基于Raman激光雷达反演大气污染气体浓度几种方法

Raman激光雷达是探测大气污染气体的一种重要方法,雷达回波反演是其中的重要步骤,反演的关键在于正确得到透过率指数因子。以消光系数为中心的三个方案,介绍了目前已普遍采用的方法、应用532 nm大气消光系数间接求取α(1λ,z)和α(2λ,z)。提出了两种新方法:(1)采用拉曼波长与待测气体相近的参考气体,α(1λ,z)=α(2λ,z);(2)借助1λ和2λ的Mie-Rayleigh散射回波求取指数因子。

探测低空大气温度分布的转动拉曼激光雷达

提出了一种新的探测对流层低层大气温度的转动拉曼激光雷达方法,通过测量N2和O2的后向散射的纯转动拉曼谱的强度,计算它们的比值来确定大气温度的垂直分布,并对其性能进行了数值模拟。转动拉曼激光雷达的光源是一个调Q的Nd:YAG激光器,经扩束器后输出能量200mJ;采用双光栅单色仪提取所需要的氮气和氧气的转动拉曼谱;接收机采用光电倍增管和双通道光子计数器,量子效率是10%(48000个脉冲累加)。夜晚它对近地面10.2km高度内的探测信噪比在10:1以上,白天它对近地面3.6km高度内的探测信噪比在10:1以上,计算的温度与模拟用的温度真值阔线相差约0.3K。

大气CO_2含量分布激光雷达监测

为有效地控制温室效应和气候剧变,准确可靠地监测CO2气体的变化就变得十分重要。拉曼雷达测量大气中CO2气体含量是一种技术先进的可靠方法。介绍了利用气体的拉曼散射效应来测量CO2含量分布的拉曼激光雷达,分析了拉曼雷达的基本原理,设计了具体的实验检测系统,介绍了实验系统各工作件参数情况。对拉曼雷达的回波信号的反演方法进行了具体阐述,初步取得了大气中CO2气体含量分布规律,合肥地区的二氧化碳气体含量大约在350-400 ppmv范围内波动。

利用转动拉曼测量大气气溶胶后项散射比

利用大气的弹性散射信号与整个转动拉曼信号的比值,不需要假设任何的气溶胶的消光与后项散射比值,就可得到大气气溶胶的后项散射比。通常测量部分转动拉曼谱线之和代替全部转动拉曼谱线之和。全部的转动拉曼谱线之和是不依赖温度,但部分的转动拉曼谱线之和却是与温度有关的。因此,利用转动部分拉曼谱线之和反演大气气溶胶的后项散射比就会带来误差。模拟了随温度变化不同转动量子数的拉曼谱线之和,并且计算了由这些不同转动拉曼谱线之和反演大气气溶胶后项散射比的误差。然后文章提出了一种新的方法,不需要测量整个转动拉曼谱线之和,而只需要测量单条转动拉曼谱线及大气温度,就可以获得大气气溶胶的后项散射比。最后通过实验给出了实际测量的大气气溶胶的后项散射比的结果。

海洋表层叶绿素浓度的激光雷达测量方法和海上实验

依据激光感生荧光的原理和叶绿素分子的荧光谱特性，研制一套激发波长为532nm的海洋激光雷达系统，用于海洋表层叶绿素分子浓度的快速测量。应用该系统于1994年10－11月进行一次长距离的海上现场实验，对东海（2－32°N，122—129°E）21个站位的表层叶绿素浓度进行了测量，得到0．15μg/L-1．10μg／L范围的表层叶绿素分子的浓度分布。测量结果与水样的分光光度计测量结果相吻合。

甲烷和氢气混合气体中的多波长拉曼转换

探索Nd∶YAG倍频激光与受激拉曼散射 (SRS)结合获得从紫外到可见光范围的多波长输出 ,可应用于激光雷达探测空气污染等领域。利用Nd∶YAG激光的三倍频 35 5nm波长输出在甲烷及甲烷和氢气混合气体中的拉曼特性进行研究。获得在 396nm ,4 16nm ,4 4 7nm和 5 0 3nm +5 15nm等多个波长分别约 10 0mW的同时输出 ,以及对个别波长的增强。讨论了不同常见的工作气体及混合气体的特点。与单一工作气体 (氢气或甲烷 )相比 ,混合气体可以获得更为丰富的波长输出。相比甲烷气体在紫外激光照射下的分解作用 ,由于氢气的加入一定程度上抑制了分解反应 。

