一种基于多普勒原理的相干测风激光雷达及其外场应用

精确观测大气风场在气象、军事、航空航天等领域具有十分重要的意义。相干测风激光雷达能够实时有效地进行大气矢量风场探测。为此研制出一款基于多普勒原理的相干测风激光雷达,并进行外场观测验证了其性能。该系统可探测垂直上空45~3000m的水平风场以及垂直气流,最大可探测风速为60m/s。分析比对了该雷达于2021年10月16日08:00―20日00:00在广州市黄埔区气象局观测的数据与同时段同地点微波风廓线雷达的观测数据,结果表明二者具有良好的一致性。重点分析了2021年10月18日10:00―20日00:00的典型观测数据,进一步验证了该相干测风激光雷达所测数据的准确性。该雷达在风场探测上的应用将为气象参数监测和预报精度的提高以及极端灾害性天气的预警提供实时数据支撑。

全天时便携式户外型红外探测气溶胶激光雷达系统设计及应用

介绍了全天时便携式户外型红外探测气溶胶激光雷达的工作原理、系统设计与多种场景应用分析。红外探测气溶胶激光雷达具有大气穿透性强,受天空背景光影响小、对大粒子敏感等特点,在大气气溶胶污染时空分布特征获取、水平能见度监测和垂直边界层监测的应用上取得较好的效果。系统水平扫描可获取大区域颗粒物分布图,及时发现污染源并联合近地面风速风向、颗粒物和一氧化碳浓度等数据评估污染源影响程度,同时能够准确地反演水平能见度,与标准能见度仪比对相对误差均小于20%。激光雷达反演边界层高度采用消光系数梯度法,实验结果与探空气球反演绝对偏差为200 m,能够准确反演边界层高度。该系统能够实时精确地捕获大气气溶胶分布与传输情况,准确反演水平能见度、边界层高度等信息,在大气监测领域具有广泛的应用场景。

车载式激光雷达测量大气水平能见度

激光雷达作为一种新型的大气观测工具,可以通过直接探测激光与大气相互作用的光辐射信号来定量地反演大气水平能见度,更好地反映大气对传输于其中激光的衰减作用,从而成为测量大气水平能见度的主要手段。简单介绍了自行研制的国内首台车载式拉曼-米(Raman-Mie)散射激光雷达的结构和技术参数,并利用斜率法从激光雷达的采集数据中反演出大气水平能见度。通过实际观测并与美国Belfort能见度仪的对比试验,显示该激光雷达在探测大气水平能见度方面具有较高的可靠性和准确性,其测量误差小于20%。

测量大气气溶胶和水汽的车载式激光雷达系统

为满足国家对大气参数测量的需求,成功研制了新型车载式大气探测激光雷达系统。该激光雷达主要是通过接收激光与大气中气溶胶粒子和水汽以及氮气分子间的米和拉曼散射信号,结合相应的激光雷达方程,反演出大气水平能见度、垂直气溶胶消光系数和水汽混合比。最终的实际测量结果与对比实验显示,该激光雷达可以对对流层的大气气溶胶进行昼夜连续观测,对夜晚8km高度范围内以及凌晨和傍晚时分边界层内的水汽进行测量。相应大气水平能见度的测量误差小于20%,而垂直大气气溶胶和水汽的测量误差最大不超过30%。

新型车载式激光雷达探测对流层气溶胶

介绍了中国科学院安光所自行研制的新型车载式激光雷达的结构和主要技术参数,给出了雷达数据的反演方法,并利用它对合肥地区对流层的大气气溶胶进行了探测。测量结果表明,该雷达具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间与空间分布特征。

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%。

基于双级联法布里-珀罗干涉仪多纵模测温激光雷达技术

提出了基于双级联法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模高光谱分辨率测温激光雷达技术。分析了该技术的温度探测原理,并据此构建温度探测的理论模型,导出了温度和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光发射源的纵模间隔与双级联FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在前级FPI周期性频谱的峰值位置。详细分析了频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差,结果表明:后向散射比越大,相同的频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差就越大;频率匹配误差对温度测量的影响大,为保证低层大气温度测量准确,频率匹配误差和锁定误差应分别小于5 MHz和10 MHz。进一步给出了采用FPI腔长粗扫和细扫相结合的频率匹配校准方法和步骤。设定合理的系统参数,对基于双级联FPI的多纵模测温激光雷达系统的探测性能进行仿真分析。结果表明:在0~20 km高度范围内,通常匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差很小,在2 km以上可忽略不计;若出现云层、沙尘等,对应高度的温度测量偏差将会较大;垂直距离分辨率取30 m@0~12 km和60 m@12~20 km、时间分辨率取1 min时,白天和晚间由噪声引起的温度测量误差分别小于3.7 K和3.5 K,后向散射比相对测量误差分别小于0.40%和0.38%。

