差分吸收激光雷达测量对流层臭氧

利用激光雷达对对流层 2～ 4km高度范围的臭氧分布进行了测量。测量结果表明 ,利用YAG激光器产生的两个波长 (2 6 6nm和 2 89nm) ,可以得到比较精确的臭氧分布。

对流层低层臭氧的差分吸收激光雷达测量

利用紫外差分吸收(DIAL)激光雷达对北京南郊对流层低层臭氧垂直分布进行了测量,将探测结果与探空气球同时测量的结果进行了对比,取得了较为一致的分布趋势。选择北京南郊地区晴好天气探测的结果进行了统计分析,结果表明:近地面层内随高度增加,臭氧体积混合比逐渐减小;距地面0.5～1.5km内平均臭氧体积混合比具有明显的日变化趋势,最大值出现在午后14点左右,相对太阳辐射最强时刻具有明显的滞后性;日平均最大体积混合比低于4×10-8,体积混合比起伏小于±3.2×10-9。

基于差分吸收激光雷达的一种新的对流层臭氧浓度反演算法

差分吸收激光雷达探测对流层臭氧浓度时,气溶胶的干扰会造成较大的误差。提出了一种算法,该算法能够同时反演得到对流层臭氧浓度和气溶胶消光系数,减少气溶胶对反演结果的影响。使用实验数据,分析计算了气溶胶雷达比,气溶胶波长指数、标定点气溶胶后向散射比各种变化参数对反演结果的误差。结果表明,1km以下,各种变化参数造成的反演误差小于8%,1km以上臭氧浓度误差主要来源于信号和背景噪声,各种参数反演误差小于3%。最后给出了利用该算法得到对流层臭氧浓度和气溶胶的消光系数垂直廓线,并和传统的双波长差分算法反演结果作了比较分析。实验结果表明该算法是可行的,该算法可以减少气溶胶对差分吸收激光雷达测量结果引起的误差。

基于差分吸收激光雷达的云消除算法研究

差分吸收激光雷达测量臭氧浓度过程中,云层信号会造成对流层臭氧浓度剧烈的抖动,带来了很大的测量误差.本文提出了一种云消除算法,该算法通过插值云层高度区域内的臭氧浓度,有效消除了对流层臭氧浓度的剧烈抖动.通过阐述其理论基础,给出了其算法关键点,即云信号的识别和云高度的精确定位.根据云层消光系数的特点,通过设定气溶胶消光系数阈值获取云层高度信息,利用累加平均有效减少噪音造成的测量误差.结果表明,在精确确定云高、云底的基础上,运用线性插值算法对臭氧测量结果进行修正,可以有效克服云层对测量结果造成的急剧起伏.

差分吸收激光雷达探测二氧化硫实验研究

二氧化硫是大气中最常见、最重要的污染物之一。差分吸收激光雷达探测二氧化硫具有高时空分辨率、高探测精度等优点。用两台Nd：YAG激光器泵浦两台染料激光器后,通过倍频晶体得到测量大气二氧化硫所需的两个波长,它们分别是λon=300.05 nm和λoff=301.5 nm。将两束光束用几组反射镜合为一束光束,经扩束镜6倍扩束后垂直发射进入到大气中。接收望远镜收集两个激光波长的大气后向散射信号,信号采集单元记录两个波长的后向散射回波信号的垂直高度分布。通过数据反演获得二氧化硫的高度分布。初步实验结果表明,实验期间合肥西郊董铺岛垂直高度0.3~1.6 km的二氧化硫在0~14 ppb范围内波动。最后分析并估算了该二氧化硫差分吸收激光雷达的四个主要误差来源。

差分吸收激光雷达测量NO_2浓度的实验研究

介绍了差分吸收激光雷达测量大气中物质成份及浓度的测量原理,并利用差分吸收激光雷达测量了3.5 km内NO2的浓度分布,测量结果表明,使用双通道可调谐的Ti:Sapphire激光器的一组波长(448.2nm和446.8 nm)可以获得比较精确的NO2的浓度随距离的分布。

车载二氧化硫差分吸收激光雷达系统

研制了一套探测低层大气二氧化硫的车载可移动激光雷达系统.该系统选用的差分波长对为300.05nm和301.50nm.光源采用两台Nd…YAG激光器分别泵浦两台窄线宽染料激光器经过倍频来获得.激光经过合束、扩束后与望远镜同轴发射.后向散射信号被近牛顿式望远镜接收后,通过光电倍增管转换为电信号,然后被数据采集卡采集,最后用来反演二氧化硫分布廓线.在淮南地区进行了针对近地面水平探测的外场实验,结果表明,在0.8~3.0km范围内,当晚二氧化硫浓度在20μg·m-3上下波动,气象部门地面仪器结果为18~22μg·m-3,实验结果与仪器结果具有可比性.

