大气多参数激光雷达在化工园区的安全环保和碳监测中的应用

化工产业是国家经济发展的基础,但其在促进经济发展的同时也面临着高碳排放、环境污染和安全风险等挑战。为了保障化工园区的平稳运行,团队研制了一套全光纤体制的1.5μm大气多参数激光雷达系统,并应用于化工园区的污染强度、气体浓度、风场和降雨信息的监测和预警。该激光雷达系统集成了直接探测模块和相干探测模块,在直接探测模块中,基于扫描光源和超导纳米线单光子探测器进行气体浓度的监测。在相干探测模块中,基于对距离修正回波信号、载噪比和多普勒频移的分析获得颗粒物污染强度和风场分布;基于湍流动能耗散率和风廓线的速度梯度获得湍流和风切变信息;基于深度功率谱分析获得谱宽和偏度,用于区分风速和雨速,获得精准的降雨信息。大气多参数激光雷达分别在江苏省南京市江北新区和内蒙古自治区鄂尔多斯自治旗棋盘井镇进行外场实验,通过多次实验验证了该大气多参数激光雷达在化工园区进行环保、安全和精细化气象保障的能力。文中还进一步设计展望了该系统在化工园区探测多种危化气体浓度的潜力。

海口中层大气温度变化特性的Rayleigh激光雷达观测研究

中层大气温度变化的探测与研究是当前气候变化研究课题的一个组成部分,本文基于海南激光雷达2010—2020年间的长期观测,通过对中层大气Rayleigh散射信号的反演,探讨了海口(19.9°N,110.3°E)上空中层大气(32~64 km)温度变化特性.研究结果显示,中层大气温度呈周期性变化趋势,年、半年、季节变化幅度最大值分别为6.0、3.8、1.7 K,平流层顶位于42~51 km高度,日平均温度最高为~262 K.平流层温度主要表现为年变化趋势,半年和季节变化不明显;平流层顶和低中间层温度变化趋势具有年和半年变化特征,季节变化不明显.在太阳活动性发生明显变化的周期里,平流层顶温度的年际变化趋势对辐射通量F10.7指数变化有较明显的响应;而在太阳活动平静的年份里,温度变化趋势与太阳辐射通量变化的相关性不明显.

基于WRF模式高光谱分辨率测温激光雷达系统分析

为了解析大气瑞利-布里渊散射光谱并获取0 km~16 km的大气垂直温度廓线,采用基于菲索干涉仪结合光电倍增管阵列的高光谱分辨率测温激光雷达(HSRL)对不同季节环境下的温度反演能力及系统误差进行了理论分析,得到了利用大气瑞利-布里渊散射光谱在结合Tenti S6模型进行拟合的情况下,不同的大气模型对温度廓线拟合的影响结果。结果表明,使用US76大气模型结合Tenti S6模型,经10000次脉冲积分后,在0 km~16 km范围内的最大随机误差为1.1 K;使用天气预报模式(WRF)提供的温压场代替US76模型的温压场进行模拟,随机误差随季节略有不同,春季不超过0.65 K,夏季不超过0.98 K,秋季不超过0.59 K,冬季不超过0.63 K;使用WRF模式进行HSRL系统探测能力评估结果优于使用US76的评估结果,若精选不同天气类型,该方法还可以拓展到评估不同季节下HSRL的随机误差,体现了将WRF模式用于HSRL评估的优势。该研究为HSRL测温系统在不同季节下的工作能力评估提供了参考。

基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究

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。

激光稳频技术在大气探测激光雷达中的应用研究进展

大气探测激光雷达因其时空分辨率高、探测精度高等特点,在大气探测、环境监测、国防安全等研究领域应用广泛。根据大气探测激光雷达的测量原理,其光源的频率稳定性会对大气参数的测量和反演产生巨大影响,因此,对光源进行稳频尤为重要。综述了目前应用于大气探测激光雷达的4种激光稳频技术及特点,介绍了这些稳频技术在大气探测激光雷达中的应用研究现状,为未来研制高精度大气探测激光雷达提供参考和借鉴。

大气激光雷达热控设计与验证

大气激光雷达(ACDL)的构型复杂,周围热环境恶劣,激光器的散热及光学部件的温度控制是主要难点。利用热仿真软件对激光雷达进行了典型工况的热仿真分析,得到各主要部件温度分布情况:激光器底部的温度波动<0.5℃;接收望远镜主镜能够控制在20℃,温度波动0.1℃/轨。同时将热平衡试验结果及在轨飞行数据进行了比对,试验结果能够较好地包络在轨情况,验证了热设计的合理性及试验测试的覆盖性。

