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。     

激光雷达测量大气温度的傅里叶分析方法

在对流层(小于12km）,由于大气中气溶胶的存在,传统的利用大气中瑞利散射光谱测量大气温度的方法具有一定的局限性。借助傅里叶分析方法对不同高度的大气后向散射光谱通过碘吸收池所产生的不同透过率曲线进行处理,同时考虑了对流层中气溶胶的影响,可得到对流层中不同高度、不同大气后向散射比条件下的温度轮廓线。     

激光雷达测量大气温度的傅里叶分析方法

 在对流层(小于12km），由于大气中气溶胶的存在，传统的利用大气中瑞利散射光谱测量大气温度的方法具有一定的局限性。借助傅里叶分析方法对不同高度的大气后向散射光谱通过碘吸收池所产生的不同透过率曲线进行处理，同时考虑了对流层中气溶胶的影响，可得到对流层中不同高度、不同大气后向散射比条件下的温度轮廓线。     

激光雷达在大气测量中的应用

 从６０年代初期激光雷达问世以来,在短短３０余年中,激光雷达技术得到了飞速的发展,其应用领域也越发广泛,涉及科学研究、军事工程和国民经济许多部分。特别是应用激光雷达技术在完全大气测量等项工作中显示出这一技术独有的特性和突出的发展前景。激光雷达对大气的测量工作是通过射向大气中的激光与大气中的气溶胶及大气分子的作用而产生后向散射且被探测器接收而实现的。如图１所示：从激光雷达到被反射至接收器的信号携带着被测物质有关的信息（吸收、散射等）,通过对这些信息进行分析便可得到所需的物理量（温度、速度、密度等）。     

一种激光雷达测量海洋光学参数的新方法

为了拓展海洋光学参数的激光遥感测量手段,借鉴高光谱分辨率多普勒激光雷达对大气散射信号的测量机制,提出了一种利用激光雷达水下后向散射信号测量海洋固有光学参数的新方法。在原理方面,描述了测量系统的组成和利用碘分子吸收滤波器实现水分子瑞利散射信号和悬浮物米散射信号的光谱分离测量方法, 在结论方面,给出了利用海水激光后向散射信号实现海水悬浮物后向散射系数和海水体消光系数的具体反演算法。     

基于机载激光雷达监测海洋赤潮模型研究

提出了基于机载激光雷达应用于海洋赤潮的监测与预报方法,以检测激光水下后向散射光信号,实现对海洋赤潮藻密度信息的获取.引入赤潮藻散射系数的概念,建立了机载激光雷达的赤潮藻散射系数探测模型.通过仿真计算,证明该模型可以有效评估出赤潮藻密度的大小,进而实现对赤潮消长过程的判断.     

大气边界层白天温度测量用转动拉曼激光雷达

设计了一个转动拉曼激光雷达系统,对大气边界层温度进行全天候高精度测量。系统选用波长355 nm的紫外激光作光源,采用高光谱分辨力光栅,将雷达接收到的散射信号以及太阳背景光从空间上分离,配合边缘反射镜,反射转动拉曼信号,去除大部分米氏-瑞利散射和太阳背景光噪声信号,并用两个窄带干涉滤光片,分离中心波长为353.9 nm和353.1 nm转动拉曼散射信号,同时对噪声信号进行2次高精度剔除,以保证白天测量的需要。对系统进行了分析及数值计算,结果表明在激光脉冲能量300 mJ,望远镜有效口径25 cm,测量时间10 min的条件下,可以在白天太阳背景光辐射度为3×108W/(m2.sr.nm)的边界层内测量高度2.5 km以下的大气温度分布,并在大气散射比低于2.5的条件下,温度测量精度可达到1 K。     

非线性拉曼激光雷达测量CO2气体的研究

提出了利用气体的受激拉曼散射(SRS)效应激光雷达光源来探测大气中的CO2气体的新方法,设计出探测大气中CO2气体含量的非线性拉曼增益激光雷达,用Nd:YAG激光器(1064 nm)的三倍频光(354.7 nm)通过分别装有CO2气体和N2气体的拉曼管,分别得到CO2气体和N2气体的受激拉曼散射的一阶斯托克斯线(S1),并用S1线作为雷达的种子发射光源.通过实验得到拉曼管中的气压与S1能量的变化关系,对其优化条件和物理机制进行了分析.该实验方法已经成功测出了大气中CO2气体的回波电压信号.     