国外差分吸收激光雷达探测大气CO2研究综述

差分吸收激光雷达是探测大气CO_2时间和空间分布不可或缺的工具。2.0μm波段Ho:Tm:YLF或Ho:Tm:LuLiF激光器复合外差接收机,1.6μm种子注入的KTP光参量振荡器或参量发生器复合光电倍增管的光子计数技术,可以探测7 km以下对流层大气CO_2混合比的分布。调制连续波种子激光强度、共用1.6μm光纤放大器,以及相关检测技术的使用,积分路径差分吸收激光雷达在大气CO_2柱浓度探测方面具有独特的优点和特色。探测大气二氧化碳柱浓度的空间计划有美国NASA的ASENDS计划,采用脉冲式、积分路径差分吸收工作方式。用CO_2气体吸收池作为参照物,稳定种子光频率和精确控制谐振腔长,锁定发射机的on光源波长,是差分吸收激光雷达探测大气二氧化碳的关键技术。

地基CO2廓线探测差分吸收激光雷达

研制了一台利用气溶胶散射信号的CO_2廓线探测差分吸收激光雷达.系统利用染料激光器实现波长调制,采用双光路气体吸收池,结合Voigt拟合方法实现了脉冲红外激光的高精度定标.针对输出激光带宽较宽的问题,采取仿真实验评估了影响,并设计了基于吸收池的订正因子获取方案.进而,开展了水平、垂直和连续观测实验,通过与地面CO_2分析仪测量值的对比,证明了系统具备优越的精密性和精确性.实验表明,该样机能够俘获CO_2浓度随高程和时间变化而产生的变化.

二氧化硫-臭氧-气溶胶多波长差分吸收激光雷达同时观测

利用多波长差分吸收雷达同时观测Miyakejima(34°04′22″N,139°31′40″E)火山爆发在对流层产生的SO2、O3以及气溶胶。此观测技术通过合理选择激光波长对((288.83nm,289.83nm),(288.10nm,289.83nm))能消除观测数据中由于SO2、O3的吸收以及气溶胶散射导致的相互影响,提高观测精度。用波长对(288.10nm,289.83nm)测量O3的浓度,然后再用实测O3所产生的吸收矫正其对SO2观测(使用波长对(288.83nm,289.83nm))浓度的影响;气溶胶消光系数通过实测弱吸收波长回波信号(或由532nm的单波长回波信号)直接反演所得,并用来矫正气溶胶对SO2、O3观测产生的散射和消光误差;介绍了实验之前用于测试光路调试的定标误差分析,以及由于激光能量和实测大气的不稳定产生的统计误差。实测火山爆发产生的对流层二氧化硫的浓度高达45ppb,测量误差小于10ppb,远远大于通常情况下二氧化硫的本底浓度1ppb;长期观测对流层臭氧的浓度约为45ppb,在2000年冬季对臭氧进行了时间为半个月的连续观测,最高浓度达250ppb,该高浓度臭氧可能来自于平流层的传输,该数据有助于研究对流层顶与平流层底交接区的大气运动。

连续波差分吸收激光雷达探测路径大气CO2平均浓度

大气二氧化碳作为最重要的温室气体之一,它的变化和分布备受关注,差分吸收激光雷达(DIAL)系统是探测大气二氧化碳浓度的重要手段,对于研究温室气体的源和汇具有重要意义。主要研究正弦调制连续波差分吸收激光雷达在水平路径上探测CO2平均浓度,利用HITRAN数据库中CO2及H2O的吸收光谱,综合考虑CO2的吸收截面及H2O的干扰,选择差分吸收激光雷达的工作波长On-line:1 572.335 nm, Off-line:1 572.180 nm;声光调制器取代电光调制器对连续波激光强度进行正弦波调制,两路调制信号频率有细微差别,其中On-line调制频率为101.833 kHz, Off-line调制频率为99.733 kHz;On-line光源激光器通过光谱调制技术将激光频率锁定在气体池吸收峰1 572.335 nm处,并采用在相位调制器上施加直流偏置反馈电压来消除相位调制器的残余幅度调制(RAM),使波长锁定精度大幅提高,激光频率锁定系统实现On-line光源激光器在12小时输出波长均方根误差为0.05 pm;在CPU中实现快速傅立叶变换获取回波光信号和发射监视端激光强度的功率谱,并选择窗函数和频谱校正算法来提高计算精度;通过调制连续波激光强度的正弦波相位鉴别获取路径的长度;系统光路为光纤光路,使其结构紧凑;对系统进行外场实验和对比实验;获取上海市区1.3 km路径上二氧化碳平均浓度,实验数据显示系统观测精度为4 ppm(百万分之一),且探测到的CO2日变化趋势与二氧化碳点探测器LI-7500A探测到的日变化趋势相吻合。

