基于激光器输出模式的离轴激光雷达重叠因子计算及近场信号校正

基于几何分析,将离轴激光雷达在近距离范围内望远镜视场与发射激光分布的交叠区分为三种形状,并给出了计算离轴激光雷达重叠因子的解析计算公式.基于该公式和发射激光的高斯分布得到了本实验室Mie散射激光雷达重叠因子随高度的变化曲线.利用该曲线对成都地区在不同天气状况下的雷达回波信号进行了校正.在此基础上,利用Klett算法对校正后的回波信号进行了反演,得到了532 nm波长大气消光系数随高度的变化曲线.结果表明,基于文中校正方法得到的大气消光系数能反映实际的天气情况. 关键词： 离轴雷达 重叠因子 高斯模式     

基于高斯光束特性的Mie散射大气激光雷达回波近场信号校正研究

介绍一种基于高斯光束传输特性对Mie散射激光雷达回波信号校正的新方法.首先根据发射激光束的高斯光束特性，对大气激光雷达回波信号作高斯修正，然后在大气近似均匀假定下，对近场区经高斯修正的回波信号距离校正函数进行二次曲线拟合，实现对交叠面积影响的修正，实际计算表明，用此方法对Mie散射激光雷达回波近场信号进行处理，可获得与实际更为接近的反演结果. 关键词： 大气激光雷达 高斯光束 回波近场信号修正 大气消光系数     

离轴激光雷达重叠因子解析研究

为了对离轴激光雷达的近场信号进行校正,本文根据离轴激光雷达重叠因子的定义,利用高斯光束光强的解析传输公式,并考虑到离轴激光雷达系统激光分布与望远镜视场的五种关系,得到了利用雷达系统参数表示的离轴激光雷达重叠因子的解析计算公式。基于该公式对澳门地区雷达回波信号进行了校正和反演,所得结果证明了解析公式的有效性。利用解析公式通过数值计算方法详细研究了雷达系统参数对离轴激光雷达重叠因子的影响,该结果对激光雷达系统设计具有一定的参考价值。     

基于气溶胶光学参数的拉曼激光雷达重叠因子校正方法

提出了一种稳定的拉曼激光雷达重叠因子计算和校正算法,适用于含有拉曼散射通道的激光雷达系统的重叠因子校正。此算法基于大气气溶胶光学参数的拉曼反演算法,通过分析消光系数和后向散射系数的反演特点,发现后向散射系数在过渡区中不受重叠因子的影响。用后向散射系数和激光雷达比的乘积对消光系数缺失信号进行初步校正,进而正演出初步校正后的拉曼散射回波信号,将实际拉曼散射回波信号与正演的拉曼散射回波信号相除即可得到重叠因子廓线。对回波信号和气溶胶光学参数进行了过渡区信号校正和盲区信号补充。分别用单组和连续的激光雷达实验观测数据进行了重叠因子的计算和校正,并与能见度仪观测的近地面数据进行了对比,呈现良好的一致性。结果表明,此算法对重叠因子计算较为稳定。     

成都地区中低云层的激光雷达探测

报道了应用Mie散射激光雷达探测云层的实验.利用改进的Klett反演算法对所测雷达回波信号反演获得大气消光系数分布,进一步求出云层高度、厚度及光学厚度.研究了云底高度和云层厚度在不同天气下的变化情况.获得了成都地区云层的一些重要信息,并对所得结果进行了分析讨论.     

米氏散射激光雷达近场距离校正函数曲线拟合法修正

报道了一种修正米氏散射激光雷达近场回波信号的新方法,首先对近场区实测回波信号距离校正函数进行二次曲线拟合,获得拟合曲线与实测曲线的差分信号;然后对远场距离校正函数作直线拟合,在大气近似均匀假定下,获得近场回波信号距离校正函数直线斜率;最后将近场差分信号叠加在该直线上,获得修正后的近场回波信号距离校正函数曲线。用此方法对米氏散射激光雷达近场回波信号的实际计算证明,该方法可获得与实际更为接近的反演结果。     

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.     

Raman-Mie方法反演气溶胶后向散射系数

传统的Klett和Fernald反演气溶胶法依赖于消光系数和后向散射系数的假设关系,给反演结果带来误差。根据纯转动拉曼后向散射系数仅是大气温度和压强的函数,设计的Raman-Mie方法用米散射和纯转动拉曼回波信号结合探空温度和大气压强共同反演气溶胶后向散射系数。不仅消除了Klett和Fernald方法引入假设带来的误差,还可避免因几何因子修正带来的影响。最后将该方法用于实验室自行研制的拉曼-米散射激光雷达,反演出了大气气溶胶后向散射系数廓线,实验结果与Klett(Fernald)方法分别进行了比较。     

基于粒子谱的多波长激光雷达近场大气光学参数校正方法

非同轴激光雷达由于存在发射激光与接收望远镜之间的不完全重叠区, 造成近场回波信号与真实大气信号不一致. 对于多波长激光雷达, 这种不一致更为突出和复杂. 然而, 近场大气是人类活动最集中的区域, 因此对多波长激光雷达近场信号进行校正, 对于了解和探究边界层大气具有十分重要的意义. 提出了一种利用粒子谱仪测量近地层气溶胶尺度谱分布并运用Mie 散射理论和低层大气指数衰减规律, 进而直接校正多波长激光雷达消光系数廓线近场信号的新方法. 通过对晴天、多云天气和雾天多波长气溶胶消光系数廓线近场信号的校正, 证明了该方法的可行性和实用性. 该方法着重考虑了多波长激光雷达比的波长依赖性和气溶胶粒子谱分布的天气相关性, 将该方法用于近地层大气消光系数廓线校正, 减少了由于不考虑这两个因素带来的消光系数廓线反演和校正的不确定性. 该方法对于研究不同天气情况下边界层内的大气气溶胶物理、光学特性具有一定的实用价值和借鉴意义.     

