基于标准吸收池的吸收式激光雷达校准方法研究

吸收式激光雷达在大气环境探测领域中发挥着重要作用,其数据的准确性、复现性以及不同系统测量结果的可比性都直接影响到系统测量数据对环境治理工作的价值。基于气体分子对光波的差分吸收原理,设计了一体化吸收式激光雷达校准系统,采用与多种不同标准浓度气体对比的方法实现对雷达系统的精确校准。通过对雷达校准系统的核心部件——多程反射腔进行了仿真模拟,确定了系统中反射腔镜片的相关参数。最后利用甲烷气体对这一标定系统进行了测试。实验表明,该校准系统可以在一个大气压内实现对激光雷达的快速校准。     

瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准

 在进行实际风速测量之前,对于新研制的测风激光雷达系统进行校准,可以验证并提高风速测量的准确性。根据瑞利散射多普勒激光雷达的测量原理,提出了利用瑞利散射谱和米散射谱之间的关系,采用运动硬目标实现对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的方法。设计了对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的实验系统,并给出了详细的校准步骤。     

基于微型多次反射腔的TDLAS二氧化碳测量系统

海气界面CO₂测量对于海洋科学研究具有重要意义,在目前的海洋CO₂测量仪器中,基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的设备因灵敏度高、环境适应性强等特点受到关注。TDLAS系统的体积和灵敏度通常受限于多次反射腔的大小和光程。针对海洋CO₂脱气量小且灵敏度高的测量需求,自主设计了一套微型多次反射腔,用于TDLAS系统的CO₂测量。该微型多次反射腔采用两片口径为25.4 mm、焦距为50 mm的球面反射镜,以38 mm的腔长实现了253次反射,获得了约10 m的光程,封装后的样品池体积仅有90 mL。基于该微型多次反射腔搭建了一套直接吸收TDLAS的CO₂气体浓度测量系统,通过标准气体对该系统进行了测试,检测限约为26×10-6,不同浓度气体线性相关度R2为99.986%。同时还将该系统与LGR公司生产的便携式温室气体分析仪(UGGA)进行了对比测量,结果表明二者在白天CO₂浓度波动较大和夜晚CO₂浓度变化较平稳两种情况下均表现出较好的一致性,R2大于97%。实验结果证明了系统性能,下一步将优化试验装置并进行现场应用。     

基于Fizeau干涉仪的激光雷达测温方法研究

气温是描述大气状态的基本参数之一,温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器,已经用于气象要素的探测中（风、温度、气溶胶的光学厚度等）。目前,测温激光雷达主要有拉曼激光雷达（振动和转动）、共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等,拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器;共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度;基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量,反演温度时需要建立响应函数和校准程序;基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法,时间分辨率较低,并且该方法在测量过程中需要运动部件,所以不利于星载。在大气低层,分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响,两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布,直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度,会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响,所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量,提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量,并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制,从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小,最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外,还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性,利用Matlab软件建立了一套仿真模型,通过模拟表明,在不考虑云、风和水汽含量的影响时,利用该方法测量对流层内的大气温度时,测量误差小于1 K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件,有较高的使用价值,并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。     

用于痕量气体浓度测量的比较式光腔衰荡气室设计与研究

在采用光腔衰荡技术实现痕量气体浓度测量时,设计了用于痕量气体浓度测量的比较式光腔衰荡气室。通过对双探测器的比较及对数线性化,利用所设计的系统及其气室对气体浓度在线测量并进行了实验分析。得出了同种气体不同浓度时光的吸收程度随时间变化的规律与特性,实现了测量分辨力为10^-9的测量结果。     