基于激光雷达的天津海-岸-陆地区大气边界层高度研究

利用2018年8月~2019年7月的气溶胶激光雷达观测数据对天津城市、渤海沿岸和渤海地区的大气边界层高度进行了反演,并利用无人机探空观测对激光雷达反演结果进行验证,同时结合天津大气边界层观测站、塘沽站和渤海A平台站的不同气象特征分析了大气边界层高度的分布特征及其差异产生的原因.结果表明:激光雷达和无人机观测获得的大气边界层高度具有较高一致性,在稳定、中性和不稳定层结条件下两者的相关系数分别为0.508,0.565和0.687.天津城区和塘沽地区各季节的大气边界层高度日变化规律较为一致,与各季节湍流动能和感热通量日变化规律接近,均呈单峰型分布,A平台大气边界层高度具有明显的海洋大气特征,表现为冬季高于城区和塘沽,夏季则与之相反.夏季由于海陆环流造成的热力内边界层的形成,是市区与塘沽大气边界层高度差异产生的原因之一,2019年夏季塘沽出现热力内边界层的情况下,其午后边界层高度下降约30~160m,与城区的大气边界层高度差升高约150~300m.

新型激光雷达:清除飞行中的“隐形杀手”

风切变是指风向和风速突然发生剧烈改变,被称为“飞行安全的杀手”。国际航空界公认,低空风切变是飞机起飞和着陆阶段一个重要危险因素。近日,南京信息工程大学大气物理学院夏海云课题组成功研制出一种30干米全天候非视域多功能激光雷达,能准确探测出风切变等特殊大气现象。它的最大水平探测半径和垂直探测高度分别达到30千米和7千米,为全球领先水平。

大气探测激光雷达的分类和特征

激光雷达被广泛地应用于云、气溶胶、大气成分、温度和风速的探测当中.应用于大气探测的激光雷达种类繁多,通常会使用不同的分类方法对激光雷达进行归类,使得同一台激光雷达可能会被赋予不同的名称,而被归类于同一类型的激光雷达之间又可能存在显著差异.按照激光雷达的测量角度和测距方式、光谱特征、探测目标、搭载平台等多种分类方法对现有的大气探测激光雷达进行了归纳,描述了各种不同类型激光雷达的特征,并介绍了不同类别激光雷达之间的联系.在实际科研和业务中,需要结合各种激光雷达的优、缺点,根据探测目标、数据质量要求和预算来选择最适合的激光雷达类型来进行大气探测.

基于星载双波长偏振探测的大气探测激光雷达系统设计

为获取全球大气气溶胶的垂直分布,解决现有大气环境监测受地域限制的难题,提出了星载大气探测激光雷达系统。该系统工作于卫星平台,采用双波长532 nm、1064 nm激光作为探测光源,结合偏振探测方式,获取大气气溶胶、云的垂直分布、粒子形状、粒子大小信息,实现了全球范围内大气的全天时、立体观测,弥补大气环境监测体系的不足。星载大气探测激光雷达系统提出自洽谐振腔的激光器发射技术,解决了星载大能量双波长激光器长期高效工作难题,实现双波长激光输出能量110 mJ;提出了空间平腔标准具滤波技术,解决了空间环境大气回波高效滤波和在轨滤波带宽与激光带宽匹配难题,实现滤波带宽40 pm;提出了空间高精度激光指向调整技术,实现指向调整精度优于5μrad。通过研制星载大气探测激光雷达系统对大气气溶胶进行探测,获取15 km高度以内的大气垂直廓线,有效识别大气层中底层气溶胶、中层的云以及高空的大气分子的形态和演变过程。

直接测风激光雷达频率跟踪技术及对流层平流层大气风场观测

为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场,搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理,使用转台式探测结构,通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪,确保测风的精度。实验结果表明,该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好,频率跟踪的范围为±50 MHz,可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测,在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后,随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km,夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比,风速误差均小于10 m/s,其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%,探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致,误差范围在10°~20°之间,在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析,结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。

转动拉曼激光雷达用于大气折射修正的研究

为了分析大气折射导致的定位误差,采用转动拉曼激光雷达测量的回波信号反演了大气折射指数廓线,根据目标定位误差理论获得不同高度处目标物的仰角定位修正值和距离定位修正值。研究结果表明:相同高度处目标物的仰角定位修正值和距离定位修正值随视仰角的增大而减小。当视仰角为10o时,位于10 km高度处目标物的仰角定位修正值为4.49',距离定位修正值为10.37 m;当视仰角为40o时,相同高度处目标物的仰角定位修正值为1.19',距离定位修正值为2.80 m。该结果对目标定位误差的修正有一定的参考价值。

