demonstrate a photon-counting chirped amplitude modulation(CAM) light detection and ranging(lidar) system incorporating a superconducting nanowire single-photon detector(SNSPD) and operated at a wavelength of 1550 nm.The distance accuracy of the lidar system was determined by the CAM bandwidth and signal-to-noise ratio(SNR) of an intermediate frequency(IF) signal. Owing to a short dead time(10 ns) and negligible dark count rate(70 Hz) of the SNSPD, the obtained IF signal attained an SNR of 42 d B and the direct distance accuracy was improved to 3 mm when the modulation bandwidth of the CAM signal was 240 MHz and the modulation period was 1 ms.     

Retrieving the aerosol lidar ratio profile by combining ground- and space-based elastic lidars

The aerosol lidar ratio is a key parameter for the retrieval of aerosol optical properties from elastic lidar, which changes largely for aerosols with different chemical and physical properties. We proposed a method for retrieving the aerosol lidar ratio profile by combining simultaneous ground- and space-based elastic lidars. The method was tested by a simulated case and a real case at 532 nm wavelength. The results demonstrated that our method is robust and can obtain accurate lidar ratio and extinction coefficient profiles. Our method can be useful for determining the local and global lidar ratio and validating space-based lidar datasets.     

Capability of Raman lidar for monitoring the variation of atmospheric CO2 profile

Lidar (Light detection and ranging) has special capabilities for remote sensing of many different behaviours of the atmosphere. One of the techniques which show a great deal of promise for several applications is Raman scattering. The detecting capability, including maximum operation range and minimum detectable gas concentration is one of the most significant parameters for lidar remote sensing of pollutants. In this paper, based on the new method for evaluating the capabilities of a Raman lidar system, we present an evaluation of detecting capability of Raman lidar for monitoring atmospheric CO$_{2}$ in Hefei. Numerical simulations about the influence of atmospheric conditions on lidar detecting capability were carried out, and a conclusion can be drawn that the maximum difference of the operation ranges caused by the weather conditions alone can reach about 0.4 to 0.5km with a measuring precision within 30ppmv. The range of minimum detectable concentration caused by the weather conditions alone can reach about 20 to 35 ppmv in vertical direction for 20000 shots at a distance of 1 km on the assumption that other parameters are kept constant. The other corresponding parameters under different conditions are also given. The capability of Raman lidar operated in vertical direction was found to be superior to that operated in horizontal direction. During practical measurement with the Raman lidar whose hardware components were fixed, aerosol scattering extinction effect would be a significant factor that influenced the capability of Raman lidar. This work may be a valuable reference for lidar system designing, measurement accuracy improving and data processing.     

基于高斯拟合的条纹管成像激光雷达目标重构

为得到更为精细的三维重构,提出一种基于信赖域法高斯拟合的峰值探测法,对每帧图像单时间通道的回波进行高斯建模,建模结果可有效减小噪声干扰,具有唯一峰值,该结果作为新的回波波形,再对其进行峰值探测,并基于空中目标实验数据对本文方法进行验证.实验结果表明,基于高斯拟合的峰值探测法可将特征数据的提取误差降至10%以内;利用该方法提取特征数据进行目标三维重构,可实现探测深度方向上最小30cm的空间分辨力,提高了条纹管激光雷达的三维成像精度.     

激光雷达精确修正对流层目标定位误差

提出了一种利用纯转动拉曼激光雷达修正对流层目标定位误差的方法,其基本思想是通过接收氮气和氧气的纯转动拉曼回波信号反演大气折射率垂直廓线,根据目标定位误差理论修正不同高度处目标物的总折射角和高度定位修正值.结果表明：通过纯转动拉曼激光雷达反演大气折射率廓线,可较好修正目标定位误差.计算定位误差时得出相同高度处目标物的总折射角和高度定位修正值随视仰角的增加而减小.当视仰角为10°时,位于8 km高度处的目标物总偏折角可达3.15′,高度定位修正值为14.55 m.当视仰角为30°时,相同高度处目标物总偏折角仅 关键词： 激光雷达 定位误差 大气折射指数 大气温度