基于光谱密度的差分吸收光谱法气体测量系统的校准研究

差分吸收光谱法(DOAS)是基于朗伯比尔定律的光谱法测量气体的重要方法,按此原理建立的测量系统是测量痕量气体的主要方法。用于测量痕量气体的DOAS系统的关键是其检出限的校准,传统的方法是使用标准气体进行校准。但是由于标准气体自身的量值确定问题,在ppb甚至ppt级的不确定度大于10%,而一般的ppt级的DOAS测量系统本身的不确定度也会高于标准气体,导致传统方法失效。提出一种基于光谱密度的DOAS系统校准方法,利用朗伯比尔定律将DOAS系统的检出限和光谱密度建立关系。由于光谱密度作为光学量值可以测量到10-6甚至更高,所以通过该方法可以实现DOAS系统在ppb乃至ppt级的校准。本方法需要根据待校准的测量系统光学结构的基本参数计算其总的标准光学密度值,然后把标准光学密度片放入测量系统光程中,测得其光学密度值,根据前后两次光学密度计算测量系统的测量偏差,进而分析计算测量系统的标准不确定度和标定的扩展不确定度,所得到的标定的扩展不确定度即为测量系统的检出限。该方法完全基于光学测量,不需引入标准气体评估,基于光学密度的精密测量和测量系统光学结构的装调误差,实现测量系统在较小不确定度水平上的标定,提高检出限标定的精度。本方法在开放光程式的DOAS系统上进行了实验验证。     

基于光谱密度的差分吸收光谱法气体测量系统的校准研究（英文）

差分吸收光谱法(DOAS)是基于朗伯比尔定律的光谱法测量气体的重要方法,按此原理建立的测量系统是测量痕量气体的主要方法。用于测量痕量气体的DOAS系统的关键是其检出限的校准,传统的方法是使用标准气体进行校准。但是由于标准气体自身的量值确定问题,在ppb甚至ppt级的不确定度大于10%,而一般的ppt级的DOAS测量系统本身的不确定度也会高于标准气体,导致传统方法失效。提出一种基于光谱密度的DOAS系统校准方法,利用朗伯比尔定律将DOAS系统的检出限和光谱密度建立关系。由于光谱密度作为光学量值可以测量到10-6甚至更高,所以通过该方法可以实现DOAS系统在ppb乃至ppt级的校准。本方法需要根据待校准的测量系统光学结构的基本参数计算其总的标准光学密度值,然后把标准光学密度片放入测量系统光程中,测得其光学密度值,根据前后两次光学密度计算测量系统的测量偏差,进而分析计算测量系统的标准不确定度和标定的扩展不确定度,所得到的标定的扩展不确定度即为测量系统的检出限。该方法完全基于光学测量,不需引入标准气体评估,基于光学密度的精密测量和测量系统光学结构的装调误差,实现测量系统在较小不确定度水平上的标定,提高检出限标定的精度。本方法在开放光程式的DOAS系统上进行了实验验证。     

水流吸收型高能激光能量计溯源方法及其溯源体系研究

提出了一种利用电加热丝作为校准源的高能激光能量计校准方法,将水流从吸收腔前端导入至加热容器,在加热后流入吸收腔。通过精确计量水流吸收的热能并与能量计测量结果进行比较,达到对高能激光能量计校准的目的。研究表明校准系统的热交换模型与吸收腔内的热交换模型一致,均经历了储能和功率平衡两个阶段。水流及相变气体的散射效应对测量结果的影响较小,经过修正后可以忽略其影响。通过深入分析各个环节的测量不确定度表明,残留能量和流量变化对测量不确定度的影响最显著,增加水箱的容积可以有效降低残留能量对测量不确定度的影响。在对各个环节的影响修正后估算出系统的测量不确定度约为4.8%(k=2),被校高能激光能量计校准后的测量结果与其他类型的参考高能激光能量计进行比对,两者具有很好的一致性,修正因子仅为1.006,标准偏差为1.4%。     

高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析

提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.     

基于超广角成像的粗糙面反射光场测量方法

针对目前“扫描式”反射光场测量系统依赖复杂机械装置、测量效率低以及“照相式”反射光场测量系统测量角度范围小等问题,提出一种基于超广角成像的粗糙面反射光场测量方法。分析了粗糙面反射光场测量原理,优化设计了折反射超广角成像光学系统,实现了天顶角范围0～54°的周视反射光场测量;校准了反射光场测量系统的空间关系与光场强度,校准后反射光场测量最大相对误差为4.12%,周视反射光场测量平均相对误差最大为2.06%;通过模拟Labsphere Permaflect-80漫反射板、WhiteOptics-DF60漫反射板和美国ACA镜面铝板3种粗糙面的反射光场测量结果,证明了所提表面反射光场测量方法的可行性,丰富了粗糙表面反射光场的测量手段,为对材料表面光学反射特性与损伤等的测量、模拟与重构提供了研究基础与技术支撑。     