瑞利-拉曼散射激光雷达探测大气温度分布

介绍一台用于夜晚探测大气温度分布的L6 2 5瑞利 拉曼 (Rayleigh Raman)散射激光雷达。采用Nd∶YAG激光器三倍频输出 35 5nm作为发射激光 ,利用弱光子计数技术检测大气中分子的瑞利散射和N2 分子振动拉曼散射回波 ,分析得到了平流层和对流层中上部大气温度的垂直分布廓线。其观测结果分别与HALOE/UARS卫星和无线电气象探空仪结果进行了对比分析。其中 ,激光雷达观测的平流层温度与HALOE卫星的结果对比表明 ,它们在高度 2 5～ 6 5km内显示出较好的一致性 ,2 0个夜晚的平均温度差别基本上小于 2K。激光雷达与无线电气象探空仪探测的对流层温度在高度为 5～ 18km内反映了较为一致的分布趋势 ,15个夜晚的平均温度差别在 6～ 16 5km高度内小于 3K。这些结果表明 ,L6 2 5瑞利 拉曼散射激光雷达观测数据可靠 ,可用于大气温度分布的常规观测和分析研究。

H_2、D_2及H_2/D_2混合气体受激拉曼特性研究

受激拉曼散射是扩展激光波长的重要方法,但是气体中非线性光学过程对受激拉曼光的影响非常复杂,实验研究受激拉曼光与气体气压及拉曼池耦合透镜焦距的关系是实际应用受激拉曼光的重要手段。设计了受激拉曼实验装置及其测量系统,采用Nd：YAG激光器的四倍频激光266 nm作为抽运源,活性气体（H2、D2及H2/D2混合气体）分别被密封在长为100 cm的拉曼管中,输出的拉曼激光由棱镜分光后用能量计采集保存用以研究拉曼散射特性。给出了H2、D2及H2/D2混合气体的各级Stokes和反Stokes受激拉曼激光能量与气体气压及透镜焦距的关系。获得了217.84--447.15 nm之间的12条激光谱线,有效地扩展了拉曼激光的应用范围。研究结果对气体受激拉曼光的实际应用具有十分重要的价值。

拉曼差分法探测大气中的臭氧

介绍了拉曼差分法测量对流层底部污染物O_3的基本原理。计算和研究了N_2,O_2的拉曼光谱强度分布特征,利用O_3对N_2,O_2紫外波段拉曼散射光的不同吸收特性,推导出O_3浓度反演公式;设计了拉曼差分激光雷达(Raman-DIAL)系统,该系统采用双通道分别接收N_2和O_2对紫外266 nm激光的拉曼散射光,通过拉曼差分法反演大气中O_3浓度。分析了激光雷达系统噪声的来源,对双通道滤光片提出了相应的要求;分析了大气中污染物SO_2,NO_2在紫外波段的吸收特性对拉曼差分法测量O_3的影响及造成的相对误差;利用差分激光雷达AML-2测得的O_3数据模拟了拉曼差分激光雷达系统N_2与O_2的拉曼信号,从而证实了该方法探测对流层底部大气臭氧含量垂直分布的可行性。

拉曼激光雷达信号采集及处理系统

准确可靠地监测大气中CO2含量变化对于研究全球变暖和气候变化具有十分重要的意义。利用拉曼激光雷达测量大气中的CO2含量分布是一种新颖且容易实现的方法。有效地采集CO2气体的拉曼回波信号并进行数据处理反演出测量结果是整个系统的关键所在。根据拉曼激光雷达的原理和信号处理的理论基础,设计了单通道和双通道两种行之有效的拉曼信号采集方案,并分别对其信号处理方法进行了论证。阐述了单通道采集过程中能量波动所造成的对信号的影响和消除方法,重点解决了采集过程中存在的噪声干扰问题。计算了两种方案在采集1 km处的系统信噪比(SNR),单通道采集时约可达到10,而双通道采集时可提高到20左右。