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基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究
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作者 王煜 张献中 +8 位作者 吴同 张益健 孙悦 李世杰 李欣岐 钟凯 闫召爱 徐德刚 姚建铨 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第4期627-639,共13页
基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测,结合最优估计法,对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型,选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息,构建用于最优化处理的成本函数,利用Levenberg-Marquardt... 基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测,结合最优估计法,对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型,选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息,构建用于最优化处理的成本函数,利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理,得到大气温度的反演结果,对反演结果的不确定度分析的同时利用平均核矩阵对反演结果中真实信息的贡献进行评估。利用瑞利激光雷达方程产生的模拟回波信号进行了大气温度的反演处理与分析,对中国科学院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测数据进行大气温度的最优估计反演。结果表明,90 km以下的反演不确定度在10 K以内,且相较于CH方法,最优估计法具有反演有效范围高的优势;在回波光子信噪比较高的区域,反演不确定度较小,且真实信息对反演结果的贡献占主导地位。 展开更多
关键词 中层大气 瑞利激光雷达 最优估计法 平均核矩阵
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临近空间多普勒激光雷达技术及其应用(特邀) 被引量:9
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作者 闫召爱 胡雄 +5 位作者 郭文杰 郭商勇 程永强 张炳炎 陈志芳 赵尉博 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2021年第3期28-37,共10页
研制了车载钠荧光散射多普勒激光雷达和车载532 nm瑞利散射多普勒激光雷达用于测量临近空间大气温度和风场。在钠荧光散射多普勒激光雷达中使用了三频比率多普勒测量方法获得80~100 km的温度和风场。在532 nm瑞利散射多普勒激光雷达中,... 研制了车载钠荧光散射多普勒激光雷达和车载532 nm瑞利散射多普勒激光雷达用于测量临近空间大气温度和风场。在钠荧光散射多普勒激光雷达中使用了三频比率多普勒测量方法获得80~100 km的温度和风场。在532 nm瑞利散射多普勒激光雷达中,使用碘分子吸收线边缘技术测量70 km以下的风场,使用积分方法测量80 km以下的温度。在距离分辨率为1 km、时间分辨率为1 h情况下,40 km处的大气温度、风速测量不确定度约为0.2 K和0.4 m/s;70 km处约为1.5 K和5.5 m/s;92 km处约为0.3 K和1.0 m/s。这两部激光雷达已经在北京、青海、甘肃等地进行了长期观测,应用于临近空间环境特性研究。 展开更多
关键词 临近空间 多普勒激光雷达 风场 温度
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基于HITRAN数据库的大气激光雷达信号仿真 被引量:6
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作者 崔洪鲁 闫召爱 +2 位作者 张炳炎 郭文杰 胡雄 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第6期1046-1051,共6页
信号仿真研究是大气激光雷达研究的重要环节,结果可为激光雷达系统的设计和研制提供基础.本文仿真系统可用于激光雷达回波信号模拟.该仿真系统利用HITRAN数据库中的吸收谱线计算大气分子对激光的吸收光谱,并采用大气辐射传输模型中的气... 信号仿真研究是大气激光雷达研究的重要环节,结果可为激光雷达系统的设计和研制提供基础.本文仿真系统可用于激光雷达回波信号模拟.该仿真系统利用HITRAN数据库中的吸收谱线计算大气分子对激光的吸收光谱,并采用大气辐射传输模型中的气溶胶模式模拟气溶胶对激光的衰减.利用激光雷达方程,数值模拟了355nm,532nm以及1064nm的回波信号,并将532nm的数值模拟结果与实测结果进行对比,评估了激光雷达系统的光学效率. 展开更多
关键词 大气探测 激光雷达 仿真计算
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基于CO_(2)测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化 被引量:1
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作者 张炳炎 闫召爱 +1 位作者 郭文杰 胡雄 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第6期905-910,共6页
根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO_(2)观测数据,分析CO_(2)浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO_(2)浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO_(2)浓度数据分别进行拟合,生成... 根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO_(2)观测数据,分析CO_(2)浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO_(2)浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO_(2)浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO_(2)浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度. 展开更多
关键词 大气辐射传输 红外辐射 CO_(2)浓度
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基于钠激光雷达观测数据的中间层顶大气温度分布特性研究
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作者 郭商勇 胡雄 +2 位作者 闫召爱 程永强 涂翠 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第5期913-918,共6页
