用云高仪测量边界层高度

为了研究测量混合层高度的方法,对判断混合层高度的几种重要方法,如目测法、梯度法等进行了分析,采用本文中所介绍的的Steyn法,通过阐述其理论基础,给出了理想模型图,并举例强调实际运用时初始值选择对拟合结果的影响。利用云高仪Vaisala测得的3幅雷达回波信号图(气溶胶后向散射系数和高度)进行拟合,得到了混合层高度等结果。结果表明,Steyn法即使在混合层后向散射系数多变、混合层高度偏低的复杂情况下,仍能准确有效地识别混合层高度、夹卷层厚度等信息,大气边界层日变化的实测结果与理论预测值能较好地吻合。

激光雷达探测合肥云层高度方法研究及分析

为了通过雷达回波信号廓线图准确确定云底、云峰、云顶高度,采用微分识别法着重分析了多峰时如何判别单层云和多层云,介绍了雷达结构系统,讨论了2008年5月期间合肥地区云层的高度、厚度、光学厚度的激光雷达探测结果,并进行了理论分析和实验验证。为验证方法的可行性,将雷达和芬兰Vaisala云高仪(探测距离0km～7km)对准同一片云,取得了实测数据,并进行了对比分析。结果表明,用微分法所得云高数据与Vaisala在7km以下较吻合,7km以上所测的卷云和SAGEⅡ所测的卷云高度基本一致,且实验所测合肥上空的高层卷云基本上都是薄卷云,云峰主要分布在9km～12km范围之内。这一结果对以后研究云层高度反演、并与卫星数据进行校验对比是有帮助的。

自适应分层阈值小波去噪在雷达信号中的运用研究

在处理拉曼雷达回波信号过程中,采用小波去噪法进行算法反演前的数据预处理,针对小波去噪的核心问题-小波基的选择和阈值的设定提出了自适应分层阈值软门限去噪的方法,并选择了不同的小波基组合软硬阈值对去噪结果进行了对比。经实验数据验证,相对传统的滑动平均滤波,纯粹的细节和抑制全局阈值法,自适应分层阈值软门限在获取相同信号、保持相同能量的前提下能更好地恢复信号;在有云情况下信号的尖峰结构也没有变化,有效地抑制了噪声,提高了细节识别度和反演精度。

一种脉冲式半导体激光云高仪的关键技术问题研究

云是发生在高空的水汽凝结现象,其生成、外形特征、量的多少、分布及其演变,不仅反映了当时大气的运动、稳定程度和水汽状况等,而且也是预示未来天气变化的重要征兆之一。正确分析云的变化,是了解认识大气物理状况,掌握天气变化规律的一个重要因素。本文介绍了一种新型的脉冲式半导体激光云高自动测量系统,设计了激光收发同轴的光学系统,实现了无盲区的云探测;研制了半导体激光器驱动模块、接收低噪声前置放大、高速采集和信号处理等电路;在数据处理方法上,提出了小波信号特征提取法,能有效地识别出云层信息。研制的半导体激光云高自动测量系统能够给出云底、云高信息,所获得的结果与SAGEII卫星所测的卷云高度基本一致,证明仪器能满足气象观测对云层参数测量的要求,具有一定的可行性。

气溶胶质量浓度垂直分布反演模型的研究

激光雷达监测气溶胶垂直分布一直是大气环境监测领域的重要内容之一。为了研究大气气溶胶质量浓度的垂直分布,对气溶胶质量浓度反演模型进行了理论分析和实验验证。在理论分析后向散射系数与质量浓度之间指数关系及气象因子对气溶胶质量浓度分布影响的基础上提出了一种指数修正模型。采用非线性最小二乘法与经验相结合的方法进行了实验验证,获得了模型参量并反演了气溶胶质量浓度的垂直分布。结果表明,修正模型与实际情况更接近,能更好地反映气象因子对气溶胶质量浓度分布的影响,该修正模型对于气溶胶的垂直分布研究具有一定的参考价值。

大气污染光学遥感技术及发展趋势

空气质量和气候变化是影响人类生存环境的两大主要因素,它们与大气构成变化密切相关,因此,必须对影响人类生存和决定对流层成分的大气过程进行监测。随着监测技术的发展,大气环境监测方法从常规的监测体系向理化、遥测、应急等多种监测分析方法相结合的综合监测技术方向发展。基于激光/光谱的大气污染监测技术以光学探测和光谱数据解析为核心,探测大气痕量气体和颗粒物的时空分布特征和输送规律,并逐渐运用于球载、无人机、卫星等区域动态遥测,可为中国大气灰霾形成的关键影响因素识别提供技术支持。

环境污染与环境安全在线监测技术进展

近年来,日新月异的激光技术促进了光谱技术的发展,以光学探测和光谱数据解析为核心的各种在线监测技术以高灵敏度、高分辨率、高选择性、多组分以及实时等优势在环境监测领域中发挥着不可替代的作用,着重介绍了在线监测技术在环境污染和环境安全方面的应用新进展,并提出了我国进一步深入开展环境光学应用科学技术研究的建议。

