1.5微米大气探测激光雷达研究进展(特邀)

激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点,是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达,1.5μm大气探测激光雷达有独特优势,包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年,世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生,实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后,1.5μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分,1.5μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶(云)、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水(雨滴谱),并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。

毛细电泳法测定水中的铵和10种金属离子

水体铵和重金属离子的污染加剧,其准确快速测定非常重要。采用高压毛细电泳方法,进行水中铵测定的干扰因素实验,并利用F检验和t检验进行了测定水中铵的毛细电泳法和纳氏比色法之间的显著性检验,并且进行了测定Mg^(2+)、Ca^(2+)的毛细电泳法和滴定法之间的显著性检验。结果发现:采用15mmol/L咪唑+2mmol/L乙醇酸的水溶液为流动相,在2mmol/L 18-冠-6醚存在下,K^+、Na^+、Mg^(2+)、Ca^(2+)、Li^+、Cr^(3+)、Cd^(2+)、Zn^(2+)、Cu^(2+)、Fe^(3+)、Ni ^(2+)、Pb^(2+)和Hg^(2+)对水中NH_4^+的测定不干扰;K^+、Na^+、Mg^(2+)、Ca^(2+)、Li^+、Cr^(3+)、Cd^(2+)、Zn^(2+)、Cu^(2+)、Fe^(3+)、Ni ^(2+)、Pb^(2+)和Hg^(2+)实现了相互分离。进而得到测定水中NH_4^+工作曲线为:y=-3.567x+22.53(R2=0.999),线性区间为:0.2~175.0mg/L,定性检测限为0.05mg/L,回收率为101.2%,相对标准偏差RSD为0.21%。测定10种金属离子的回收率为97%~101%,检测限为0.01~0.10mg/L,相对标准偏差RSD为0.2%~3.1%。经计算发现毛细电泳法与纳氏比色法测定水中NH_4^+无显著性差异,测定Mg^(2+)、Ca^(2+)的毛细电泳法和滴定法之间无显著性差异。建立了同时测定水中铵和10种金属离子的毛细电泳法,该法干扰少、操作简单、重现性好、灵敏度较高、准确度较高而且线性较宽。

基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层温度探测

报道了一种基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层大气温度探测技术.通过扫描F-P标准具,获得大气分子瑞利后向散射的透过率分布.对该透过率进行非线性拟合,由拟合得到的谱宽计算大气温度分布.为了减小频率不稳定引起的系统误差,采用静态的F-P标准具实时监测激光出射频率,并在数据处理中进行补偿.由时间分辨率2000 s的激光雷达原始信号的信噪比,根据最大似然估计误差分析,该方法在30km以下的探测误差小于1.9K,50km以下的探测误差小于9.8K.在对比实验中,在18～36km高光谱分辨激光雷达与探空气球探测的温度廓线最大偏差4.7K;在27～34km,高光谱分辨激光雷达与瑞利积分激光雷达探测的温度最大偏差2.7K.在15～27km,由于气溶胶的污染,瑞利积分激光雷达的温度明显偏离其他两种探测结果,最大偏差达22.8K.

瑞利多普勒测风激光雷达的频率标定方法

频率标定是瑞利测风激光雷达的关键技术。瑞利测风激光雷达中,通过改变压电陶瓷管的电压实现连续调谐F-P标准具腔长,使出射激光频率处于双边缘透过率曲线的交点处。在连续调谐时,由于压电陶瓷管的磁滞效应引起腔长调谐非线性,从而导致系统误差。分析了该误差的原因及特性,提出了静态软件补偿和动态调频跟踪相结合的频率标定方法。若激光出射频率相对F-P标准具漂移小于100 MHz时,在数据反演时补偿该频率偏差;若相对频率漂移大于100 MHz时,将F-P标准具先退回预设腔长以下,通过逐步增加电压的方式,重新实现频率锁定,保证锁定过程处在磁滞回线的电压上升段,避免了磁滞效应引起的误差。多普勒激光雷达与无线电探空仪的两组对比实验中,在15~30km高度,风速最大偏差6.22m/s,平均偏差1.12m/s。

Comprehensive wind correction for a Rayleigh Doppler lidar from atmospheric temperature and pressure influences and Mie contamination

A correction considering the effects of atmospheric temperature, pressure, and Mie contamination must be performed for wind retrieval from a Rayleigh Doppler lidar（RDL）, since the so-called Rayleigh response is directly related to the convolution of the optical transmission of the frequency discriminator and the Rayleigh–Brillouin spectrum of the molecular backscattering. Thus, real-time and on-site profiles of atmospheric pressure, temperature, and aerosols should be provided as inputs to the wind retrieval. Firstly, temperature profiles under 35 km and above the altitude are retrieved, respectively,from a high spectral resolution lidar（HSRL） and a Rayleigh integration lidar（RIL） incorporating to the RDL. Secondly,the pressure profile is taken from the European Center for Medium range Weather Forecast（ECMWF） analysis, while radiosonde data are not available. Thirdly, the Klett–Fernald algorithms are adopted to estimate the Mie and Rayleigh components in the atmospheric backscattering. After that, the backscattering ratio is finally determined in a nonlinear fitting of the transmission of the atmospheric backscattering through the Fabry–Perot interferometer（FPI） to a proposed model.In the validation experiments, wind profiles from the lidar show good agreement with the radiosonde in the overlapping altitude. Finally, a continuous wind observation shows the stability of the correction scheme.

1.5 μm能见度激光雷达的波长修正模型比较

大气能见度在大气污染监测和保障航空、航海及陆上交通安全等方面具有重要作用。1.5 μm能见度激光雷达具有人眼允许最大曝光功率大,易于实现眼安全,可实现小型化和模块化等优点,适用于人员密集的场所。大气能见度定义为当550 nm准直激光经大气衰减到出射功率的2%或5%时所传输的大气距离,因此当采用1.5 μm激光时,需要进行波长修正。本文总结了现有的几种波长修正模型,并对它们之间的差异进行了分析。为了比较各种模型,研制了1.5 μm能见度激光雷达,并在2014年10月份于安徽合肥进行了连续24小时的能见度观测。通过与前向散射能见度仪进行比较,确认Kim模型与合肥实际情况最为吻合,平均相对误差小于7.8%。

多功能单光子探测激光雷达的发展与应用

激光雷达是大气探测的重要手段之一.传统激光雷达采用增大激光器发射功率和望远镜面积的方式提高探测性能.由于现代工艺的限制,目前性能已达瓶颈.中国科大激光雷达团队另辟蹊径,提出高量子效率、全光纤集成的方案,研发了高性能高集成度的单光子探测激光雷达.利用单光子探测技术和脉冲编码技术,中国科大进行了激光雷达海上大气环境探测、国庆气象安全保障和机载激光雷达探测等应用,展示了单光子探测激光雷达的优异性能和开展多样化的应用工作的能力.