对流层气溶胶和水汽的车载激光雷达系统的探测

利用研制的一套具备昼夜测量能力的新型车载大气探测激光雷达系统为试验工程和环境监测提供应用研究。该激光雷达系统由水平测量模块和垂直测量模块构成,可通过接收激光与大气中气溶胶粒子、水汽分子、氮气分子作用的米散射和拉曼散射信号,反演大气水平能见度、垂直的气溶胶消光系数和水汽混合比。并可实现昼夜连续观测,实际测量结果与对比实验表明,大气水平能见度的测量误差小于10%, 6 km以下垂直大气气溶胶的测量误差小于10%,水汽的测量误差最大不超过20%,能够满足大气参数测量的实际需求。     

探测气溶胶-水汽的拉曼-米散射激光雷达系统

设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统,用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术,用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑,运输方便,具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测,探测结果表明：在大气气溶胶的探测过程中,在重污染条件下混合层高度较干净天低,在0.5 km以下,而干净天在1 km左右;通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知,重污染条件下,底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主,干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主;在云层中,Angstrom指数明显减小,且出现负值,说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中,采用自标定方法获得系统的标定常数为121,与已标定的激光雷达系统对比,误差在±0.3 g/kg以内;连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求,可广泛运用于大气环境的监测领域中。     

大气对生物气溶胶激光雷达性能影响的仿真分析

生物气溶胶极易在大气中传播并引发大范围疾病感染,利用生物荧光特异性的激光诱导荧光（LIF）雷达技术是实现生物气溶胶防区外侦测的有力手段。LIF激光雷达是一种宽光谱系统,受大气能见度和背景辐射的影响与窄光谱系统（如米散射激光雷达）有明显差异。为了评估LIF激光雷达在不同大气条件下的探测性能,利用Modtran5对几种典型的大气能见度和背景辐射（或工作时段）的水平路径上的宽光谱背景辐射与大气传输透过率进行了仿真,进而对不同大气条件下LIF激光雷达的探测性能进行了定量分析。仿真结果表明：在相同的大气能见度条件下,夜间的可探测距离要比白天高出2～4倍,且能见度越好,探测性能差异越大;在相同的工作时段,大气能见度良好时的可探测距离要比大气能见度较差时的高出2～5倍,且夜间探测性能差异比白天大;气溶胶生物性识别的可探测距离要比生物成分识别的可探测距离高出1～2倍,且受大气条件的影响明显。     

Raman-Mie激光雷达测量对流层大气气溶胶光学特性

为了研究合肥上空对流层大气气溶胶的光学特性,研制了一台Raman-Mie激光雷达,用来测量大气气溶胶的消光系数、后向散射系数和激光雷达比的垂直分布。文中介绍了研制的Raman-Mie激光雷达系统和数据处理方法,并且给出了几个测量结果。在冷锋过境时,激光雷达测量的整层对流层中大气气溶胶的后向散射系数的时空变化表明,大量的气溶胶粒子被冷空气输送到合肥上空,大气气溶胶在4 km以下的垂直分布有剧烈的变化,混合层顶的高度被抬升到了3 km附近。Fernald方法和Raman方法反演的大气气溶胶光学特性的对比结果表明,该激光雷达能够测量合肥上空大气气溶胶层中的消光系数、后向散射系数和激光雷达比廓线。     

车载测污激光雷达测量大气气溶胶光学特性

本文介绍了运用激光雷达技术探测大气气溶胶消光系数的方法，给出了AML-1车载测污激光雷达的结构和技术指标，并对一些典型结果进行了分析。     

大气风场和温度测量的激光雷达系统及其分析

文中提出了改进的双通道Fabry-Perot(F-P)干涉仪大气风场和温度测量激光雷达系统。该系统采用偏振隔离技术，提高了Rayleigh散射信号光强的利用率，从而提高了系统的测量精度。通过对系统的数值模拟计算，结果表明：风速和温度的测量精度在30km高度分别达到1.5m/s和1.8K，与过去的系统相比测量误差分别降低了近40%和30%。     