差分吸收激光雷达几何因子实验确定方法

差分吸收激光雷达发射光束与接收视场的重叠区域用几何因子函数来描述,几何因子是差分吸收激光雷达的重要参数。提出了一种实验方法,实验使用米散射激光雷达和差分吸收激光雷达同时测量信号,通过对比分析两台激光雷达采集信号计算得到的气溶胶散射比廓线,获得差分吸收激光雷达的几何因子。该方法的优点在于不需要预先得到精确度高的激光雷达参数,比如望远镜直径,光束发散角,望远镜接收视场角等。该方法的应用有利于减少近地面差分吸收激光雷达测量臭氧廓线的误差,提高差分吸收激光雷达的探测性能,有助于研究近地面层的臭氧时空分布特征。

CO_2差分吸收激光雷达信号处理

针对CO_2差分吸收激光告警雷达系统,研究累加平均和匹配滤波两种算法.将两种方法进行耦合,结合了各自的优点,使得激光雷达在小信噪比下工作,提高了检测距离,计算出较远距离时,化学物质的 CL浓度值.将该方法应用到 CO_2差分吸收激光告警雷达系统中。通过仿真实验,能有效地去掉噪声和强干扰信号,在保持原信号特征的情况下,较准确地提取出有效的弱信号,计算出化学物质的浓度距离,模拟出测量到某种化学物质.

0.94μm差分吸收激光雷达地基工作的进展

为了更好地探测对流层大气水汽的垂直廓线,对已经建立的935 nm差分吸收激光雷达进行了部分改进。采取双通道接收的措施,近场通道望远镜同时也是发射激光的扩束器,近场通道采用偏振分束器加四分之一波片的方式隔离发射光和回波光,远场通道(主通道)采用平行旁轴的卡塞格林望远镜,从而减小激光雷达近地面盲区;发射机的双波长挪到936.0~936.5 nm之间,增加了注入种子激光的功率,提高发射光谱纯度,从而提高探测精度。探测范围从600~2000 m,延展到250~3000 m,随机误差5%。

差分吸收激光雷达探测大气CO_2精度分析

为减小距离差分吸收激光雷达探测大气CO_2浓度的探测误差,理论分析了探测精度,对差分吸收探测系统误差进行了数值分析,对基于1.6μm光纤激光器相干探测CO_2系统进行了仿真计算。结果表明:差分吸收截面越大,空间分辨率越低,回波信噪比越高,气体浓度的探测误差越小。当大气CO_2的差分吸收光学厚度T为0.55时,相干探测系统具有最小误差变化百分比,此时探测精度最高。随着探测高度增大,1.6μm光纤激光相干探测系统精度逐渐降低,在1km高度以内可以探测到34ppm的大气CO_2变化。

微脉冲差分吸收激光雷达CO_2探测性能研究

为了研究差分吸收激光雷达低空CO2浓度探测效率,分析了探测系统的原理与信噪比,采用近红外微脉冲激光雷达进行了仿真实验,当激光脉冲能量为20μJ、重复频率为10kHz时,推算出信噪比、所需积累时间与探测距离的关系。在不考虑背景噪声情况下(夜间工作),可进行4.5km以下CO2气体浓度的探测;考虑背景噪声情况下(白天工作),只能探测2.4km以下的CO2气体浓度。结果表明,选择夜间探测和更好的探测器件可以提高探测距离。

水汽差分吸收激光雷达发射机935 nm高功率光参量振荡器

水汽分子的3ν强振动吸收带位于935 nm附近,差分吸收激光雷达在这个波段具有高探测灵敏度。不幸这一波段位于Ti:Sapphire激光器增益带宽的边缘和Cr:Alexandrite激光器增益带宽之外,染料激光器有较高的自发荧光成分而使其光谱纯度不高,光参量频率转换器可以用作该波段水汽差分吸收激光雷达的发射机。动态稳定的环形谐振腔中有一对走离补偿的、70.7°切角的KTP非线性晶体。它由种子注入单纵模Nd:YAG激光器的二倍频532 nm光脉冲泵浦,脉冲重复频率10 Hz。通过935 nm分布反馈半导体激光器种子注入和"ramp-hold-fire"方法,主动锁定光参量振荡器谐振腔的腔长。发射机平均输出功率达到4.5 W,脉冲长度6 ns,光(532 nm)-光(935 nm)转换效率大于17%,光频的短程和长程频率稳定性30 MHz(RMS)。光束质量M2大约7.8,光谱纯度可以达到99.9%。它将是空间探测大气水汽廓线遥感器的候选光源之一。

