基于回波信号仿真的瑞利-喇曼-米激光雷达研制

在分析瑞利、喇曼和米散射仿真回波信号的基础上,研制了一台探测大气温度、气溶胶和卷云的瑞利-喇曼-米散射激光雷达,实现了一台激光雷达针对大气温度、气溶胶和卷云光学特性的多参数探测。为提高瑞利和喇曼微弱回波信号信噪比,采用了极高灵敏度的R4632光电倍增管和光子计数技术;为实现对大气气溶胶和卷云的探测,532 nm回波信号采取高低分层技术、高层通道回波衰减方法和探测器门控技术。瑞利-喇曼-米散射激光雷达的探测结果证明了利用仿真回波信号指导激光雷达设计的可行性。

一种基于宽带低噪声THS4012运放的激光测高仪前置放大电路设计与实现

激光测高仪依靠回波信号包含的信息来反演地面目标的物理特性,因此必须保持回波信号的保真度和高信噪比。通过选择合适的探测器、设计与探测器匹配的放大电路、设计可以最大信噪比提取信号并保持滤波信号波形的滤波器来达到系统指标。讨论了激光测高仪前置放大电路的设计原则,分析了测高系统中对放大器选择的要求.实验表明,所设计的前置放大电路可以有效地满足设计要求。

喇曼激光雷达探测云及其附近气溶胶光学参量

为了研究喇曼激光雷达探测云与气溶胶相互作用相关光学参量的可行性,研制了一台607nm喇曼激光雷达。采用适当提高喇曼激光雷达配置的方法,提高了喇曼回波信号信噪比。通过实验取得了晴空少云天气下云和气溶胶的消光系数垂直廓线,给出了喇曼激光雷达观测云与气溶胶相互作用的个例分析,说明利用地基喇曼激光雷达,可以为研究云与气溶胶之间相互作用的物理过程提供基础数据,并指出正在研制的多波长喇曼-偏振激光雷达技术探测云与气溶胶相互作用的技术优势。结果表明,喇曼激光雷达具备定量探测中低自由对流层内薄云层和气溶胶消光系数的能力。

数字经济背景下的产业融合特征及引导策略探索——以传统制造业为例

该文分析了数字化产业与传统制造业产业间融合的阶段特征,以及产业融合为数字化产业及制造业数字化带来的创新性效益。以产业融合过程出现的阶段性问题为导向,分析了促进数字化产业与传统制造产业融合的具体引导措施。

机载双波长偏振激光雷达探测大气气溶胶分布

为了满足在区域尺度上大气气溶胶垂直分布的探测需求,在中国科学院重大科技基础设施项目"航空遥感系统"的资助下,研制了机载双波长偏振激光雷达。介绍了该机载激光雷达的主要功能和性能参数,以及在华北地区开展的飞行观测实验,取得的结果表明,该机载激光雷达性能稳定,其探测精度达到设计要求,可以为污染源的识别和传输路径的探测提供高时空分辨率的数据,为认知大气气溶胶的微物理特性和分类提供了重要的机载遥感平台。

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。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。

激光雷达探测大气边界层高度分布的梯度法应用研究

为了研究合肥地区大气边界层结构变化特征,利用偏振拉曼-米散射激光雷达进行了连续探测。首先介绍利用激光雷达回波信号提取大气边界层高度的梯度法,并分析该方法的优缺点。然后对梯度法进行修正,给出具体的实例分析及对比结果。最后利用修正后的梯度法对激光雷达连续测量数据进行大气边界层高度提取,得到合肥地区观测站上空大气边界层的高度分布及时间变化特征。结果表明,实验期间合肥地区的大气边界层高度主要分布在1～1.5 km范围内,平均高度约为(1.28±0.2)km。

敦煌辐射校正场典型气溶胶垂直廓线的激光雷达观测

激光雷达可以获取气溶胶的三维信息。在2010年中国辐射校正场（Chinese Radiometric Calibration Site,CRCS2010）试验中,利用一部米散射激光雷达获取了敦煌辐射校正场区域15天的观测数据,利用经典的Fernald反演方法得到了这一区域的大气气溶胶消光系数垂直廓线并分析了其对辐射定标的影响。观测结果表明敦煌地区在从近地面到2~4 km处存在着一层气溶胶浓度高值层。用于辐亮度辐射定标的飞机飞行高度需要大于此高度,以避开气溶胶高浓度层的影响。并利用MODTRAN（MODerate resolution atmospheric TRANsmission）辐射模式中的气溶胶廓线与实测气溶胶廓线分别进行辐射模拟,对于FY3/MERSI各可见-近红外通道都有不同程度的差异,其中蓝通道（〈500 nm）有4%~5%的辐射差异。

