基于CALIPSO和转动拉曼-米散射激光雷达研究北京地区大气气溶胶特性

为提高大气气溶胶参数反演结果的准确性,结合实验室研制的转动拉曼-米散射激光雷达和NASA的CALIPSO,仅用2个激光雷达的弹性后向散射信号,无需对激光雷达比进行假设,反演出了2012年春季北京上空晴天、雨后、阴霾天气的气溶胶光学参数的垂直分布.结果表明:此方法可有效地获取气溶胶消光系数和后向散射系数的垂直分布;气溶胶的消光系数值在阴霾天气最高,晴天次之,雨后最低.

基于双法布里-珀罗干涉仪多纵模米散射多普勒激光雷达技术

提出了基于双法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模米散射多普勒激光雷达技术,分析了探测原理,并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域,由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数EV随匹配误差的增大而迅速增大;频率匹配误差不变时,EV随风速增大而缓慢减小;当频率匹配误差小于10 MHz时,EV将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数,对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明:在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内,当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时,系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s;在无云条件下,系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。

拉曼-米激光雷达污染环境下气溶胶散射系数反演

提出一种针对雾霾等大气污染环境下近地面区域气溶胶后向散射系数的修正反演方法.针对大气污染环境下近地面气溶胶含量激增导致弹性信号强度超过激光雷达抑制比而引发弹性信号泄漏,进而造成转动拉曼信号发生畸变,提出一种拉曼回波信号修正方法;同时考虑了大气温度对大气分子散射应用于气溶胶反演的影响.实验表明,相比经典Raman-Mie气溶胶反演方法,修正算法反演近地面稳定气溶胶层内气溶胶后向散射系数精度可提高约20%,有助于改善拉曼米雷达在污染环境下的总体探测性能.

偏振-米散射激光雷达对卷云的探测

研制了一台偏振-米散射激光雷达，用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究。介绍了偏振-米散射激光雷达的探测原理，叙述了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市西郊上空卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果，对这些结果进行了分析和讨论。初步探测结果表明，合肥西郊上空高度在6～10km的卷云的退偏振比在0．2～0．5之间，该激光雷达可以对卷云进行有效的探测，能较好地反映卷云及其光学特性的时空分布。

改进转动拉曼-米散射法反演气溶胶后向散射系数

概述转动拉曼-米激光雷达系统通过同步接收米散射和转动拉曼散射信号,满足了温度和气溶胶一并探测的需求。常用的米散射反演方法依赖于假设条件并受到几何因子的影响,而结合转动拉曼信号和米信号反演气溶胶后向散射系数不受这些因素影响,具有较高的反演精度。Kim和Cha提出的拉曼-米反演方法中认为纯转动拉曼散射后向散射截面为常数,忽略了温度的高度变化,但转动拉曼-米激光雷达系统实际接收的拉曼光谱分布是依赖于温度变化的,此外气溶胶反演计算中需要已知大气分子后向散射系数,目前通用方法为套用标准大气模型,但由于分子的热运动和温度的变化,利用大气模型不能反映真实大气中分子的分布特征,从而会对气溶胶的反演带来误差。

偏振-米散射激光雷达探测对流层气溶胶光学特性

利用偏振-米散射激光雷达探测对流层大气气溶胶的光学特性及其时空分布.介绍了该雷达的结构、技术参数和探测原理.获得了气溶胶的消光系数垂直廓线和光学厚度,并对这些结果进行了分析和讨论.结果表明,该雷达能较好地探测对流层大气气溶胶的光学特性及其时空分布.

利用偏振-米散射激光雷达研究广州一次浮尘天气过程

利用偏振一米散射激光雷达、颗粒物监测仪数据，结合风廓线等气象资料分析讨论了2012年3月25日广州浮尘天气气溶胶污染事件，通过气团后向轨迹分析了沙尘气溶胶的来源及路径．姑果表明本次污染过程与我国西北地区大部沙尘暴产生的浮尘远距离输送有关：浮尘期间相对湿度迅速下降，测点PM10中PM2.5所占的比例在28％～31％之间，与广州地区以细粒子污染为特征不同，本次气溶胶污染事件主要是由粗粒子引起；影响近地面的沙尘层主要分布高度在1000-2000m区域：沙尘过境期间探测到气溶胶最大退偏比为0.34．