利用激光雷达测量都市上空气溶胶的浓度分布

测量都市上空气溶胶浓度分布的最方便方法是水平米散射激光雷达。因激光雷达是主动遥感监测系统,其测量距离可达到几公里,而且具有高时空分辨率的特点。同时,其设计也可以达到激光安全标准。本研究所用的激光雷达系统是安装在海拔118米高的山上。在观测时可以测量稠密市区上空的气溶胶分布与及监察从发电厂排放出的微粒。本文介绍这激光雷达系统的设计及激光雷达反演的方法。会对激光雷达量度的消光系数与大气监测的可悬浮粒子浓度之间的相关性进行考证。     

纯转动拉曼法确定激光雷达几何因子

提出了一种确定激光雷达几何重叠因子的新方法。研究了大气分子纯转动拉曼谱线强度分布特征。利用大气分子总的纯转动拉曼激光雷达信号结合瑞利-米氏散射激光雷达信号能精确反演激光雷达几何因子。这种方法消除了振动拉曼方法中气溶胶波长指数影响以及水平测量法气溶胶非均匀性的限制。数值模拟结果表明:在大气温度三种分布模型和气溶胶波长指数三种分布模型下几何因子反演的最大相对误差小于0.5%。根据实际激光雷达信号反演得到了系统的几何因子。     

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.     

Mie散射激光雷达研究大气边界层特性

基于Mie散射大气激光雷达,应用Klett算法对回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参数。对比雷达实测数据与探空气球所测数据,证明二者存在较好相关性。基于实测数据讨论了四川盆地大气边界层特性对气候的影响。     

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。     

基于光谱分类的总悬浮物浓度估算

总悬浮物浓度是水质评价的重要参数之一,传统的遥感反演估算模型忽视了光学性质多变、复杂的二类水体的差异性。本研究基于太湖、巢湖的星地同步实验,针对环境1号卫星多光谱数据,设立了水体光学分类方法,将研究水体分为二种类型,进而建立了适用于不同类型水体总悬浮物浓度的反演估算模型。得出以下结论：(1)基于光谱分类的方法可以提高总悬浮物浓度的反演估算精度;(2)对于类型一和类型二水体,分别使用指数模型和线性模型可以较好地反映总悬浮物浓度与反演估算因子之间的关系。     

浮游植物的吸收和散射特性:理论模型

利用Mie理论模型对不同粒径分布和复折射率的浮游植物吸收和散射特性进行了模拟计算。在550nm波长处,直径<10μm的颗粒对总的散射系数贡献最大,单位体积浓度的散射系数随着折射率实部n的增大呈有规律的地增加。对给定的n值来说,随着微分粒径分布参数j值的增大而增加,折射率实部n对单位色素浓度的吸收系数ap*(λ)的影响很小,对bp*(λ)影响相对较大。折射率虚部n′对单位色素浓度的吸收系数ap*(λ)的影响很大,对bp*(λ)的影响相对较小。微分粒径分布参数j对ap*(λ)和bp*(λ)的影响都很大,ap*(λ)随j值的减小而减小的主要原因是因为大颗粒“打包效应”引起的吸收减弱,而bp*(λ)随j值的增大而增大的主要原因是因为小粒径颗粒对散射的贡献。     

新型车载式激光雷达探测对流层气溶胶

介绍了中国科学院安光所自行研制的新型车载式激光雷达的结构和主要技术参数,给出了雷达数据的反演方法,并利用它对合肥地区对流层的大气气溶胶进行了探测。测量结果表明,该雷达具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间与空间分布特征。     

油砂混合水体后向散射系数光谱贡献分离算法Ⅰ: 实验理论

在石油类污染水体中,油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构,影响水体后向散射系数光谱特征, 分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献, 能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOS Ⅱ18角度散射测量仪、美国SEQUOIA公司生产的LISST-100x B粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测,构成后向散射系数光谱测量系统,分别测量不同水样的散射强度电压值、粒径分布及粒径浓度、后向散射系数等参数,提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比,获取不同特性水样,测定相关数据。首先, 根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ);其次,建立的DAWN HELEOS Ⅱ 18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式;再次,根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数m_os以及油的折射系数m_o;最后,利用β(λ,θ)和估算的m_os值及m_o计算出各类样本的后向散射系数b_b(λ),分别建立油污水b_b,o(λ)和石英砂b_b,s(λ)与油砂混合总b_b,os(λ)的分离算法。分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性,另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。     

激光雷达信号随机误差的估算

在分析随机误差来源和激光雷达数据特点的基础上,介绍一种新的随机误差计算方法——噪音比例因子方法.该方法用一次测量数据列中远处背景信号算出噪音比例因子,再由噪音比例因子求出任一距离上有用信号的随机误差.用实测的激光雷达信号进行检验,结果表明,这种方法是可靠且可行的.