作为中间层和热层的边界层,中间层顶存在多种能量交换方式,是大气能量耦合的重要区域。本文利用部署于中国科学院廊坊临近空间大气探测站的钠荧光多普勒激光雷达2013年的观测数据,研究了廊坊上空中间层顶区域大气温度的年度和季节分布特... 作为中间层和热层的边界层,中间层顶存在多种能量交换方式,是大气能量耦合的重要区域。本文利用部署于中国科学院廊坊临近空间大气探测站的钠荧光多普勒激光雷达2013年的观测数据,研究了廊坊上空中间层顶区域大气温度的年度和季节分布特性,并分析了影响温度分布的多种因素。年平均温度廓线图显示,中间层顶位于约97.5 km高度处,温度约191.2 K。受放热化学反应的影响,年平均温度廓线91 km高度处出现了一个198 K的相对温度高点。中间层顶区域大气温度的季节分布受太阳辐射和大气动力学因素综合影响,夏季在大气动力学影响下,中间层顶高度较低,位于88 km高度处,温度也较低,约177 K;冬季太阳辐射起主导作用,中间层顶位于99 km高度处,温度为181 K。通过拟合月平均温度分析了中间层顶区域大气温度年变化和半年变化的振幅和相位特征。结果显示,中间层顶区域上部温度分布主要受太阳辐射的影响;在中间层顶区域下部,大气波动主导了温度分布。 展开更多
关键词 激光光学 钠荧光激光雷达 大气温度 中间层顶
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利用激光雷达测量重力波三维结构 被引量:4
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作者 郭文杰 闫召爱 +4 位作者 胡雄 郭商勇 宋亮 程永强 崔洪鲁 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期394-400,共7页
激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利... 激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利用激光雷达直接观测三维波动结构的可行性.激光雷达垂直观测即可得到重力波的垂直波长,当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时,所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息.因此,利用激光雷达同时以三个方向(垂直、向南(天顶角30°)以及向西(天顶角30°))测量,可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长.本文利用中国科学院国家空间科学中心研制的车载532nm瑞利激光雷达的经向系统和纬向系统同时以不同的指向角观测大气重力波,对利用激光雷达获取三维波动结构的方法进行了分析研究.本文给出了北京地区激光雷达观测重力波的诸多案例,分析了30~60km高度范围内北京地区大气重力波的垂直及水平波长信息.并以2017年11月7日观测的准单色重力波为例,结合再分析资料的风场数据,分析了该重力波的水平波长,垂直波长及传播方向等信息. 展开更多
关键词 激光雷达 重力波 三维特征 中高层大气
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Seasonal Variations of Mesospheric Densities Observed by Rayleigh Lidar at Golmud,Qinghai 被引量:3
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作者 DAI Yaru PAN Weilin +3 位作者 QIAO Shuai HU Xiong yan zhaoai BAN Chao 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第2期207-214,共8页
From Aug.2013 to Oct.2015,a Rayleigh lidar has been used to study the middle atmosphere at Golmud(36.25°N,94.54°E),Qinghai,located in the northeastern part of the Tibetan Plateau.Mesospheric density profiles... From Aug.2013 to Oct.2015,a Rayleigh lidar has been used to study the middle atmosphere at Golmud(36.25°N,94.54°E),Qinghai,located in the northeastern part of the Tibetan Plateau.Mesospheric density profiles from 50 to 90 km were retrieved based on 205 nights of lidar observation,with a total of 1616hours of operation.We compared our lidar density measurements with SABER observations onboard TIMED satellite and MSIS-00 model data.The results showed that the annual mean density measured by lidar agreed well with SABER data,but both were lower than that of MSIS-00.All datasets exhibited dominant annual oscillation in the mesosphere.From 63 to 85 km,the annual amplitude of lidar density is larger than those of SABER and MSIS-00.PDD(Percentage of Density Difference)was calculated to investigate the mesospheric density climatology.The largest density variations of lidar,MSIS-00,and SABER occurred at around 72 km.Both lidar and SABER PDD reached their maximum in May,about one month earlier than the MSIS-00;while the minimum PDD appeared in late December for all datasets. 展开更多
关键词 Lidar SABER MSIS model Mesospheric density SEASONAL variations
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一种全球临近空间大气密度建模方法及应用 被引量:3