一种半导体激光云高仪时序控制和信号处理方案

半导体激光云高仪APD探测器获取的大气气溶胶后向散射信号信噪比较低,难以直接用于反演云高、垂直能见度等大气参数。针对后向散射信号的这种特点,提出了一种半导体激光云高仪时序控制和信号处理实现方案,在完成后向散射信号的高速采集、分段累积平均的同时实现整个系统发射、接收、维护、数据存储和上传等复杂时序控制。经对比实验验证,该方案工作情况良好,能够明显提高后向散射信号信噪比、帮助大气参数的反演。

基于室温量子级联激光器的脉内光谱技术测量N_2O

中红外激光光源覆盖了大量气体的基频吸收带,尤其适合于痕量气体的高灵敏检测。其中具有高输出功率、宽调谐范围、能够在室温工作的量子级联激光器为高灵敏痕量气体检测技术的研究提供了理想的光源。基于脉冲量子级联激光器的脉内光谱技术提供了一种简单而又有效的测量痕量气体的方法。当一个长激发脉冲作用在激光器上时,激光器的频率随着脉冲持续时间的增加而线性减小,从而在单个脉冲上扫描出被测气体分子的特征吸收谱线,实现对目标气体的定性或者定量分析。介绍了基于分布式量子级联激光器的脉内光谱技术,并采用该技术对N2O进行了光谱测量。一个500ns的长激发脉冲应用在脉冲量子级联激光器上用于快速波长扫描,达到接近1cm-1的线性调谐范围,得到了中心在1274cm-1附近的N2O的吸收谱线,与HITRAN数据库相应的N2O吸收谱线有着良好的一致性。

基于MEMS加速度传感器的云高仪倾角和振动测量

提出了一种基于MEMS加速度传感器的半导体激光云高仪倾角和振动测量方案。根据系统要求和加速度传感器的信号特点,研制了外部信号滤波调理电路,并对不同的滤波参数进行了实验比较分析。结果表明:该方案利用一片MEMS加速度传感器的数字和模拟输出,分别进行滤波调理,同时实现精密的倾角和振动测量。测量方案满足系统要求,有效辅助了云高的测量,电路构成体积小、可靠性高、成本较低。

基于室温脉冲工作量子级联激光器的脉间光谱技术研究

量子级联(QC)激光器是唯一能在室温产生中红外辐射的半导体激光器。它的宽调谐范围、高输出功率和单模工作的特性,使得它非常适用于高分辨率光谱分析。结合中红外光谱区是气体分子的基频强吸收特性,基于室温脉冲工作的量子级联激光器的吸收光谱检测技术以其灵敏度高、选择性强及响应快速等特点,成为痕量气体探测的有效方法。介绍了基于分布式量子级联激光器的脉间光谱技术,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了中心在2178.2cm-1附近的N2O的吸收谱线。

用后向散射系数计算颗粒物质量浓度的方法研究

从理论上分析气溶胶后向散射系数和质量浓度之间的关系,利用米散射激光雷达和颗粒物质量监测器振荡天平(tapered element oscillating microbalance,TEOM)分别测量了合肥市郊近地面大气气溶胶的后向散射系数和PM10的质量浓度。在分析其相关性的基础上,利用非线性最小二乘法拟合的方法建立了利用后向散射系数获取颗粒物质量浓度的经验公式,并对利用公式反演的结果进行了实验验证。同时还分析了合肥市郊春季气溶胶的日变化特征,以期对合肥市大气污染总量控制方案及对策提供科学依据。

测云技术研究进展

云的形成和变化是非常复杂的,是气象预测和航空航海等领域中非常重要的因素之一,云对大气辐射平衡影响也很大,直接影响气候和水文学变化,因此,对云进行观测具有重要的现实意义。通常对云的气象观测主要有:云状、云量和云高三项。简要介绍了关于云的一些基本概念和观测标准。目前,对于云量和云状的观测主要还是靠目测,但云高测量的各项技术业已成熟,出现了许多用于测量云高的仪器。激光雷达是用来测量云高最实用的方法,世界各国都投入大量费用和精力进行研究。

机动车颗粒物的激光雷达监测

为了用激光雷达遥测机动车排放颗粒物的浓度分布,从理论上分析了颗粒物后向散射系数和质量浓度之间的关系;利用激光雷达测量的后向散射系数以及黑碳仪测量的黑碳气溶胶质量浓度数据,采用最小二乘法对颗粒物后向散射系数与浓度以及后向散射系数与车流量之间进行了相关性分析。结果表明,激光雷达测量的后向散射系数能够很好地反演机动车颗粒物质量浓度,它们之间存在正比关系。激光雷达探测的气溶胶颗粒物浓度和车流量具有很好的一致性,可以用来研究机动车排放颗粒物的水平分布和扩散特性;这对于机动车的管理以及大气污染控制具有重要意义。