光束品质因子M2对非同轴激光雷达探测性能的影响

光束品质因子M2直接影响高斯光束传播特性,光纤口径主要约束激光雷达接收系统的视场角.几何重叠因子是影响激光雷达探测性能的重要参量,其主要受激光束的发射特性、接收系统的结构等影响.通过探讨光束品质因子M2及耦合光纤口径对几何重叠因子的影响,为设计激光雷达发射接收系统,改善激光雷达的探测性能提供了优化方案.数值计算及初步实验表明,光纤的耦合效率与光纤的放置位置及光纤口径有很大的关系;几何重叠因子小于1的探测距离受到M2因子的较大影响且随着M2因子的增大而增大.     

一种无需定标的地基激光雷达气溶胶消光系数精确反演方法

如何对低云下雾霾的激光雷达探测数据进行准确定标,一直是米散射激光雷达数据反演中一个有待解决的问题.对于低云和雾霾同时出现的天气,激光很难穿透云层,不能利用大气清洁层对激光雷达信号定标.而对于探测高度小于6 km的便携式米散射激光雷达,由于探测高度较低,也很难利用大气清洁层对激光雷达数据进行定标.本文根据Fernald前向积分方程的特点,提出了一种气溶胶消光系数迭代算法.通过对反演过程进行特定设置,每经过一次迭代,利用气溶胶消光系数迭代算法得到的气溶胶消光系数反演值与其真实值之间的差值就会相应减小.经过几次迭代后,气溶胶消光系数反演值与真实值之间的差值就会小到可以忽略不计.初步反演结果表明:利用气溶胶消光系数迭代算法,无需对激光雷达探测数据定标就能精确反演出气溶胶消光系数廓线.     

基于2D微电子机械系统(MEMS)镜全向激光雷达光学系统设计

为了满足全向激光探测的需求,提出一种基于2DMEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号,6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°,其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°,发散度小于0.2mrad;接收视场内的激光波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1mm,接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20 W的激光束在工作距离100 m内的回波功率≥1 nW,结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。     

OFLID: Simple method of overlap factor calculation with laser intensity distribution for biaxial lidar

We proposed a simple overlap factor calculation method based on laser intensity distribution (OFLID), which is simple, practical and can be applied to any specific laser intensity distribution. In order to obtain the laser intensity distribution and parameters of our laser system, we designed a simple experiment to measure them, and then simulated an ideal Gaussian and uniform laser intensity distribution with the measured parameters. The OFLID calculation results indicated that the overlap factor of the measured distribution has approximately half the relative error of that of the ideal Gaussian distribution in the increasing range field for our lidar. Specifically, the laser intensity distribution should be regarded in the overlap correction of the lidar signal. Theoretically, the OFLID method can reduce the error caused by the hypothesis of ideal uniform or Gaussian intensity distributions in the analytical method. In addition, the method is easy to implement for overlap correction, signal simulation and system configuration optimization for biaxial lidar.     

基于激光雷达的垂直能见度反演算法及其误差评估

针对大气垂直方向上消光系数分布不均匀难以用传统方法直接测量垂直能见度的问题,提出了一种基于激光雷达探测垂直能见度的计算方法。根据大气辐射传输基本原理,借助于辐射传输方程,推导出了垂直能见度的计算公式;然后利用激光雷达原理方程和Klett算法反演出大气垂直方向上的消光系数分布,基于此提出了垂直能见度的迭代算法。最后,利用灰色模型GM(1,1)和批统计算法,对激光雷达反演得到的后向散射系数进行了评估,给出了误差置信区间为(0.760±0.339)×10^-4(srad·km)^-1。结果表明,该方法是一种特别有效的计算垂直能见度的方法,符合探测的基本需求,且误差小精度高。     

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。     

Hydrooptical laser sensing under controllable conditions

Experiments on laser sensing of water under conditions simulating the operation of a laser radar mounted onboard an airplane have been carried out. Values of water extinction index reconstructed from lidar signals are presented, and their dependence on the lidar field-of-view angle is established. These data are compared with the results of calculations by the Monte Carlo method. The experimental and calculated data are described by analytical expressions that differ only by proportionality coefficients. Simultaneously with the lidar, the extinction index was measured with a reference submersible transmissometer. A regression dependence between the lidar-derived extinction factors ε biased due to multiple scattering from their true values and the reference values of ε measured with the transmissometer is obtained. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 12, pp. 34–39, December, 2005.     

Regaining profiles of extinction coefficients of optically dense scattering media in laser location measurements

We suggest a procedure for regaining spectral values of the extinction coefficients ε(r) of optically dense scattering media in laser location measurements. Allowance is made for the contribution of multiple scattering to a recorded signal and its correction for the degree of change of the qualitative composition of the scattering medium. The procedure can increase the accuracy of regaining ε(r) and eliminate the “edge effect” at the end of the probed path. The latter is achieved by determining a calibration constant from the transparency value of the whole probing range, which is calculated from back-scattered signals corrected based on the constancy of the lidar ratio. We present an algorithm for calculating the correction coefficient. The efficiency of regaining profiles of ε(r) is estimated using the atmospheric situation of a pure atmosphere and an extended smoke cloud arising from forest fires as an example. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 74, No. 4, pp. 522–527, July–August, 2007.