基于气体特征吸收谱线的太赫兹时域光谱仪频率校准

提出一种基于气体特征吸收谱线的太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）的频率校准方法。通过将THz-TDS测量结果与CO在THz波段的特征吸收谱线标准数据进行比较,对THz-TDS光学延时线运动速度控制不精确造成的光谱测量线性误差进行了修正,从而实现了THz-TDS的频率校准,修正后的THz-TDS频率测量平均误差为3.1 GHz。     

基于光腔环路衰荡光谱技术气体浓度测量的研究

为了实现痕量气体在线测量与分析,设计了光纤环路光腔衰荡多组分气体浓度在线测量系统;基于非线性光腔衰荡技术,利用所设计的系统对气体浓度在线测量并进行了实验分析;得出了同种气体不同浓度时光的吸收程度随时间变化的规律和1 ppb的分辨率.实验表明该方法对痕量气体的在线测量是有效的.     

基于光腔衰荡光谱技术的压力计校准方法

压强是工业生产过程中的一个重要参数,其准确测量是过程控制的关键。气体分子光谱线型和线宽取决于分子间相互作用和温度、气压等因素,利用窄线宽气体吸收光谱的压力展宽效应,可通过高分辨地测量气体吸收谱线得到压强信息,实现压力计校准。提出了一种基于光腔衰荡光谱技术和气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。采用5.2 μm可调谐量子级联激光器,基于连续光腔衰荡光谱技术建立了压力计校准实验装置。室温下,测量水汽在1 877 cm-1附近的一吸收谱线,线宽为0.084 21 cm-1,重复性测量误差小于1.53×10-4 cm-1,对应的压强大小为98.12 kPa,检测灵敏度优于0.18 kPa,与高精度压力计读数98.14 kPa一致。利用测试谱线线宽与压强的关系得到压力展宽系数(0.087 12±0.000 965) cm-1·atm-1,与HITARN数据库参考值0.087 1 cm-1·atm-1一致。实验校准了一小量程压力计。结果表明基于光腔衰荡光谱的高分辨吸收谱线测量在压强检测和压力计校准领域具有很好的应用前景。     

新型车载式拉曼激光雷达测量对流层水汽

水汽体积比仅仅占整个空气的0.1%~3%,但它却是大气中时空变化最为活跃的气体。拉曼激光雷达由于其测量精度高、探测范围广以及自动化程度高,成为现今测量大气水汽含量的新型工具。介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所于2004年10月自行研制的国内首台车载式拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量,给出其相应激光雷达数据的反演方法,该激光雷达在合肥地区进行了实际测量和对比实验。测量结果显示:该激光雷达夜晚探测水汽的高度范围可以从近地面到达对流层中部8 km左右。同时,该激光雷达还尝试进行了白天水汽探测实验,并首次得出突变层内的水汽混合比垂直廓线。     

可在线校准的大气CO_2浓度光声光谱监测系统研究

Fs光声光谱系统的谐振频率和池常数通常在实验室由标准气体标定得到,但在实际应用中,由于标准气体本身的不确定度以及与被测气体成分的不同、环境温湿度的变化,使得现场测量中谐振频率和池常数与实验室标定结果有偏差,从而导致测量结果不准确。为了解决以上问题,提出了基于大气中氧气的在线校准技术,并将该技术用于检测大气中二氧化碳浓度的光声光谱系统。大气中氧气浓度恒定为20.964%,通过探测氧气在763.73nm附近的扫频信号及峰值信号,实现共振频率和池常数的在线校准。该系统中光声池为直径6mm,长度100mm的一阶纵向共振模式结构。理论上分析了环境温湿度、气体成分对光声池性能的影响,同时给出了用标准气体、室内空气和室外空气标定的谐振频率和池常数,在标定结果的基础上,测量得到室内和室外的二氧化碳浓度值。实验结果显示,与校准过的气体分析仪的测量值相比,用被测大气中的氧气标定的谐振频率和池常数计算的二氧化碳浓度更准确,相对误差小于1%,远小于实验室标准气体标定计算的浓度相对误差。创新处在于,直接利用大气中的氧气对光声池的池常数和共振频率进行在线校准,有效的减小了标准气体标定带来的误差,以及环境变化带来系统漂移,提高光声系统在线监测的准确性和可靠性。     