大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达的关键参量——激光雷达比问题进行了详细的讨论，利用实际大气气溶胶和云雾粒子的光学特性对0．532μm和l.064μm波长上的激光雷达比进行了计算分析，得到了各种气溶胶粒子组份和典型的集合状态以及云雾粒子的激光雷达比。发现激光雷达比和粒子的物理、光学性质密切相关，不同种类的粒子的激光雷达比有巨大的差异，并且两个波长上激光雷达比的相互关系也不相同，这些结果为激光雷达探测大气气溶胶和云雾粒子提供了依据。     

激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度

为丰富整层大气气溶胶光学厚度测量手段,提出了一种综合微脉冲激光雷达与地面能见度测量数据的探测方法。该方法首先利用激光雷达数据反演得到气溶胶垂直消光系数廓线,据此计算出气溶胶标高;再利用能见度和消光系数的关系得到近地面水平方向的消光系数;最后,将近地面消光系数和标高结合,从而得到整层大气气溶胶光学厚度。将该方法应用于合肥地区,成功得到该地区整层大气气溶胶光学厚度的昼夜变化趋势,验证了该方法的可适应性。     

气溶胶粒径数密度谱的激光大气传输工程应用

气溶胶粒径数密度谱分布是激光大气传输计算的重要参量,鉴于气溶胶的时空变化和难于现场测量的特点,以实测数据为依据,从工程应用角度出发,使用数据拟合的方法得到气溶胶粒径数密度谱与能见度的函数表达式,并通过仿真计算验证该函数的实用性.     

激光雷达测量大气气溶胶光学厚度方法研究

介绍一种激光雷达常数标定和气溶胶光学厚度(AOD)测量的新方法.利用太阳辐射计,获得大气气溶胶的光学厚度,激光雷达可以获得35～40 km高度的回波信号,在这一高度区间可忽略气溶胶的存在,大气模式可以提供大气分子散射系数,根据激光雷达方程计算出激光雷达常数.反之,标定激光雷达常数后,根据激光雷达方程,以激光雷达35～40 km的大气分子后向散射回波信号来确定气溶胶的光学厚度.激光雷达测量结果与太阳辐射计的测量结果一致性较好,说明该方法是可行的.这种新方法既可以用于白天的气溶胶光学厚度测量,也可以用于夜间测量.     

基于光纤F-P滤波器的全光纤水汽拉曼激光雷达系统的设计与分析

提出并设计了一套基于光纤F-P滤波器的可见波长域全光纤水汽拉曼激光雷达系统,实现对大气水汽和气溶胶的精细探测。讨论了光纤F-P腔内损耗和腔镜反射率对F-P透射谱的细度、峰值透过率以及带宽的影响,得到腔内损耗在小于3%的情况下,光纤F-P滤波器具有较高的峰值透过率（>0.5）和较窄的谱线带宽(<0.9nm)。通过结合光纤带通滤波器和二级级联光纤F-P滤波器的参数设计,在三个独立的光通道中分别实现水汽拉曼信号（660nm）、氮气拉曼信号(606nm)和米瑞利信号(532nm)的窄带宽、高透过率严格滤波,并获得对杂散光的高抑制率。通过系统仿真,对各散射信号强度分布、水汽廓线和探测信噪比进行了数值仿真计算,验证了系统方案的可行性。     

遥感测云微脉冲激光雷达

文中介绍一种用于大气云层研究与气溶胶监测的结构紧凑、对人眼安全、高性能和高可靠性的新型全固态激光雷达－微脉冲激光雷达（ＭＰＬ）,该雷达可长时间、实时和自动化工作,对人眼十分安全,它的性能在大气辐射测量（ＡＲＭ）项目中得到验证,并和ＵＩＳＡＬＡ云高计进行比较。证实了遥测云层时,在分辨率、成像能力、云层结构分析、抗干扰能力、小型化、多样化运载平台和成本上均优于微波气象雷达。作用距离已达６０ｋｍ以上。三维测量能力和测量度优于被动辐射计。     

