多纵模激光器体制下直接多普勒测风技术的实现与仿真

考虑到单纵模激光器作为多普勒测风激光雷达的激励光源需要复杂的种子注入技术和高精度的稳频锁频技术,本文提出了以自由运转的多纵模激光器作为激励光源的直接多普勒测风激光雷达,以降低激励光源的实现难度和复杂性.针对典型Nd:YAG脉冲激光器,研究了不同激光辐射线宽、光学谐振腔长和中心波长条件下多纵模激光激励的大气弹性散射回波光谱的分布模式.为了综合利用大气风场导致的多纵模激光中每个纵模所激励大气弹性散射回波光谱的多普勒频移,利用具有周期性透过率曲线且四个输出通道相位各相差π/2的可调谐四通道马赫-曾德尔干涉仪,实现对多纵模大气弹性散射回波光谱多普勒频移的高精度鉴别.在此基础上,构建了多纵模激光器体制下直接多普勒测风技术大气风场反演的数学模型.仿真结果表明,所提出的多纵模直接多普勒测风激光雷达能够实现对大气风场信息的高精度测量,并且激光中心波长越大,激光光学谐振腔长越短,系统测风范围越大,测风误差越小.

中红外波段差分吸收检测气体池设计与实验

针对中红外波段差分吸收激光雷达探测性能标定的问题,设计并搭建了中红外波段差分吸收检测直通型气体池,以开展大气苯系物差分吸收光谱检测实验。以中红外带间级联激光器为光源,结合带间级联激光器的发射光束参数,设计了直通型气体池的结构参数和光学参数,测试了3187.0 nm和3235.3 nm波段的气体池透光特性和密封性能,并在此基础上,以苯为例开展了差分吸收激光雷达探测标定实验。结果表明,该气体池在测试波段的透光率大于85%,100 h的负气压减少约13 kPa,差分吸收光谱检测标定实验的相关系数为0.995,完全满足中红外波段差分吸收激光雷达的标定要求。

融合实体描述与路径信息的知识图谱表示学习模型

知识图谱表示学习方法是将知识图谱中的实体和关系通过特定规则表示成一个多维向量的过程。现有表示学习方法多用于解决单跳知识图谱问答任务,其多跳推理能力无法满足实际需求,为提升多跳推理能力,提出一种融合实体描述与路径信息的知识图谱表示学习模型。首先通过预训练语言模型RoBERTa得到融合实体描述的实体、关系表示学习向量;其次利用OPTransE将知识图谱转化成融入有序关系路径信息的向量。最后构建总能量函数,将针对实体描述和路径信息的向量进行融合。通过实验分析与对比该模型在链路预测任务上与主流知识图谱表示学习模型的性能,验证了该模型的可行性与有效性。

中红外差分吸收激光雷达探测苯气体浓度

苯作为挥发性有机化合物(VOCs)的重要组成部分,其大气污染状况日益引起人们的关注,中红外波段通常是分子的基频指纹吸收区,已成为痕量气体检测的重要波段,而差分吸收激光雷达是探测大气痕量气体的重要手段,故针对区域性苯浓度实时遥感问题,提出基于中红外带间级联激光器(ICL)的探测大气苯浓度路径积分型差分吸收(IPDA)激光雷达系统。首先,在分析IPDA激光雷达的探测原理的基础上,构建了IPDA激光雷达的反演算法及其误差分析模型。其次,详细分析来自HITRAN数据库的中红外3100 cm^(-1)附近苯以及主要干扰气体(如HCl,CH_(4)和H_(2)O)的吸收光谱,结合HCl和CH_(4)着重考虑了H_(2)O对探测结果的影响,选择IPDA激光雷达的测量波长和参考波长分别为3090.89和3137.74 cm^(-1)。再次,基于两个连续波ICL,设计了探测大气苯浓度IPDA激光雷达系统,并可通过控制温度和驱动电流调谐激光器的输出波长,使其波长分别稳定在强吸收谱区和弱吸收谱区,并设计了基于中红外衍射光栅的光谱分光子系统,以实现双波长接收信号的同步探测。最后,基于标准大气模型,仿真分析了不同路径长度、能见度和水汽浓度情况下激光雷达的探测性能,并搭建中红外波段检测气体池开展了测试实验,以验证该IPDA激光雷达系统的可行性。仿真及实验结果分析表明,当大气能见度为5 km,水汽浓度低于0.4%时,苯的浓度路径积(CL)在0.1~24 mg·m^(-3)·km范围内探测的相对误差优于10%,而苯的CL为5 mg·m^(-3)·km时探测相对误差优于1%;初步实验测试了中外红波段差分吸收激光雷达探测的线性相关系数R^(2)约为98.7%。