基于空芯光子晶体光纤气体吸收腔的乙炔检测系统

介绍了一种基于空芯光子晶体光纤(HC-PCF)气体吸收腔的气体检测系统。采用20μm芯径、40cm长的HC-PCF作为气体吸收腔,利用连接套管实现HC-PCF和单模光纤(SMF)的对接。连接套管上留有50μm的缝隙,使环境气体可通过缝隙扩散进入HC-PCF吸收腔。结合可调谐光纤环形激光器构建了全光纤气体检测系统。光纤激光器输出的高功率、窄带宽探测光对待测气体具有很好的选择性,克服了传统检测方法中常见的交叉敏感现象。以乙炔气体为测量对象,对该系统测量性能进行实验验证。实验结果表明,在自然扩散条件下,乙炔气体在HC-PCF气体腔内的扩散时间约为6min,系统响应与乙炔气体体积分数近似呈线性关系,最低检测限为0.1%。     

数字束流位置探测器通道自动增益校准方法的研究与实现

在现有硬件基础上,基于BPM测量准确度的需求,在自制的电子学FPGA芯片内,通过Verilog语言实现了一种数字BPM采样数据增益自动校准的设计。首先介绍了自动增益校准模块的系统总体设计;然后对模块的实现方法做了详细说明,设计并搭建了ADC数据自动增益校准测试平台以验证自动增益较准模块的功能;最后介绍了该设计在BPM通道标定中的应用。实验结果表明,该方法可以实现4通道增益一致,使ADC采样后的数据幅度相同,有效解决了由通道增益不一致引起的测量偏差,以及工程应用中ADC数据幅度校准工作量大且难于操作的问题,将在BPM系统通道自动标定中发挥重要作用。     

传声器次声段灵敏度校准的误差机理研究*

次声波广泛存在于自然界与人类活动中,由于次声波具有穿透能力强、衰减小等特点,隔离和消除十分困难,对次声的监测防护与利用成为人们关注的焦点。次声波的定量研究依托传声器的测量实现,对传声器的灵敏度原级校准是保证测量精度的前提。该文基于活塞发生器校准原理下的压力泄漏与热传导耦合衰减模型,在COMSOL多物理场仿真软件中对校准腔和传声器后腔内的声场特征进行了数值仿真。创新性地提出了模型比较法,准确量化了次声段校准核心的泄漏、热传导独立与耦合修正量,验证并揭示了声压泄漏与热传导损失的幅值与相位变化机理。进一步地对传声器的次声段灵敏度校准过程进行了联合数值模拟,仿真结果表明,内外均压校准声场下传声器灵敏度的幅相频响应存在明显差异,但与校准腔内的泄漏与热传导效应无关。基于搭建的活塞发生器原级校准平台对传声器系统进行了原级校准,通过实验手段初步揭示了内外均压校准机制下传声器幅值灵敏度与相位灵敏度的显著差异。     

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。     

激光雷达数据应用于海气界面气体传输速率的估算

选取2007年1、4、7、10月4个月夜间无云的云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星(CALIPSO)星载激光雷达Version 3.01数据,提取532nm激光海面后向散射系数并计算海面波浪均方斜率。同时选用准同步AMSR-E海面风速数据,利用Wanninkhof等于2009年提出的包含线性、平方、立方项的海面风速与气体传输速率混合关系模型计算海水施密特数为660时的海气界面气体传输速率k660。通过回归分析,得到由星载激光雷达数据反演k660的关系模型。将激光雷达数据反演结果与采用4种典型海面风速关系模型的计算结果进行比较,给出由星载激光雷达数据反演的4个月平均的海气界面气体传输速率全球分布图和纬度分布图。研究表明,CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据可用于反演海气界面气体传输速率。