便携式边界层气溶胶监测激光雷达

介绍了一种新型边界层气溶胶监测激光雷达的总体结构及各部分的功能,分析讨论了该激光雷达的几何重叠系数测量结果及北京丰台地区的外场实验结果,探讨了大气边界层内气溶胶消光系数与湿度、风速等气象条件的关系,实验结果表明：水平大气气溶胶消光系数与BC质量浓度、地面风速等近地气象因子均有较好的相关性,该雷达性能优越,结果可靠。     

用于测量流层水汽的拉曼激光雷达

水汽在大气中含量很少,但变化很大,变化范围在0.1%~4%之间,水汽绝大部分集中在对流层。随着光电探测技术的不断发展,大气衰减对光电探测造成的影响也越来越显著,其中水汽是主要影响因子之一,也是最为不确定参数。光电探测中常用红外波段,但是水汽分子浓度较大,对辐射吸收造成很大的影响。拉曼激光雷达是测量大气水汽的主要技术手段之一。介绍了自行研制的水汽测量拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量。测量结果显示:该激光雷达可以对夜晚8 km高度范围内以及白天边界层内的水汽进行测量。实验数据与当地探空数据进行比对,取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达测量水汽的有效性和可靠性。     

小型Mie散射激光雷达信号校准及能见度测量

详细介绍了小型Mie散射激光雷达近场信号的校准方法;数值模拟了理想情况下的平行光轴以及实际中光轴失调情况下的几何重叠因子,并对光轴失调的原因和影响进行了讨论;同时还介绍了利用多项式拟合确定几何重叠因子的实验方法,这种方法无需假设大气水平均匀.尝试利用Fernald迭代算法确定水平大气的消光系数,并与Vaisala能见度仪和AethalometerTM黑炭仪的测量结果进行了对比,具有很好的相关性,从而证明了上述方法的可靠性.     

水汽紫外拉曼激光雷达分光系统研究

介绍了一种可用于工作波长在紫外波段的水汽拉曼激光雷达的分光系统,即利用石英三棱镜组合结构实现对激光雷达多波长回波信号的分光。对于266 nm发射波长,由于激光雷达接收的氧气(O2)、氮气(N2)、水汽(H2O)拉曼波长相隔较近,普通的滤光片难以满足要求,利用该分光系统,对其参数尤其是对棱镜间夹角和光束入射角的优化,可将大气中O2、N2、H2O的拉曼散射信号完全分开,使光电检测系统可在三个独立的通道分别接收O2、N2、H2O拉曼信号,从而反演大气中水汽及臭氧含量垂直分布廓线。应用计算机对分光系统进行了模拟计算,以实现分光系统参数的最佳匹配;在入射角约为36°,棱镜间夹角约为106°时,该分光系统可完全分开O2、N2、H2O拉曼信号。最后,用激光激发拉曼管内高压气体产生受激拉曼散射以模拟回波信号波长的实验方法对计算结果进行了验证和标定,结果表明,该分光系统应用于紫外水汽拉曼激光雷达系统具有可靠性和可行性。     

成像激光雷达大气消光系数的反演方法

针对成像激光雷达的应用背景,利用Klett迭代方法求解水平路程激光大气传播的消光系数,并采用Monte-Carlo方法对典型应用背景下的接收信号进行了模拟,结果表明：采用该方法求解的消光系数的理论误差小于6％;在考虑大气湍流起伏的情况下,消光系数的起伏变化明显,但是与理论模型的变化趋势吻合。     

高低空一体化测风激光雷达

高时空分辨率的大气风场探测对提高数值天气预报的准确性、大气动力学过程的研究、气候研究等具有很重要的意义。介绍了基于双Fabry-Perot标准具的直接接收激光多普勒测量原理。提出了40 km的高低空大气风场同时观测的技术方法。给出了利用大气气溶胶和分子散射信号的Mie-Rayleigh多普勒测风激光雷达的系统结构,并分析了工作波长、望远镜口径、扫描天顶角和标准具参数等激光雷达系统参数。研究了扫描角度误差、气溶胶后向散射信号、大气温度对风场探测精度的影响。分析了雷达系统的总体性能,得出在40 km高度处,当距离分辨率为500 m、时间分辨率为30 min时,水平风速探测精度优于6 m/s,可以满足有关应用的要求。