北京地区夏冬季颗粒物污染边界层的激光雷达观测

在对激光雷达测量数据处理方法讨论的基础上,根据"北京空气污染物垂直结构测量试验"(BAPIE)冬季和夏季测量的数据,对北京地区气溶胶高度分布及近地面气溶胶污染边界层指标、气溶胶污染边界层统计特征、气溶胶输送南北通量高度分布、API-Ⅰ级优质大气和Ⅴ级重度污染个例等,进行了讨论。

基于光散射技术的两种能见度探测方法的比较分析

为了提高大气能见度的仪器探测水平,并验证自行研制的车载式拉曼激光雷达探测大气水平能见度的可靠性,使用1种基于可见光波段的前向散射能见度仪,与基于后向散射原理的拉曼激光雷达进行了联合试验,对两者测量结果,进行了分析和讨论,结果表明这两种探测手段具有较高的相关性。同时,通过对前向散射原理的探讨,为能见度仪的国产化提供了参考,也检验了国内首台车载式拉曼激光雷达在测量能见度方面的可靠性,扩展了它的应用领域。

基于CCD的侧向激光雷达系统研制及探测个例

后向散射激光雷达技术已广泛应用于大气气溶胶的探测，但由于有盲区和过渡区，限制了它在近距离段的探测范围和精度。侧向散射激光雷达技术没有后向散射激光雷达技术中的上述缺陷，可实现近距离段气溶胶信号的连续探测，且探测精度较高。开发研制了基于CCD的侧向散射激光雷达系统，它由激光发射、光学接收、几何定标及数据采集等子系统组成。与后向散射激光雷达的对比探测个例表明，该激光雷达系统数据可靠，近距离的有效探测范围为0.02~4 km。这一系统的建立为进一步深入研究近地面层的气溶胶时、空分布奠定了坚实的基础。

合肥地区卷云的激光雷达探测

为了研究卷云的特征,我们利用L300米散射激光雷达对安徽省合肥地区(31．90°N,117．16°E)的高层卷云进行探测。这些卷云是在晴朗夜晚激光雷达进行对流层气溶胶常规测量的同时探测到的。分析讨论了卷云的结构、光学性质及其它们的时间变化特征。结果表明:该地区卷云的云峰主要分布在8—11 km范围之内,卷云的结构呈现一定的季节变化特征。

测量大气边界层高度的激光雷达数据反演方法研究

大气边界层与人类关系最为密切,它的高度分布直接反映了近地面的大气状况。而今激光雷达已成为探测大气边界层时空演变特征的最有效手段,但如何从大量的测量数据中精确提取大气边界层高度则成为限制其应用的主要问题。介绍了四种常用的大气边界层高度提取方法,即梯度法、标准偏差法、曲线拟合法和小波协方差变换法,并结合自行研制的偏振拉曼-米散射激光雷达的实测数据,分别对四种方法的提取结果进行分析。结果表明:四种方法各有优缺点,梯度法、标准偏差法和小波协方差变换法比较相近,准确性高但不稳定;而曲线拟合法的稳定性好,但提取结果相对折中。总体而言,曲线拟合法更适用于大量数据的批处理运算。

用于测量对流层水汽的拉曼激光雷达

水汽在大气中含量很少,但变化很大,变化范围在0.1%~4%之间,水汽绝大部分集中在对流层。随着光电探测技术的不断发展,大气衰减对光电探测造成的影响也越来越显著,其中水汽是主要影响因子之一,也是最为不确定参数。光电探测中常用红外波段,但是水汽分子浓度较大,对辐射吸收造成很大的影响。拉曼激光雷达是测量大气水汽的主要技术手段之一。介绍了自行研制的水汽测量拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量。测量结果显示：该激光雷达可以对夜晚8 km高度范围内以及白天边界层内的水汽进行测量。实验数据与当地探空数据进行比对,取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达测量水汽的有效性和可靠性。

