利用双通道激光雷达验证低信噪比反演算法

针对相干测风激光雷达(LiDAR)在低信噪比(SNR)下反演算法的可靠性和精度难以验证的问题,搭建了一种双通道的脉冲相干测风LiDAR系统,可以同时获取高、低SNR的2组数据,并使用高SNR通道的结果作为真值,比较利用不同的算法在低SNR通道进行矢量风速估计的结果。该系统避免了使用其他观测设备作为真值时难以配准或观测目标不统一的问题。本文研究利用雷达获取的观测结果验证了各个算法的有效性,并在各个算法间进行了横向对比。最终,依据各个算法的性能表现和计算复杂度,指明了各个算法具有优势的使用场景。该结果对于充分利用现有系统、使用新算法提高低SNR下的数据获取效率,或在指定探测指标的前提下降低激光能量等硬件要求、实现系统小型化有一定意义。

基于光线追迹非同轴激光雷达重叠因子影响因素的分析研究

重叠因子是影响激光雷达系统探测近距离大气的一个关键因素,对其进行精确计算有利于获得更准确的探测结果.为此,提出了一种通过光线追迹获得非同轴激光雷达系统重叠因子的仿真方法.该方法利用ZEMAX分别对载入真实机械结构的发射系统和望远镜接收系统进行光线追迹,确定出同一距离处激光强度分布和望远镜的视场函数分布,通过计算重叠区域被望远镜视场函数加权后的激光强度占激光总强度的比例,可得到该距离处的重叠因子,最后通过不同距离处的重叠因子拟合出完整的重叠因子廓线.此外,利用此方法对一套激光雷达系统进行了几何因子廓线仿真,并分析了系统轴间距、光轴失调角度、激光发散角、望远镜视场角以及次镜机械遮挡对系统重叠因子廓线的影响.仿真结果表明当激光光轴偏离望远镜光轴的角度等于望远镜视场角和激光发散角差值的1/2时,远场的重叠因子不能达到1,这对激光雷达系统的设计和安装提出了更高的要求.

北京市大气SO_2、NO_2和O_3的激光雷达监测实验

目前监测网中大部分SO2、NO2和O3监测设备为地基点式仪器。该种设备不能获得大气SO2、 NO2和O3的空间分布信息。 SO2、NO2和O3的空间分布数据在习惯上一般是通过球载探测仪来获取。但通过球载仪获得的数据时间和空间分辨率都较差。中科院安徽光机所已开发研制完成了车载测污激光雷达系统。该系统能进行大气SO2、NO2和O3进行三维空间扫描测量。利用该系统2001年12月27日至2002年 1月27日期间于北京市进行了大气SO2、NO2和O3的监测实验,首次给出了北京市近地面层大气SO2、 NO2和O3的激光雷达测量数据。测量数据与地面仪器的监测数据进行了比较,结果表明车载测污激光雷达系统的测量数据是合理可靠的。

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.

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.

气溶胶粒子的吸收对散射光强的影响

研究了气溶胶粒子的球形和旋转椭球两种模型的吸收效应对散射光强分布的影响.文中使用Mie散射理论和T矩阵两种方法,分别得到了球形粒子和旋转椭球粒子对正入射的偏振光和非偏振光散射的散射光强随散射角的变化关系,同时,给出了气溶胶粒子的吸收效应对后向散射光强影响的仿真结果.根据计算出的结果模拟得到了后向散射光强与球形气溶胶粒子的吸收效应成指数关系,而与旋转椭球气溶胶粒子吸收效应成非线性变化关系.

新型纯转动喇曼激光雷达系统单色仪设计及分析

采用双光栅6级闪耀衍射分光方法,设计了一套高光谱分辨率、干扰光高抑制比的新型纯转动喇曼激光雷达单色仪系统,并对该系统的设计方案进行了计算和分析.结果表明,系统通过6级闪耀衍射分光能实现N2分子转动喇曼的单谱线信号提取,并且相对于5级闪耀衍射分光能更好地抑制强弹性散射光的干扰.