532nm多普勒激光雷达中F-P标准具的优化设计

Fabry-Perot标准具是532 nm多普勒测风激光雷达的核心部件,其参数和加工精度直接影响整个系统的灵敏度和风速测量的精度。对不同波长的回波信号进行模拟,分析所选测量激光波长532 nm的原因。通过对系统的灵敏度和测量精度进行分析,优化设计标准具的主要参数,分析认为,标准具的自由光谱区为9 GHz,带宽1.75 GHz,两边缘通道峰值间隔4 GHz,锁定通道与边缘通道峰值间隔为1.125 GHz时,系统的灵敏度和测量精度最优。通过模拟计算标准具的主要缺陷对透过率的影响,确定标准具的表面加工精度要求5 nm,平行调节时腔长的最大差值要求小于10 nm。

星载激光雷达滤波器组件热分析及参数优化

为了有效提高星载激光雷达后继光学系统中滤波器组件结构热保温性能,保证其核心部件F-P标准具利用材料的热光特性进行中心波长调谐的精度,对滤波器组件进行了初步热结构设计。利用有限元软件Ansys Workbench对滤波器组件初始结构进行稳态热分析,确定加热功率范围,再对热结构中的关键参数进行基于灵敏度分析的多目标优化,并确定各参数的最优值。优化分析结果表明:标准具达到稳态设计工作温度48℃时,加热功率为7.05 W,节省功率消耗11.3%,标准具表面节点最大温差由原来的0.253℃减少为0.05℃,满足设计技术指标要求。

双波长激光雷达探测典型雾霾气溶胶的光学和吸湿性质

气溶胶的光学和吸湿性质信息对研究雾霾形成的机制至关重要。为了在环境相对湿度背景下研究利用激光雷达方法探测雾霾气溶胶光学和吸湿性质,选择合肥地区两次典型雾霾过程作为个例,利用水平探测的双波长激光雷达获取气溶胶消光系数、能见度、Angstrom波长指数以及消光系数吸湿增长因子。个例研究结果表明,在环境相对湿度变化的背景下,激光雷达可以有效地获取雾霾气溶胶光学参数以及吸湿增长因子随相对湿度的变化规律,且具有探测开放大气和不扰动被测大气的技术优势。

探测云和气溶胶的机载双波长偏振激光雷达

针对机载双波长偏振激光雷达的技术特点,结合搭载遥感飞机的基本性能,分析了激光雷达的设计方法;仿真计算了激光雷达的配置参数;解决了激光雷达应用于航空平台的一些关键技术。通过实验取得了初步的结果,地基实验表明,激光雷达达到设计指标要求的探测能力。初步的飞行实验结果表明,激光雷达采用的关键技术符合航空平台关于体积、重量、功耗以及环境适应性的要求。利用激光雷达的主动探测能力,结合机上同时搭载的被动遥感仪器,将实现国家关注的大气成分及其环境要素的科学实验研究目标。

瑞利-拉曼-米氏激光雷达光学接收和信号检测设计

研制了一台探测大气温度、气溶胶、卷云的瑞利-拉曼-米氏激光雷达(RRML),介绍了激光雷达的设计方法,基于单片机实现了光电倍增管门控电路。通过数值模拟计算大气后向散射回波信号,分析仿真信号的特征,作为激光雷达设计的参考。通过设计合理的接收光路,采用极高灵敏度的R4632光电倍增管以及微弱信号光子计数技术,提高瑞利和拉曼微弱信号的信噪比(SNR)。为了实现瑞利-拉曼-米氏激光雷达对大气气溶胶和卷云的联合探测,532nm回波信号采取高低分层技术,通过对气溶胶和卷云的回波光加衰减和探测器门控两种手段相结合,保证了R4632光电培增管极高的灵敏度探测器对大气气溶胶和高层卷云回波信号的线性检测,从而实现一台激光雷达对大气温度、气溶胶和卷云的探测。试验表明,信号检测单元的设计满足测量精度的要求。

探测大气温度和气溶胶的瑞利-拉曼-米氏散射激光雷达

研制了一台瑞利-拉曼-米氏散射激光雷达,实现了对流层和平流层大气温度和密度的探测。作为多参数大气探测系统,该激光雷达也实现了夜间至25km、白天至5km高度气溶胶的探测能力;其中激光雷达是探测平流层气溶胶最有效的手段之一。利用该激光雷达对目前合肥地区对流层温度、平流层逆温现象、对流层和平流层气溶胶做了探测和分析,并给出若干典型结果。分析表明,该激光雷达数据可靠,可用于大气温度、密度、气溶胶的常规观测和分析研究。

拉曼激光雷达探测合肥地区夏秋季边界层气溶胶的光学性质

研制了一台拉曼-米-瑞利散射多参数大气探测激光雷达系统,利用其拉曼-米散射通道,实现了边界层内532 nm大气气溶胶消光系数、后向散射系数和消光后向散射比(激光雷达比)的定量测量。利用研制的激光雷达,对合肥地区夏秋季气溶胶光学性质进行了常规观测,观测结果显示,激光雷达比垂直廓线没有明显的突变,说明夜间近地面气溶胶混合得较均匀,并且微物理性质相同。夏季气溶胶激光雷达比平均值为(64.4±6.1)sr,相对较大;秋季平均值为(51.5±5.1)sr,相对较小;夏秋季气溶胶激光雷达比总体变化不大。夏秋季气溶胶激光雷达比稍有不同的原因,可能与气象因素或者气溶胶组成成分略有变化有关。在夏秋各自季节内,激光雷达比各天观测结果变化较小,说明在同一季节内,气溶胶的微物理性质和组成成分相同。整个试验期间观测的激光雷达比在43～72 sr之间,总平均值为57.9 sr;初步判断,处在污染型陆地型气溶胶激光雷达比的范围内。