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水汽技术研究

大气中50%以上的水汽主要存在于海拔2 km以内的低层大气内,而传统振动拉曼散射激光雷达探测大气水汽主要采用基于后向散射的同轴和非同轴平行收发系统结构,系统探测盲区和过渡区限制了其在近地表大气水汽探测方面的有效性。因此,提出一种新型的基于双基地收发系统结构的侧向振动拉曼散射激光雷达探测技术,通过俯仰转动云台带动侧向望远镜接收系统,对不同高度层下氮气和水汽分子的侧向振动拉曼散射回波光谱进行扫描探测,从而实现地表到感兴趣高度范围内无盲区的近地表大气水汽精细探测。在实验观测研究中,采用整段等距分辨率和分段等距分辨率两种探测模式,探测结果展示了两种转动方案均可实现从近地表到特定高度的大气水汽探测,特别是分段等距分辨率云台转动方案凭借可变分辨率的探测优势,在近地表区域实现了对大气水汽分布的精细探测。

斜程能见度探测的米-拉曼散射扫描型激光雷达研制

针对飞机起降安全的斜程能见度探测问题,研制了一台4通道的米-拉曼散射扫描型激光雷达,可实现双波长无假定的大气消光系数廓线反演,进而可精细探测大气斜程能见度。基于大气能见度理论,假设观测路径附近无光源且忽略气溶胶粒子谱分布影响,分析了采用大气平均消光系数反演斜程能见度的有效性。该激光雷达采用Nd:YAG激光器的基频(1064 nm)和三倍频(355 nm)激光脉冲作为光源,采用以二向色镜和窄带干涉滤光片为核心的拉曼光谱分光系统,利用有限状态机理论和多线程并发技术实现多模块协同控制软件。结合侧向散射型能见度仪,开展初步观测实验与分析。结果表明,当天气为多云转阴,地面水平能见度为9 km,俯仰角为26°时,所研制系统累积观测4 min的有效探测距离优于11 km,近地面分析结果取得了很好的一致性。

Mie散射垂直扫描激光雷达近场信号校正及反演技术

激光雷达近场信号的重叠因子校正和盲区问题一直制约着激光雷达的实用化进程,在假设水平大气均匀的情况下,提出了Mie散射激光雷达的近场信号垂直扫描校正方法和多角度反演算法,实现了大气状态自适应控制遥感。从散射型激光雷达方程出发,构建了激光雷达近场的重叠因子和盲区的模型,结合研制的二维扫描激光雷达参数,仿真分析了重叠因子和盲区的特征。利用Fernald气溶胶反演算法,提出了基于信噪比的多仰角扫描控制与校正方案,以实现不同大气状态的自适应扫描控制。融合多角度扫描遥感数据,并以水平探测的Collis法反演的结果作为地面消光系数,获得了大气气溶胶消光系数无盲区廓线,验证了方案的有效性。数据分析结果表明,在静稳天气时水平能见度优于18km的情况下,以信噪比20为阈值,通过7个仰角约15min观测,可实现激光雷达重叠因子的自适应校正,获得的重叠因子校正曲线与水平校正法的平均相对偏差约20%,两组扫描校正的重叠因子的平均相对误差为4.2%,可实现大气气溶胶的无盲区反演。

全天时绝对测温激光雷达的多通道纯转动拉曼分光系统

为实现大气温度廓线的全天时绝对探测,基于N_(2)分子的精细纯转动拉曼谱线结构,本课题组提出并设计了多通道纯转动拉曼激光雷达分光系统。采用F-P干涉仪(FPI)作为频率梳滤波器,考虑FPI膜层损耗和镜面缺陷,精细匹配N_(2)分子anti-Stokes分支的纯转动拉曼谱线,实现了FPI结构及性能参数的优化,并有效滤除了太阳背景噪声及邻近谱线信号;结合衍射光栅和光纤线阵列,通过两级光谱滤光对弹性散射信号实现了约60 dB的抑制率,有效提取了8通道偶转动量子数(J=6~20)的拉曼光谱信号,以直接反演大气温度;基于标准大气模型,对8通道纯转动拉曼分光系统的信号功率及信噪比进行了仿真,并分析了全天时绝对测温激光雷达的探测性能。结果表明,在累积时间为17 min时,该系统实现白天信噪比优于10的探测高度可达到1.8 km,反演温度1 K偏差对应的高度达0.8 km,可实现全天时大气温度廓线的无校正探测。