白天大气测温的转动拉曼激光雷达分光系统

大气测温转动拉曼激光雷达通常采用双光栅单色仪来分离得到拉曼散射信号谱线,然而这种结构存在通带较宽的缺点,以致白天工作时输出信号混合了较强的天空背景干扰,无法准确测量大气温度。Fabry-Perot标准具具有滤波带宽窄、带外抑制比高,以及透射率呈周期性的特点,在光栅单色仪前插入Fabry-Perot标准具,能够有效扣除背景光干扰,同时将氧气的拉曼散射谱线滤除,从而提高了输出拉曼谱线的纯度和输出信号的信噪比,最终可提高温度反演精度并实现日光环境下工作。

转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统设计及模拟计算

本文对转动拉曼散射激光雷达探测的大气后向散射回波进行了数值模拟计算,计算结果得到了现有的数据的验证,证明了这种设计是可行的。并就激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜的直径和垂直分辨率对转动拉曼激光雷达回波信号信噪比的影响进行了较为详细的分析与讨论,简要分析了测温精度。

拉曼-米激光雷达测温通道残余几何因子修正

拉曼-米激光雷达高低阶拉曼通道的几何因子因不同通道光学器件和探测器的性能差异并非完全一致,会引入近地面温度测量误差,针对这一问题,提出一种修正测温通道残余几何因子的方法.该方法首先通过探空温度和标定的归一化光谱透过率计算得到高低阶拉曼信号的有效微分散射截面之比,然后从拉曼信号比值中求解出残余几何因子廓线.利用北京理工大学激光雷达实验室研制的转动拉曼-米激光雷达系统的探测数据,实验验证了该方法的有效性.结果表明,该方法能较好地修正残余几何因子对温度探测的影响,显著提高近地面1.5 km探测高度内温度反演精度,有助于提高拉曼-米激光雷达对边界层大气的探测能力.

基于连续激光器的侧向拉曼散射激光雷达无盲区探测大气温度技术

提出一种新型的侧向纯转动拉曼散射激光雷达探测技术,其采用双基地的收发系统结构,利用侧向接收系统的俯仰扫描功能实现对与温度具有相反依存关系的高低量子数的侧向纯转动拉曼散射光谱的探测,该技术为从地表到特定高度大气温度的无盲区探测提供了技术支持。侧向纯转动拉曼散射激光雷达的初步观测实验采用整段等距离分辨率和分段等距离分辨率两种云台转动方案,反演结果表明侧向纯转动拉曼散射激光雷达可实现1400 m高度范围内大气温度的精细探测,且分段等距离分辨率云台转动方案在近地表312 m高度范围内能够获得更为精细的大气温度空间分布特征。

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。

大气探测激光雷达技术综述

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具.激光雷达按照探测技术可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等.分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、发展历史及优缺点,及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用.最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望.

基于三级Fabry-Perot标准具的纯转动拉曼测温激光雷达

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统,即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源,采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用,对532nm激发光的大气Mie-Rayleigh弹性回波散射抑制比可达10-10,对量子数J=±6,J=±12的N2纯转动拉曼散射光谱线接收带宽均小于10pm,因此能充分抑制大气背景辐射噪声及O2纯转动拉曼谱线的干扰,从而实现了单谱线比反演温度,提高了探测精度,且可在白昼探测大气对流层温度.最后通过探空气球测得的对流层温度垂直分布逆向模拟了该系统双通道的Raman信号曲线,证实了该系统的可行性.

瑞利-米散射多普勒激光雷达低层风场反演方法研究

分析了传统瑞利-米散射多普勒激光雷达在低层风场中的风速反演误差,结果表明,该激光雷达在±50m/s风速范围,3 km高度下的风速反演误差达到4~5 m/s。因此,基于S6瑞利-布里渊散射模型,提出了一种基于瑞利-米散射多普勒激光雷达数据反演低层风场和气溶胶后向散射比的方法。仿真结果表明,本方法可以同时反演出风速和气溶胶后向散射比,且精度较高。实测风场反演结果表明,相比传统方法,本方法得到的水平风速廓线与探空气球法得到的结果吻合度较高,在6km高度下尤为明显,验证了本方法在低层风场反演中的优势。