微脉冲激光雷达水平探测气溶胶两种反演算法对比与误差分析

大气气溶胶对人类健康、环境和气候系统具有重要的影响。微脉冲激光雷达(MPL)是一种新型的探测大气气溶胶水平分布的有效工具,而消光系数的反演和误差分析是其数据处理的重要内容。为了探测近地面大气气溶胶的水平分布情况,采用分段斜率法和Fernald算法对合肥地区实测MPL水平数据进行了消光系数反演,并将反演结果进行了对比和误差分析。误差分析表明,分段斜率法和Fernald算法的误差分别主要来源于其理论模型和多个假设条件。虽然分段斜率法和Fernald算法应用于大气水平消光系数的反演都仍存在一定的问题,精确度有待提高,但都能在一定程度上反映出气溶胶粒子的时空分布特征,与前向散射能见度仪的测量结果相关性都能达到95%以上,具有一定的可行性。且相对来说,Fernald法更适用于大气非均匀分布情况下消光系数的反演。

区域大气环境污染光学探测技术进展

环境污染物的形成、转化、输送和演变过程具有极强的时空相关性,研究和发展能适用于多组分环境污染物的快速、实时、动态监测技术是科学研究工作者面临的重大课题.基于光谱学原理的环境监测技术,由于其具有非接触、无采样、高灵敏度、大范围快速监测等特点,是国际上环境监测技术的主要发展方向之一,并被广泛应用于环境、气象和科学研究等领域.针对京津冀地区大气重污染发生—演变—消散全过程的核心科学问题,通过建立大气污染传输通道立体观测网,开展重污染时段和重污染过程的车载走航、机载观测地基遥感和卫星遥感观测,综合运用大气环境监测网以及超级站等观测平台,获取大气污染物的光学特性、环境气象信息等演变规律,从而推动京津冀及周边地区空气质量的持续改善.光谱学技术在环境监测领域的成功应用,为区域大气和全球环境状况奠定了技术基础.

激光测云雷达信号分析

分析了用于测云的最佳激光雷达波段,给出了计算雷达方程所需的大气分子和气溶胶消光系数的垂直廓线模拟图,以及在小孔光阑存在的情况下同轴透射式测云激光雷达的几何重叠因子模拟图,使用拟定的大气探测激光雷达技术参数进行回波信号及其信噪比的模拟计算,分析脉冲发射能量、脉冲发射次数、滤光片半宽等对信噪比不同程度的影响。这对分析测云激光雷达的探测性能具有基本的意义,同时也为测云激光雷达技术参数的确定提供了理论上的分析依据。

基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱技术研究

介绍了基于量子级联激光器的脉内光谱技术,一个长激发脉冲应用在中心波长为7.85μm脉冲量子级联激光器上,用于快速波长扫描,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了中心在1273.7 cm^(-1)的N_2O吸收谱线。

基于激光雷达和微波辐射计的气溶胶质量浓度反演算法研究与分析

大气气溶胶是重要的大气污染物之一,气溶胶质量浓度的垂直分布及其与气象要素的相互影响,对理解大气污染传输具有重要意义。激光雷达因具有高时空分辨率的探测优势而成为研究气溶胶颗粒物立体分布的有力工具。本文利用深圳米散射激光雷达、微波辐射计和近地面气溶胶质量浓度监测仪,根据均方差选取最优参数,建立基于消光系数的温湿融合PM_(2.5)质量浓度反演模型,并以深圳气象梯度观测塔4个高度的PM_(2.5)质量浓度小时均值为基准,对模拟结果进行了验证分析。结果显示:模拟值与观测值两者的变化趋势一致性较好,相关系数受模拟高度、相对湿度影响,并进行了晴天、多云天气下的比对,深圳气象梯度观测塔上4个高度的模拟值和实测值相关系数均大于0.68,平均绝对误差和均方根误差最大值分别为6.88μg/m^(3)和18.56μg/m^(3)。比较4个季节的模拟效果发现,冬季的模拟结果准确性要低于其他三个季节。最后通过个例分析,结合地面温度、相对湿度、风场和气压场,分析了深圳夏季颗粒物质量浓度的时空分布特征。

差分吸收激光雷达监测北京灰霾天臭氧时空分布特征

差分吸收激光雷达是测量对流层臭氧时空分布的有力工具,利用差分吸收激光雷达在灰霾条件下开展观测研究,分析了臭氧浓度时空分布特征。结果表明：在夏季副热带高压大气天气条件下,受偏南风气团输送的影响,6月中旬形成一次高浓度的臭氧污染过程。6月14日夜间至6月15日中午离地面1.5～2km高度的臭氧气团浓度（即体积分数）高达1.2×10^-7以上,下午臭氧气团出现下沉,从而引起当日下午近地面臭氧浓度的升高。在灰霾天气过程中,细颗粒物与臭氧分布在不同高度上具有不同的关联特征,地面颗粒物充分参与了光化学反应过程,而高空高浓度的颗粒物和臭氧气体则与输送有关。晴朗天气下的臭氧浓度在整个空间尺度上都有不同程度的下降,并且没有出现明显的外部输入气团。