多普勒测风激光雷达的基本原理与技术进展

风场是水循环、碳循环、气溶胶、污染气体及雾霾的主要动力,也是大气湍流、风能发电厂、数值天气预报和环保等领域的重要参数。多普勒激光雷达利用多普勒效应,通过探测发射激光的频率漂移,可以获得大气风场参数,因此在众多领域具有重要的应用。首先介绍了多普勒效应和测风激光雷达技术的基本原理,然后分别从原理和实际应用方面对多普勒测风激光雷达进行了分类。进而系统介绍了相干探测与非相干探测、连续光探测与脉冲光探测、单边缘技术与双边缘技术、FP条纹与Fizeau条纹技术、VAD与DBS扫描等相关技术。最后简要地介绍了地基、机载与星载测风激光雷达的实例,以及测风激光雷达新技术,并对多普勒测风激光雷达技术进行了总结与展望。

微流芯片中消逝波激励的荧光辐射特性研究

将石英裸光纤植入聚二甲基硅氧烷基片的微流道中,采用沿光纤轴向光抽运、消逝场激励染料分子的方式,在基片微流道中获得均匀的荧光辐射.实验发现,荧光辐射的强度随光纤轴向距离的增加而衰减,光纤包层溶液折射率越大,荧光沿光纤轴向的衰减越突出;包层溶液中染料浓度越大,荧光沿光纤轴向的衰减也越突出;通过选择适当的包层溶液折射率以及染料浓度可以获得沿光纤轴向接近均匀的荧光辐射.用消逝波激励荧光的辐射理论计算了荧光光强沿光纤轴向的变化,计算结果与实验符合较好.在此基础上,设计并制作了一种具有三个通道的聚二甲基硅氧烷基片,通过在三个微流道中分别注入染料浓度均为0.1 mmol的罗丹明640、罗丹明B及罗丹明6 G的乙醇染料溶液,采用沿光纤轴向消逝波光激励方式,在一块聚二甲基硅氧烷基片上同时实现了三个不同波段的荧光辐射.

基于拉曼激光雷达的大气温度和水汽反演分析

为了同时测量大气温度,水汽和大气气溶胶,中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学中心研制了一台多功能拉曼激光雷达。该激光雷达采用多腔干涉滤光片的高性能光谱盒,同时按小角度入射顺序安装,分离不同波长的激光雷达回波信号,并能高效率地提取信号。利用该台拉曼激光雷达进行连续观测,分析了大气温度、水汽混合比的垂直分布。研究结果表明:探测时间为5分钟,激光能量为200 mJ时,激光雷达和无线电探空仪测得的平均偏差很小,10 km以下的总体趋势相似,同时观测到逆温层位于对流层低层。在干净天的条件下,6.2 km高度下的夜间统计温度误差在1K以下;在轻微雾霾天的条件下,2.5 km高度下的夜间统计温度误差在1 K以下。水汽探测过程中,激光雷达在4 km以内的相对误差不超过5%,7.5 km以内的相对误差不超过20%。连续观测结果验证了拉曼激光雷达的可靠性,实现了对流层大气参数的实时测量。

星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构及研究进展

气溶胶辐射强迫效应主要通过气溶胶与辐射相互作用(aerosol-radiation interaction,ARI)和气溶胶与云相互作用(aerosol-cloud interaction,ACI)两种途径来影响地球辐射收支平衡,联合国气候变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在第五次报告指出,气溶胶与云的相互作用是最主要的不确定性辐射强迫因子之一。在云–气溶胶全球探测领域中,星载云–气溶胶遥感雷达的探测能力与发展方向对研究者们研究全球云–气溶胶分布特点越来越重要。首先对星载云–气溶胶遥感雷达技术的应用现状进行了分析,并针对典型星载云–气溶胶激光雷达(激光雷达空间技术实验LITE、正交偏振云–气溶胶激光雷达CALIPSO、云–气溶胶传输系统CATS、大气激光雷达ATLID)的探测任务、光机系统参数、结构及材料等技术特点进行了详细的分析研究;其次从工作机制、光机系统结构、应用材料和探测能力等方面对各星载云–气溶胶激光雷达系统特点进行了对比,提出星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构设计特点与方法;最后分析了当前星载云–气溶胶激光雷达系统技术特点及发展方向,为我国发展星载云–气溶胶激光雷达提供技术方向及发展建议。

基于拉曼激光雷达水汽数据探测边界层高度的算法

大气边界层的垂直分层可以阻碍或改变能量、动量、湿气和微量物质的垂直和水平传输,所以边界层高度对于大气的研究特别重要。探空数据在时间上不能连续给出全天的边界层高度变化,很多情况下边界层顶的气溶胶含量的梯度不明显,所以不能准确给出边界层高度。本文基于拉曼激光雷达的水汽混合比数据,采用斜率法和Douglas-Peucker(DP)算法相结合的方法反演边界层高度,并将其结果与探空数据进行比较,结果表明两者吻合得较好。

微流道中消逝场激励的荧光光源研究

将石英裸光纤植入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片的微流道中,采用沿光纤轴向光激励、消逝场激励染料分子的方式,在基片微流道中获得均匀的荧光辐射。实验发现,在激励光强确定的条件下,荧光辐射的强度与染料溶液的浓度呈线性正相关关系,而与包层溶液的折射率呈非线性正相关的关系。用消逝波激励荧光的辐射理论,很好地解释了实验结果。