基于法布里-珀罗干涉仪的瑞利-米散射测风激光雷达研究

为了研制探测中高层风场的瑞利-米散射多普勒激光雷达系统,前期在实验室搭建了一套基于三通道法布里-珀罗干涉仪(FPI)的532 nm瑞利-米多普勒激光雷达验证系统,并进行实际比对实验。利用验证系统,首先开展了FPI透过率校准实验,采用非线性拟合方法获得了三个通道FPI实际透过率曲线,FPI-1、FPI-2和FPI-L的谱宽分别为1.20 GHz、1.22 GHz、1.18 GHz,峰值透过率分别为0.817、0.807、0.768,FPI-1和FPI-2及FPI-1和FPI-L的峰峰间隔分别为3.91 GHz和1.25 GHz,并进一步给出了米散射和瑞利散射信号入射时系统实际的风速探测灵敏度。其次,开展了径向风速连续观测实验和水平风场对比观测实验。实验结果表明:在单次径向风速测量中,时空分辨率为2 min和75 m的情况下,系统白天和晚间分别具备10 km和16 km左右高度的风场探测能力。在白天2.7~10 km、晚间1.5~10 km高度范围内,系统测得的水平风场数据与探空气球测得的水平风场数据吻合度较高,晚间70.8%的水平风速和风向数据偏差小于2 m/s和10°;95%的水平风速和风向数据偏差小于5 m/s和15°,充分验证了系统风场测量结果的准确性。

新型车载式拉曼激光雷达测量对流层水汽

水汽体积比仅仅占整个空气的0．1％～3％，但它却是大气中时空变化最为活跃的气体。拉曼激光雷达由于其测量精度高、探测范围广以及自动化程度高，成为现今测量大气水汽含量的新型工具。介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所于2004年10月自行研制的国内首台车载式拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量，给出其相应激光雷达数据的反演方法，该激光雷达在合肥地区进行了实际测量和对比实验。测量结果显示：该激光雷达夜晚探测水汽的高度范围可以从近地面到达对流层中部8km左右。同时，该激光雷达还尝试进行了白天水汽探测实验，并首次得出突变层内的水汽混合比垂直廓线。

转动能级拉曼抽运技术在NO_2激光探测雷达中的应用

差分吸收激光雷达(DIAL)是目前探测大气污染成分最有效的方法之一。介绍了一种新型NO_2激光探测雷达(N(O_2-DIAL)差分吸收光源的设计:选择Nd:YAG的三倍频输出激光作为λ_(on)(354.7nm),并采用该三倍频激光的圆(或椭圆)偏振光抽运D_2拉曼池,选择其中距抽运光波长最接近的第一级纯受激转动拉曼散射光作为特征吸收波长λ_(off)(359.9nm)。抽运光的偏振态调制采用1/4波片调谐技术方便地测定和实现。这一方法保证了两个差分激光的中心波长稳定、频漂小、线宽窄,同时系统只需使用一个拉曼池,即可获得同轴性很好的两束激光输出,在技术指标的提升和经济性两方面都具有很大的优势。

K(4P)原子与H_2分子高转动态间的碰撞转移

研究了K(4P)与H2的电子-高转动态能级间的碰撞转移。利用CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)探测H2的高转动态分布,扫描和激活CARS谱证实了在的H2(0.9),(0,10),(0,11)和(1,7)能级上有布居。由扫描和激活CARS谱的峰值得到转动态布居数之比。通过速率方程分析,由时间分辨CARS轮廊得到(0,9),(0,10),(1,7)的自弛豫速率及H2(0,11)→H2(1,7)的碰撞转移速率系数为(2.2±0.6)×10-12cm3s-1。

RML探测大气气溶胶波长指数的不确定分析

为了提高喇曼-米散射激光雷达探测大气气溶胶波长指数的精确度,利用不确定度传递公式对其不确定性进行了详细的理论分析,并结合喇曼-米散射激光雷达在合肥西郊的实际探测例子进行了实验研究,计算了信号、大气透过率比值和散射比参考值的相对不确定度,在高度6km以下信号相对不确定度一般小于30%,透过率比的相对不确定度一般小于4%,散射比参考值相对不确定度大小则由参考值与实际值差异而定。结果表明,适当增大激光脉冲能量和延长信号采集累计时间、准确标定散射比参考值可有效减小喇曼-米散射激光雷达探测大气气溶胶波长指数的不确定性。