相干测风激光雷达带通采样方法的仿真研究

根据相干测风雷达回波信号载频高、带宽窄的特点,尤其星载相干测风雷达回波信号数千兆赫兹,采用传统采样方式对采集卡的采样率要求很高.鉴于采集卡的采样率和分辨力互相制约,提出将带通采样引入到相干测风雷达系统.本文以1.5μm全光纤相干测风激光雷达的实测数据作为仿真输入,经Simulink滤波、带通采样,结果表明,在对探测距离影响不大的情况下,与低通采样方式相比径向风速反演结果最大相差0.5m/s;数据处理的时间复杂度降低,其下降值是带通采样频率与低通采样频率的比值;但信噪比会恶化,其下降值介于1~3dB.

车载大气污染监测激光雷达样机研制进展

描述了一台用于大气环境监测的车载激光雷达系统。系统在白天及晚上都能进行 正常工作，并且通过系统中的三维扫描装置能进行三维空间扫描测量。该系统由中科院安徽光 学精密机械研究所开发研制，是我国第一台用于大气环境监测的车载激光雷达系统。

水汽分子碰撞加宽的理论研究

本文利用考虑短程强相互作用势、电四极矩_(H_2O)—电四极矩_(N_2)和电偶极矩_(H_2O)—电四极矩_(N_2)—相互作用的QFT理论(以下简称为QFT~*理论),计算了水汽分子纯转动带和_(v_2)振动带谱线的碰撞加宽线宽,以及v_(_2)振动带谱线线宽的温度依赖关系。结果表明:①利用QFT~*方法的计算值比Gamache等人的理论计算值更接近于实验值。③在计算水汽分子吸收谱线的氮分子碰撞加宽时,短程强相互作用势的影响是十分重要的,而电四极矩_(H_2O)—电四极矩_(N_2)相互作用的影响在任何情况下都是不大的,其贡献仅为1%左右。②压力加宽线宽的温度依赖关系是十分复杂的,字不仅与J有关,而且还与K_α有关。

双Wollaston棱镜偏振测量系统棱镜安置误差分析

研究双Wollaston棱镜偏振测量系统分光棱镜安置误差对测量精度的影响.从安置误差对Stockes参量测量的影响出发,研究棱镜纵向、横向及两棱镜光轴夹角的安置误差引起的测量误差.结果表明:对于一定的偏振测量精度,纵向、横向允许的安置误差随波长和目标偏振度的变化而变化,两棱镜光轴夹角允许的安置误差则为固定值.研究结果为双Wollaston棱镜偏振测量系统的设计提供了理论依据.

线相干效应对测量重叠谱线线参数的影响

利用环形腔掺钛宝石激光自动扫描系统、公里级怀特池系统和信号探测系统，我们对氧分子Ａ带重叠谱线区（１３１６２．８５～１３１６５．３３ｃｍ￣（－１））进行了高分辨吸收光谱测量，给出了８条谱线的线宽、线强的实验值。同时通过对测量数据的分析，首次证明在谱线重叠区，谱线之间的线相干效应不仅影响谱线之间的吸收率，而且同样影响线参数测量值的精度。在０．１ＭＰａ与光程为１ｋｍ时，它对线强、线宽的测量值和透过率的最大影响分别可达８．８％、１６．６％和８．３％。

水汽分子振转Hamiltonian常数的拟合及碰撞加宽线宽的理论研究

0.6-1.0μm区域大气分子的吸收特性是目前强激光传输领域中的一个重要课题,大气分子的吸收特性一般由线位、线强、线宽和线宽的温度依赖指数等参数来描述。水汽分子是大气分子中最重要的吸收分子,在这一区域人们对水汽分子的碰撞加宽线宽的研究并不多,特别是对一些弱带的研究不仅在实验上、而且在理论上都未见报导。为此本工作首先根据现有的线位参数,用最小二乘法首次拟合了水汽分子(122)振动带的Hamiltonian常数,我们采用的是Watson型Haniltonian,其形式为。

激光光斑中心高精度定位算法研究

为提高测风激光雷达系统光学结构能量接收效率,需要对激光雷达系统中的激光光斑中心进行准确定位.通过对常用亚像素定位算法的分析,利用高斯拟合和矩形区域来对灰度重心定位算法进行优化,提出了激光光斑定位的改进算法,并与已有的算法进行了对比分析,设计并开展了验证试验.试验结果表明改进算法比已有传统算法对激光光斑的定位准确性大幅提高,最大限度地减小光斑形状的不对称所导致的误差,对于光能量分布中心的估计也更为准确,是一种切实可行的光斑中心定位算法.

