新型双通道Mach-Zehnder干涉仪多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪可作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中.鉴于一般M-Z干涉仪的稳定性差,不易于调节的缺点,提出一种基于双棱镜结构的新型双通道M-Z干涉仪作为多普勒测风激光雷达鉴频器件.在进行探测原理分析的基础上,利用光学设计软件对其鉴频系统结构进行了参量优化设计和系统仿真.通过设定实验参量并进行光线追迹模拟仿真实验结果,应用反演理论获得了风速值.利用多普勒频移公式计算获得理论风速并与仿真结果进行了对比,结果表明反演仿真风速与理论风速值基本吻合,标准差为0.46m/s.此新型双通道M-Z干涉仪可以作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中,在光路的调节及提高系统稳定性上具有优势.     

星载激光测距系统点目标探测方程研究

激光测距系统的最大测程是其主要技术指标和进行系统设计时的主要依据,它随探测目标的性质而发生变化.本文推导并给出了激光测距系统对点目标的实用探测方程.分析了激光远场光束分布对探测能力的影响,并利用所得探测方程对某星载激光测距机的探测能力进行了评估.结果表明由于受到光束质量分布的影响,其探测能力在15.05~20.6 km之间变化.对结果进行了分析和讨论,在不改变系统参量的前提下,如果光束质量为平顶分布,则系统整体探测能力可提高至18.9 km.     

底层大气探测激光雷达国内研究现状与进展（特邀）

激光雷达是一种主动遥感探测仪器,具有大探测范围、高时空分辨率与高精度的特点,在大气环境参数（气溶胶、CO₂及臭氧等）及气象参数（温度、水汽、压力及风速风向等）探测方面获得了广泛的应用。随着近些年民众对雾霾类大气现象及气候变化的广泛关注,国家环境治理与气象预报部门以及行业企业等对大气观测技术的迫切需求,大气探测激光雷达在国内得到了快速的发展,并且取得了较好的研究成果。文中总结介绍了近些年国内大气探测激光雷达的研究进展与发展现状。根据探测对象的不同,激光雷达有米散射激光雷达、拉曼探测激光雷达、高光谱分辨探测激光雷达和差分吸收探测激光雷达等,文章较全面地介绍了目前比较常见的激光雷达在大气探测应用中的优缺点及其在不同探测对象中的应用,最后对激光雷达面临的技术瓶颈进行了总结与探讨,并对激光雷达的发展趋势进行了展望。     

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。     

激光高度计探测视场角的测试研究

激光高度计的探测视场角是影响系统性能的一个重要参数,论述了视场角对系统探测性能的影响.受到回波杂散光和探测器响应不均匀性的影响,激光高度计的探测视场会随回波能量的改变而发生变化,而回波能量随探测距离发生变化.本文提出了测试激光高度计整机探测视场角的方法,并且模拟了系统在实际工作状态时的情况;对于有近程延时保护的系统,给出了测试的解决方案.对设计视场角为1.5m rad的激光高度计进行了测试,调节模拟回波信号能量至5×10-8W,模拟其工作距离为200km时的工作状态,得出系统的探测视场角为1.46m rad.     

激光助视下，光谱匹配系数的研究

分析了在激光助视下，景物反射辐射光谱与光电阴极光谱匹配系数的变化，给出了理论公式，分析了此系数的特征和意义.计算了激光助视下光谱与几种典型的超二代管光电阴极（New S25，Super S251，Super S252）的光谱匹配系数，其结果分别为0.833、0.72和0.56.验证了选取激光助视系统光源的合理性，揭示了在激光助视下，光谱匹配系数的特征，同时为在激光助视下夜视系统的视距评估提供了重要参考.     

微脉冲偏振激光雷达探测城市底层气溶胶

以单脉冲能量2μJ,重复频率1kHz的Nd:YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统,可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域,实现近地表80~1000m范围内的精确探测,系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1000m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测,并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明,探测期间无明显沙尘事件发生,探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右,在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域,受地面状况影响退偏比偏高,并获得了退偏比值与天气过程的初步关系,同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.     

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。     

云探测中的激光雷达技术研究进展

云宏微观参数的探测对云物理和气候变化研究具有重要意义。激光雷达是实现云宏微观参数高时空分辨率探测的有效的重要科学仪器。回顾和总结了激光雷达在云参数探测中的主要技术及其研究进展,讨论了激光雷达在云探测研究中的不足和局限性及目前在云探测应用中亟待解决的关键问题,展望了激光雷达未来在云探测中的应用潜力,并提出了研究思路与方案。内容涉及云检测和云相态识别的多波长及偏振激光雷达和云内温度、湿度、风速风向与垂直气流探测等激光雷达技术与方法,分析讨论了云系降水潜力探测的激光雷达应用案例。激光雷达对于探测初生云团及稀薄云层具有较好的穿透性及精细探测优势,但对于强对流云等厚云层,需将其与其他探测手段如微波雷达等联合观测,并开展多源数据融合技术研究,以实现云全生命周期的精细化监测。随着激光与光电子技术和大数据及人工智能技术的发展,激光雷达技术日趋成熟,面向业务化应用所需的系统稳定性、可靠性及探测能力的激光雷达产品将越来越受到气象与环境领域行业专家的关注,并将在云探测领域中发挥越来越重要的作用。     

基于小波去噪算法的全天时大气水汽拉曼激光雷达探测与分析

提出了一种基于小波阈值去噪算法的白天太阳背景光滤波抑制方法,实现对拉曼回波信号中真实信号与噪声的分离,并有效滤除白天背景噪声。基于西安理工大学大气水汽探测拉曼激光雷达系统的全天时实测数据,详细讨论了分解层数、小波基函数、阈值函数以及阈值选取方法等因素对白天探测回波信号去噪结果的影响,对去噪前后信号进行分析并对去噪评价函数进行对比,当利用小波基sym6、分解层数为5层,并采用改进阈值函数和改进通用阈值方法的最优条件时,可实现对白天水汽拉曼散射信号和米-瑞利散射信号较好的去噪效果。讨论了小波去噪前后大气水汽混合比反演廓线和激光雷达水汽探测信噪比(SNR)的结果,分析表明利用该去噪系统得到的白天激光雷达水汽探测SNR提高约3.4倍,水汽探测距离可从1.5~2km提高到3km以上。开展全天时激光雷达连续探测实验和去噪处理,获得了24h边界层内大气水汽混合比的连续变化特性,并得到与近地面气象站数据的较一致的结果,充分验证了小波去噪算法应用于全天时大气水汽探测的可行性和有效性。