日盲紫外域拉曼激光雷达探测大气水汽技术研究

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号,可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱,在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中,多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量,设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出-266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长,采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器,同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统,实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5,283.6和294.6 nm的精细提取。计算仿真结果表明,臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响,主要是探测距离的影响;氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响;水汽通道存在少量太阳背景光噪声,对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明,设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时,可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线,修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收,进一步提升系统的探测能力和探测精度。     

全光纤拉曼测温激光雷达分光系统设计

设计了一个532.25nm波长的转动拉曼激光雷达用新型全光纤分光系统,对强背景噪音下微弱的转动拉曼信号进行高精度提取,以用于探测大气温度。该新型全光纤分光系统由3个光纤布拉格光栅(FBG)及光纤环行器构成,利用FBG的波长选择特性,可高精度剔除大气回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号成份,分离出中心波长分别为530.6nm和528.8nm的转动拉曼散射信号,用于反演大气温度。通过对分光系统进行参数优化设计和数值计算,表明基于FBG的分光系统可以对回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号进行高达7个数量级以上的抑制,满足转动拉曼测温激光雷达对米氏散射、瑞利散射信号的高精度剔除。     

基于取样光纤布拉格光栅的全光纤拉曼测温分光系统设计及优化

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测, 转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声, 以及对Mie-Rayleigh散射提供70 dB以上的带外抑制率. 本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光路, 构建高抑制率的全光纤拉曼测温分光系统, 以实现大气温度的全天时和高精度探测. 根据分光系统光路的传输特性, 采用传输矩阵模型, 优化设计了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比), 得到了优化的光谱分光系统参数. 利用该分光系统可实现太阳背景光强度和Mie-Rayleigh散射信号强度分别比转动拉曼散射信号强度弱40 dB和50 dB, 信噪比高于100时, 白天探测高度可达1.6 km. 该全光纤分光系统具有小型化、抗干扰和稳定性高的优点, 可为陆基及星载拉曼测温激光雷达提供一种全新的解决方案.     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统EI北大核心CSCD

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

激光雷达白天探测大气边界层气溶胶

介绍了自行研制可用于白天探测大气气溶胶的AML-1激光雷达系统,分析了白天工作条件下激光雷达的各种噪声干扰,并给出了抑制噪声干扰的有效措施.其中,天空背景辐射噪声是激光雷达白天工作的主要干扰,通过接收视场角与激光束发散角的严格匹配以及采用高光谱透过率超窄带滤光片可大大抑制天空背景光的干扰.最后,给出了AML-1激光雷达白天测量大气边界层气溶胶的典型结果. 关键词： 大气光学 激光雷达 气溶胶 边界层     

全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统设计与仿真

提出了一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统,选用Nd\:YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励波长,避开了强烈的太阳背景光对系统探测大气温度的影响。设计了一种新型三次衍射式双光栅多色仪作为激光雷达的分光系统。仿真结果表明,双光栅多色仪可实现Stokes与Anti-Stokes高低量子数通道转动拉曼谱线的有效提取,对米-瑞利弹性散射信号的抑制率可达到60～70 dB。充分考虑臭氧吸收和荧光对系统探测性能的影响,所设计的日盲紫外纯转动拉曼激光雷达采用模拟探测模式可在12 min的积分时间内实现2.2 km高度范围内大气温度的全天时探测。     

Mie散射激光雷达回波信号小波去噪方法

针对强背景光下,Mie散射激光雷达回波信号所含噪声的特点,提出小波滤波消噪方法.该方法通过小波变换分离出背景光的直流部分,并利用小波软阈值消除来自背景光的白噪声和探测系统的电噪声.为了验证该方法的有效性,提取并反演了Mie散射激光雷达系统实际探测得到的大气回波信号.反演结果显示有效探测距离从2.5km提高到5km,表明该方法能够在白天背景下有效降低Mie散射激光雷达回波信号中的电噪声和背景光的噪声污染.     

纯转动拉曼激光雷达中阶梯光栅单色仪设计

纯转动拉曼激光雷达测温系统通常根据大气中N₂分子高低阶量子数的转动拉曼散射回波信号来反演大气温度,而探测转动拉曼谱的一种有效方法就是采用单色仪。文章阐述了中阶梯光栅单色仪的探测原理和结构,分析了探测谱线的高阶和低阶量子数及对应的拉曼散射波长。通过对中阶梯光栅的分光原理及色散能力分析计算了准直-聚焦系统的焦距,给出了光学系统的设计参数。利用Zemax软件对光路进行了模拟仿真,仿真结果表明：在探测激光波长为532 nm的条件下,采用两块中阶梯光栅设计的单色仪,能够将529.05, 530.40, 533.77和535.13 nm的拉曼谱线很好的分开,同时对对称量子数的谱线信号进行求和,增强系统的信噪比。中阶梯光栅单色仪体积较小,利于测温雷达系统的小型化。     

绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

Accurate temperature profiling of the atmospheric boundary layer using an ultraviolet rotational Raman lidar

An ultraviolet rotational Raman lidar (RRL) system at an eye-safe wavelength of 354.7 nm is demonstrated for profiling the vertical temperature of the atmospheric layer. Two sets of narrow-band interference filters, which central wavelengths are located at 353.9 and 352.5 nm, respectively, are employed to block the elastic Mie- and Rayleigh-scattering signals and to separate two required rotational Raman signals for temperature retrieval. Experiments were carried out for verifying the feasibility of the prototype of the ultraviolet RRL from May to November in 2008, and the system calibrations were performed with the radiosonde data which were obtain from the local meteorological bureau, and good agreements were got in the experiment results. The observation results show that a statistical temperature error of less then 1 K was obtained up to the heights of 2.5 km for nighttime and 2.0 km for daytime with 300 mJ laser energy and ∼8 min observation time.     