基于纯转动拉曼谱线激光雷达的大气温度反演分析（英文）

由于气溶胶的影响,传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限,为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测,由观测数据反演了温度廓线。在基于N_2和O_2的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中,分析了平滑窗口、定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。结果显示随着平滑窗口的增大,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加,为有效去除信号中随机误差的影响,同时保留温度廓线的垂直结构,平滑窗口应选择600～1 200m比较好。定标范围不同,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同,相对变化约为0.07K。当定标常数a,b都增大或都减小时,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大,当一个增大另一个减小时,平均偏差相互抵消;a,b的变化不是等几率的,在符号上总是相反的;平均偏差对a的变化不敏感,对b的变化也不敏感,对a与b的整体变化敏感,约91.7%平均偏差落入-3～3K之间。该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、定标范围的选择提供了理论依据,对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。

高层薄卷云消光后向散射比的求解方法

卷云的消光后向散射比是研究卷云光学特性的一个重要参量,我们的工作就是利用米散射激光雷达探测的大气和卷云的后向散射信号来获得间断出现的高层薄卷云的消光后向散射比。在无大的天气系统过境的情况下,通过对定点观测到的雷达上空有卷云和无卷云的大气回波信号的对比求解,得出间歇性卷云的消光后向散射比,并与其他方法进行了对比分析,指明了该方法的可靠性和局限性。

激光雷达探测大气边界层高度分布的梯度法应用研究

为了研究合肥地区大气边界层结构变化特征,利用偏振拉曼-米散射激光雷达进行了连续探测。首先介绍利用激光雷达回波信号提取大气边界层高度的梯度法,并分析该方法的优缺点。然后对梯度法进行修正,给出具体的实例分析及对比结果。最后利用修正后的梯度法对激光雷达连续测量数据进行大气边界层高度提取,得到合肥地区观测站上空大气边界层的高度分布及时间变化特征。结果表明,实验期间合肥地区的大气边界层高度主要分布在1～1.5 km范围内,平均高度约为(1.28±0.2)km。

合肥春季气溶胶结构层探测研究

为了分析造成合肥上空春季自由对流层气溶胶浓度分布高于其它季节的原因,本文对偏振激光雷达2005～2008年期间春季常规测量和加密测量的数据结果进行再分析,从中提取了137组气溶胶结构层进行统计研究,并对2008年3月2日的观测结果作了个例分析。结果表明,特殊气溶胶结构层大多源于沙尘源区气溶胶粒子的远距离传输,其影响高度70%分布在2～4 km范围内,退偏振比大于0.1的结构层占据85%,这些结果可用于解释合肥春季自由对流层的气溶胶浓度分布偏高的原因。

532nm多普勒激光雷达中F-P标准具的优化设计

Fabry-Perot标准具是532 nm多普勒测风激光雷达的核心部件,其参数和加工精度直接影响整个系统的灵敏度和风速测量的精度。对不同波长的回波信号进行模拟,分析所选测量激光波长532 nm的原因。通过对系统的灵敏度和测量精度进行分析,优化设计标准具的主要参数,分析认为,标准具的自由光谱区为9 GHz,带宽1.75 GHz,两边缘通道峰值间隔4 GHz,锁定通道与边缘通道峰值间隔为1.125 GHz时,系统的灵敏度和测量精度最优。通过模拟计算标准具的主要缺陷对透过率的影响,确定标准具的表面加工精度要求5 nm,平行调节时腔长的最大差值要求小于10 nm。

机载双波长偏振激光雷达探测大气气溶胶分布

为了满足在区域尺度上大气气溶胶垂直分布的探测需求,在中国科学院重大科技基础设施项目"航空遥感系统"的资助下,研制了机载双波长偏振激光雷达。介绍了该机载激光雷达的主要功能和性能参数,以及在华北地区开展的飞行观测实验,取得的结果表明,该机载激光雷达性能稳定,其探测精度达到设计要求,可以为污染源的识别和传输路径的探测提供高时空分辨率的数据,为认知大气气溶胶的微物理特性和分类提供了重要的机载遥感平台。

合肥地区背景大气气溶胶的偏振激光雷达测量研究

为了研究合肥地区背景大气气溶胶的后向散射特性和偏振特性,利用2007年1月至2009年2月期间无云晴天偏振激光雷达常规测量数据进行统计分析。结果表明:合肥地区对流层中、上部气溶胶散射比和大气退偏振比具有明显的季节变化,其均值春季最大、冬季次之、夏季再次、秋季最小;在春季由于非球形粒子增多,使得其结果明显偏大。数据分析结果为低对流层米散射激光雷达测量数据反演提供参数选取依据,并为特殊天气过程大气气溶胶结构层(沙尘层、污染层等)的深入研究提供有用资料。