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。

常见食用油和煎炸食用油的激光诱导荧光光谱特性

为了实现地沟油的快速检测,利用激光诱导荧光探测技术搭建了食用油类快速检测系统。对多种食用油和煎炸食用油(地沟油的一种)进行了光谱采集,建立了多种食用油和煎炸食用油的荧光光谱数据库,发现煎炸食用油的特征荧光光谱与常见食用油之间存在较大差异,在此基础上利用主成分分析法和BP神经网络实现了油类识别、地沟油的快速检测,总体识别率高达97.5%。实验证明激光诱导荧光光谱技术具有快速非接触和灵敏度高等优点,与BP神经网络相结合能够实现油类的快速识别,成为地沟油快速检测的一种新方法。

AML-1车载测污激光雷达探测大气边界层气溶胶

介绍了自行研制用于环境监测的车载式激光雷达(AML-1)系统及典型特点,其在测量气溶胶时不但可以全天候探测,还可以从不同仰角进行测量,对实现连续、实时、大范围监测大气污染有着重要的意义。结合该激光雷达的特点,从垂直、斜程、二维扫描等方面分别给出了该系统探测气溶胶时的典型结果和时空分布图,总结了AML-1车载测污激光雷达系统在测量气溶胶时的优越性和意义。

机载激光雷达对青岛及周边海域的气溶胶探测

工作波长为532nm的机载大气环境探测激光雷达AEDAL（Atmospheric Environment Detecting Airbome Lidar）装载在CMS-3807飞机上，于2005年11月7-11日期间在青岛地区及周边海域上空进行了飞行探测．此次实验的目的有两个：验证我国用于大气环境探测的激光雷达技术已经具备从地基向空基乃至天基发展的条件；获得青岛地区及周边海域边界层结构及大气气溶胶时空分布变化的特点．激光雷达的高时空分辨率为获取飞行路径上的边界层结构及气溶胶时空分布提供了可能．为了研究下垫面对边界层及气溶胶时空分布的影响，预定的飞行路径上包含了丰富的地形变化，有城市、丘陵、海区等．通过给出11月8日及11日的探测结果，不仅得到了不同地区边界层结构及气溶胶的时空分布特点，还可以看到冷锋、地形、地面气象场等因素对它们的影响．

城区机载激光雷达点云数据与航空影像的多尺度配准方法

提出了一种激光雷达(LiDAR)点云数据和航空影像的多尺度配准方法.该方法采用渐进式的配准策略,利用面形态学的方法构建尺度空间.配准过程分为两部分:在大尺度下利用面片特征进行配准;在小尺度下利用直线特征进行配准.渐进式的配准策略简化搜索匹配的直线特征的过程,提高了自动化程度,构建基于面形态学的尺度空间提高了配准元的提取精度.最后,通过实验验证了方法的可行性.

激光雷达几何重叠因子及其对气溶胶探测的影响

介绍了平行轴与共轴激光雷达几何重叠因子的物理意义,并从几何推导和实验测量两方面给出求解几何重叠因子的方法。通过对AML-1激光雷达(共轴系统)的实验总结,列举了一些有关几何重叠因子的典型结果,并分析了激光雷达几何重叠因子对探测气溶胶消光系数的影响。最后得出,气溶胶消光系数对几何重叠因子的修正非常敏感,但在激光雷达系统稳定且操作规范的情况下,几何重叠因子随距离的分布曲线是相对稳定的,此时对气溶胶消光系数的影响也较小。