相对湿度影响地表气溶胶波长指数的个例研究

利用双波长激光雷达观测合肥地区地表气溶胶的波长指数,根据观测期间的风向信息,选择了城市污染和乡村扬尘气溶胶作为两次典型个例,分析相对湿度（RH）对气溶胶波长指数（AE）变化规律的影响。观测结果表明,两次个例相对湿度对波长指数的影响均较明显,但是两次个例中波长指数与相对湿度之间的相关性明显不同。扬尘个例期间,当相对湿度在49.2%～91.9%之间变化时,波长指数的变化范围为0.75～1.98。污染个例期间,当相对湿度在58.7%～96.0%之间变化时,波长指数的变化范围为0.2～1.56。污染个例期间,相对湿度与波长指数之间呈负相关性,导致该现象的原因可能是,当粒子尺度谱满足Junge分布时,由于亲水型粒子吸湿增长,导致其粒径增大以及波长指数减小。值得注意的是,扬尘个例期间,相对湿度与波长指数之间却呈正相关性,导致该现象的原因可能是粒子尺度谱分布是由污染细粒子和扬尘粗粒子组成的多模态分布。

机载激光雷达探测京津冀地区气溶胶的空间分布

利用一台研制的机载双波长米氏散射激光雷达,对京津冀地区大气气溶胶的三维空间分布进行了探测。给出了其中一次较典型的观测实验,该架次航线与边界层内的气流方向垂直,有利于获取区域尺度上气溶胶分布的剖面信息。观测结果显示,京津冀腹地密集的污染排放源,结合气流对气溶胶的输送和扩散作用,导致观测期间该地区形成了大范围区域立体污染。通过分析典型污染源周边的气溶胶分布,研究了重污染源排放的气溶胶随气流扩散的过程。初步的飞行实验结果表明,该激光雷达性能稳定,可以为污染源的识别以及污染物传输路径的探测提供高空间分辨率的数据。

激光雷达遥感地表气溶胶消光吸湿因子及其对波长的依赖特性

介绍了一种在开放大气环境下、利用水平探测的双波长-偏振米氏散射激光雷达遥感地表气溶胶消光吸湿增长因子的新方法。在激光雷达垂直观测气溶胶吸湿性质相关研究报道的数据筛选方法的基础上,利用消光系数与实测相对湿度(RH)之间的强相关性,以及实测的粒子质量浓度和粒子退偏振比的变化规律作为判据,说明吸湿增长作用是引起地表气溶胶消光系数增大的主要原因。相比于激光雷达垂直方法观测气溶胶吸湿性质,该筛选过程更加严格地约束了激光雷达水平观测吸湿性质的筛选判据,且对气象条件的约束相对简单。利用筛选得到的有效数据,计算得到气溶胶消光吸湿增长因子,并分析其对波长的依赖特性。观测结果表明,在开放大气条件下,合肥地区粒子谱分布可能会出现单模态、双模态甚至多模态的复杂情况,导致Angstrom波长指数与相对湿度之间的变化规律表现为正相关、负相关和不相关3种结果;同样也导致短波的气溶胶消光吸湿增长因子弱于、等于或强于长波的气溶胶消光吸湿增长因子的多样性现象。

基于内置集成电路总线技术的太阳光度计

提出了一种基于内置集成电路总线技术的太阳光度计,系统采用硅光电二极管组成光电检测电路,可以有效地降低仪器的体积、功耗、价格,从而实现以很高的性价比设立大范围的观测网,同时光度计有很高的观测精度。介绍了系统的探测原理、电子学软硬件系统设计以及实验结果分析。实验结果表明太阳光度计运行可靠,可以满足气溶胶观测的要求。

三波长拉曼偏振激光雷达系统研制及探测个例

大气气溶胶和卷云对地球-大气之间辐射收支平衡有重要的影响,主要表现在它们的直接气候效应、间接气候效应以及它们之间的相互作用。为了深入研究大气气溶胶的微物理特性和卷云的物理性质,开发研制了三波长拉曼偏振激光雷达系统,它由发射、接收、控制与数据采集子系统组成。该激光雷达系统具有探测波长多、探测范围大、时间和空间分辨率高、灵敏度高和数据可靠等特点。由该激光雷达的数据可以反演355、532、1064nm 3个波长上的后向散射系数,355nm和532nm两个波长上的消光系数以及532nm波长上的退偏振比。个例研究结果表明该激光雷达系统数据可靠、可以对气溶胶和卷云进行微物理性质的探测研究。