国外差分吸收激光雷达探测大气水汽廓线的研究进展

水汽含量是大气最基本的物理参量之一,大气水汽垂直分布结构对于大气过程的研究十分有意义。差分吸收激光雷达可以昼夜获取高精度、高距离分辨率的大气水汽垂直分布廓线,是最有潜力的探测手段。国际上已经发展出几种类型的差分吸收激光雷达,对它们的发展路径做一梳理,理清发展脉络,具有有益的参考价值。其中,稍早时期水汽差分吸收激光雷达工作在4ν振动吸收带720～730nm频域,以Alexandrite为主流的激光器或者Nd∶YAG/ruby固体激光器泵浦的染料激光器作为发射光源,光电倍增管仍然可以在这个波段担任探测器,代表性的仪器是法国的机载LEANDREⅡ。此后发展的820nm波段的水汽差分吸收激光雷达,以钛宝石激光器或钛宝石光放大器为发射机,以硅的雪崩二极管作为探测器,紧跟前置放大和数据的AD采集器,如德国Hohenheim大学的车载扫描激光雷达,可以获得对流层300～4 000m之间水汽两维或三维分布结构;德国Institutfür Meteorologie und Klimaforschung所建立的差分吸收激光雷达可以探测3～12km高度之间大气的水汽垂直分布。720和820nm波段水汽吸收截面较小,更适合于地基或车载的对流层水汽廓线探测。而水汽3ν振动谱935nm区域吸收截面较大,是为了空间探测大气对流层上、平流层下相对干燥区域的水汽分布而准备的,且可以安排多个探测波长,和一个参考波长,它们对水汽的吸收截面大小呈梯度分布,以应对空间对地观测时不同高度大气水汽浓度的差别。基于种子注入的光参量振荡器或Nd∶YGG全固态激光器的935nm差分吸收激光雷达,以德国Deutsches Zentrumfür Luft-und Raumfahrt的研究最为成功,推动了欧洲空间局立项发展空间水汽差分吸收激光雷达WALES(Water Vapour Lidar Experiment in Space),测量从地球表面到平流层下、高垂直分辨率和高精度水汽浓度分布。机载多波长水汽差分吸收激光雷达1999年建立起来,担当空间WALES任务的模拟器,2006年完成了机载飞行试验。以823～830nm分布布拉格反射半导体激光器和半导体光放大器为核心、采用雪崩二极管盖格光子计数技术的微脉冲差分吸收激光雷达,是差分吸收激光雷达面向商业化、可普及的方向迈出的重要一步,目前已经发展到第四代产品。发射机激光工作波长的长期稳定十分重要而棘手,以窄带连续波种子激光注入脉冲激光器的谐振腔锁定其的腔长,种子激光的波长以水汽的多通道光吸收池为参照标准,或以高精度波长计为误差获取手段,通过负反馈进行主动稳频;其次,需要仔细考虑大气对激光的后向散射光谱线型,显然Rayleigh后向散射光的多普勒展宽与水汽吸收光谱线宽度可以比拟,所以其吸收截面σon和σoff必需加以修正;水汽的空间垂直分布梯度大,因此差分吸收激光雷达应该实行分通道探测。

CO_2差分吸收激光雷达测量灵敏度的数值分析

针对直接探测长程CO2 差分吸收激光雷达系统 ,分析了对测量灵敏度产生影响的两个主要因素 :大气湍流和激光斑纹 ,得到了测量灵敏度与大气湍流和激光斑纹之间关系的数值计算结果。结果表明 ,在高度小于35 0m时 ,增加设备离地高度可以有效地提高测量灵敏度 ;在高度大于 35 0m后 ,改变系统参数可以有效地提高测量灵敏度。

CO_2差分吸收激光雷达探测性能研究

针对长程直接探测CO2差分吸收激光雷达,研究了系统的探测性能。分析了影响探测性能的两类主要噪声源:斑纹噪声和探测噪声,得到了探测性能与斑纹噪声和探测噪声之间关系的计算结果。结果表明,近距离测量时,探测性能主要受斑纹噪声的限制,远距离测量时,探测性能主要受探测噪声的限制;如果系统参数选择不当,斑纹噪声将严重制约着系统的探测性能。