紫外域激光雷达探测西安城区上空大气气溶胶时空剖面

开发了一套紫外域波长的米散射激光雷达系统,探测西安城区上空大气气溶胶污染物质的光学特性及时空变化.系统选用对人眼较为安全的355 nm波长激光作光源,采用高光谱分辨率光栅,并借助光阑,将接收到的主要大气回波信号谱线（米散射和瑞利散射光谱与白天太阳背景光）从空间分离,剔除大部分太阳背景噪音,提高系统的白天探测能力.通过对西安城区上空的气溶胶时空变化特性进行24 h连续观测,采用Klett方法反演得到气溶胶消光系数,首次测得西安城区不同时刻消光系数的高度分布剖面图以及24 h内气溶胶相对质量密度的时空变化特性.     

基于三级Fabry-Perot标准具的纯转动拉曼测温激光雷达

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统,即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源,采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用,对532nm激发光的大气Mie-Rayleigh弹性回波散射抑制比可达10^-10,对量子数J=±6,J=±12的N₂纯转动拉曼散射光谱线接收带宽均小于10pm,因此能充分抑制大气背景辐射噪声及O₂纯转动拉曼谱线的干扰,从而实现了单谱线比反演温度,提高了探测精度,且可在白昼探测大气对流层温度.最后通过探空气球测得的对流层温度垂直分布逆向模拟了该系统双通道的Raman信号曲线,证实了该系统的可行性. 关键词： 拉曼激光雷达 纯转动拉曼散射 三级Fabry-Perot标准具 对流层     

探测大气中CO2的Raman激光雷达

基于大气激光后向散射光谱，研究和设计了探测大气CO₂浓度的Raman激光雷达,其发射机采用Nd∶YAG激光的三倍频354.7nm作为工作波长,发射的单脉冲能量350mJ,重复频率20Hz；接收机采用了光电倍增管(量子效率25%)和光子计数器(计数速率200MHz),探测CO₂的Raman散射371.66nm(频移1285cm^-1)信号,(1小时累加)近地面2.5km以内信噪比不小于8.采用组合滤光片来抑制强的354.7nm Mie-Rayleigh后向散射和氧气375.4nm Raman后向散射对信号的严重干扰. 比较分别来自大气CO₂和参考气体N₂的Raman后向散射回波,可反演出大气中CO₂的相对浓度. 关键词： 大气光学 激光雷达 Raman散射光谱 参考气体 Mie-Rayleigh散射     

Ultraviolet high-spectral-resolution Rayleigh-Mie lidar with a dual-pass Fabry-Perot etalon for measuring atmospheric temperature profiles of the troposphere

We report what is believed to be the first demonstration of measurement of tropospheric temperature profiles in daytime by use of a high-spectral-resolution Rayleigh-Mie lidar at an eye-safe wavelength of 355 nm. Atmospheric temperature is determined from the linewidth of the Rayleigh spectrum. Two Rayleigh signals are detected with Fabry-Perot etalon filters with a dual-pass optical layout. The Mie signal is detected with a third etalon filter for correcting the Mie component in the Rayleigh signals. The temperature statistical uncertainties are below 1 K up to a height of 3 km in nighttime and 2 km in daytime with a relatively compact system that uses laser energy of 180 mJ and a 25-cm telescope. Good agreement between lidar and radiosonde measurements is obtained.     

Raman lidar for the study of liquid water and water vapor in the troposphere

A Raman lidar system based on a tripled Nd:YAG laser is used for profiling of water vapor and liquid water in the troposphere. The Raman signals from water in the gas and liquid state are separated by interference filters and their relative intensities are studied for different atmospheric conditions. For clean weather or immediately after the rain the Raman signal from liquid water inside PBL is about one order of magnitude lower than the signal from water vapor. But during cloud measurements both Raman signals become comparable and the results of water vapor measurements must be corrected for the interference of liquid water Raman scattering. The obtained results are used for the estimation of liquid water content in the atmosphere. Received: 4 October 1999 / Revised version: 18 February 2000 / Published online: 11 May 2000     

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。     

A novel spectroscopic filter used in rotational Raman lidar for the temperature profiling

We perform the rotational Raman temperature measurements in the troposphere and lower stratosphere with high performance. Depending on the aerosol content and presence of clouds in the lower troposphere, the rotational Raman lidar (RRL) is the lidar technique of choice for temperature measurements. However, the Raman filter design is a technical difficulty in RRL systems. Considering the higher spectral resolution and compactness, we select several photonic crystals to construct a novel spectroscopic filter for extracting the required rotational Raman spectrum (RRS) signals of atmospheric molecules. We describe in detail the principle to design the photonic-crystal filter. To verify the feasibility of the novel spectroscopic filter, we carry out some numerical calculations, and our results show that the novel spectroscopic filter has the capability to fine draw the required RRS signal and suppress sufficiently elastic signals. For the RRL system which uses the novel spectroscopic filter, we obtain that a statistical temperature error is less than 1 K up to a height of 3.2 and 5.6 km for daytime and nighttime measurements, respectively. Our simulation conditions are as follows: 532 nm laser with 500 mJ energy, and 10 Hz pulse repeating rate, a 300 mm diameter Cassegrain reflecting telescope with 1000 mm focus length, 0.2 mm diameter multimode optical fiber which sets the field of view (FOV) of receiving system to 0.2 mrad, 45 m range resolution, 9 min observation time, overall optical-system efficiency of 0.6, and a special atmospheric model which integrates the US standard model of 1976 with an actual Mie scattering profile obtained from practical observations.