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作者 程旋 肖存英 +3 位作者 杨钧烽 胡雄 闫召爱 柳丹 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期2227-2235,共9页
基于TIMED/SABER卫星2002—2018年观测的20~100 km大气密度数据,统计获得多年月平均值和标准偏差的全球网格数据。利用网格数据,分析了大气密度的变化特征。以网格数据为基准,计算了USSA76的相对偏差,分析了USSA76相对偏差的分布特征。... 基于TIMED/SABER卫星2002—2018年观测的20~100 km大气密度数据,统计获得多年月平均值和标准偏差的全球网格数据。利用网格数据,分析了大气密度的变化特征。以网格数据为基准,计算了USSA76的相对偏差,分析了USSA76相对偏差的分布特征。以网格数据为驱动,将大气密度表征为平均值与大尺度扰动量和小尺度扰动量的加和,大尺度扰动和小尺度扰动分别采用余弦函数和一阶自回归模型表征,初步建立了全球临近空间大气密度模型。通过对比模型仿真值与激光雷达观测值,表明模型仿真值与观测值具有较好的吻合度,验证了建模方法的可行性。利用蒙特卡罗方法可再现给定轨迹上所有可能的大气状态。 展开更多
关键词 临近空间 大气密度 建模 仿真 应用
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Sodium fluorescence Doppler lidar to measure atmospheric temperature in the mesopause region 被引量:13
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作者 HU Xiong yan zhaoai +2 位作者 GUO ShangYong CHENG YongQiang GONG JianCun 《Chinese Science Bulletin》 SCIE EI CAS 2011年第4期417-423,共7页
A sodium fluorescence Doppler lidar system has been developed to measure environmental parameters of the middle and upper atmosphere. The lidar system mainly comprises a transmitter system,receiver system,data acquisi... A sodium fluorescence Doppler lidar system has been developed to measure environmental parameters of the middle and upper atmosphere. The lidar system mainly comprises a transmitter system,receiver system,data acquisition and control system and data analysis system. A narrowband 589 nm laser is used to excite sodium atoms in the mesopause region. Excitation of the sodium atoms results in resonance fluorescence,which is collected by the receiver. The temperatures in the mesopause region(about 75-105 km) can be derived by analyzing the Doppler-broadened width of the sodium fluorescence. Observations were made with the lidar system,and the number density of sodium atoms and atmospheric temperature profiles were extracted from the observation data. Comparisons of the lidar temperatures and TIMED/SABER temperatures show good agreement,illustrating the reliability of the sodium fluorescence Doppler lidar measurements. 展开更多
关键词 激光雷达系统 大气温度 共振荧光 中层顶区 雷达测量 钠原子 多普勒 数据分析系统
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First imaging observation of the gravity waves in the mesopause region in China 被引量:7
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作者 TU Cui HU Xiong +3 位作者 yan zhaoai XU QingChen ZHAO MingLiang LIU Jia 《Chinese Science Bulletin》 SCIE EI CAS 2010年第6期539-543,共5页
The first imaging observation experiment of the atmospheric gravity waves in the mesopause region with the all-sky OH Meinel band airglow CCD imager is made during 02:00 to 06:00 on January 5,2009,at Hancun (39.4°... The first imaging observation experiment of the atmospheric gravity waves in the mesopause region with the all-sky OH Meinel band airglow CCD imager is made during 02:00 to 06:00 on January 5,2009,at Hancun (39.4°N,116.6°E),Langfang,Hebei in China.Quasi-monochromatic gravity waves (QMGWs) are found clearly in the observation data.Case studies show that their horizontal wavelengths,horizontal phase velocities,azimuth angles of horizontal propagation directions and periods of three QMGW examples are about 12.3 km,41 m/s,327°,5 min;25 km,35 m/s,68°,12 min;and 10 km,48 m/s,341°,3.5 min respectively. 展开更多
关键词 大气重力波 一次成像 观测数据 中国 CCD成像 传播方向 河北省 引力波
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