大气探测激光雷达组网观测一致性研究

通过激光遥感获取气溶胶、云垂直分布情况,对研究气溶胶、云微物理特性、辐射强迫效应以及污染物传输等具有重大意义。在实际应用中激光雷达受激光器能量、发散角以及透过率等影响,会导致各雷达面对同一目标物探测数据不一致。随着地基大气探测激光雷达逐步规模化、标准化,对雷达组网观测一致性开展研究具有重要意义。为保证组网激光雷达数据高质量和高可靠性,在雷达系统自标定基础上,利用太阳光度计、大气分子模型获取激光雷达系统常数,确保各激光雷达回波信号定量可比。通过激光雷达组网观测进行探测目标一致性比对试验,以验证激光雷达系统探测一致性精度。结果表明:标定后,532 nm距离修正信号在1~2 km区间相对偏差从64.89%降低到22.16%,在2~5 km区间相对偏差从49.26%降低到8.90%,在9.5~11.5 km相对偏差从46.83%降低到10.91%;532 nm退偏比在1~2 km区间相对偏差从69.68%降低到20.68%,在2~5 km区间相对偏差从71.24%降低到6.69%,在9.5~11.5 km相对偏差从140.24%降低到9.02%;532 nm后向散射系数在1~2 km区间相对偏差从37.45%降低到23.63%,在2~5 km区间相对偏差从29.15%降低到21.45%,在9.5~11.5 km相对偏差从76.02%降低到24.16%。组网激光雷达数据结果一致性较好,可在多站点进行高精度探测,在气候变化研究、碳排放监测和环境研究等领域发挥重要作用,为大规模大气变化规律研究提供高质量、有效数据。

激光雷达在气象和大气环境监测中的应用分析

伴随着全球环境日益严峻,大气环境监测的重要性日趋凸显。同时气象研究也事关民生,不可忽视。随着信息科学技术的快速发展,气象探测工作的精准度也在不断提升,众多先进的气象监测设备和技术投入到气象研究工作中来。其中激光雷达作为一种十分先进的现代光学遥感设备,在具体的运行过程中,它融合传统雷达和现代激光技术,呈现出更为显著的应用价值,因此在当前的气象和大气环境监测领域具有十分重要的地位,所呈现出的应用优势十分显著。因此,文章着重分析了激光雷达的基本含义,并对其在气象、大气环境监测中的具体运用策略进行了探讨,以期对有关领域起到积极意义。

基于激光雷达的北京海淀区大气污染监测及预警

对PM_(2.5)浓度进行监测及管控,对提高北京空气质量具有重要意义。文章首先分析了北京市的空气质量现状,得出PM_(2.5)为北京市的首要污染物。采用车载式大气颗粒物激光雷达对北京市海淀区进行走航探测,结合GPS定位,协同粒子后向轨迹追踪图,实时掌握区域关键路径大气污染区传输情况和污染来源。最后将100米以内的激光雷达数据与北京国控点平均数据进行对比,结果显示二者具有较好的一致性。

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%。

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%。

激光雷达载荷在整星AIT中的关键风险识别与控制

大气环境监测卫星装载大气探测激光雷达(ACDL),以主动激光作为工作介质,产品使用特性特殊,对整星装配、总装和测试(AIT)过程各环节风险控制提出了很高要求。文章通过ACDL工作原理及特点分析,分类梳理了其关键使用特性,基于使用特性识别了整星级AIT过程风险项目,重点论述了总装、测试、试验及发射等AIT全流程关键环节风险控制措施及工程验证情况。实践结果表明:基于产品关键使用特性的整星AIT过程风险识别与控制措施有效,相关方法可为其他星载激光系统参考借鉴。

激光雷达探测北京城区夏季大气边界层

为了研究北京城区夏季大气边界层结构变化特征及大气边界层内气溶胶消光特性,2004年8月利用便携式米散射激光雷达对北京城区夏季大气边界层进行了系统观测。反演了观测站上空大气气溶胶的消光特性垂直分布以及大气边界层的高度。分析了气象条件和人类活动对大气边界层结构的影响。观测数据表明:北京城区夏季大气边界层有明显的日变化特征,早晚比较低,日间有一个从低变高再变低的过程,中午前后达到最高。结合气象参数对测量数据进行的统计分析表明:北京城区夏季大气边界层高度相对稳定,多分布在1.8 km以下,平均值为0.68 km;大气边界层内存在浓度较高的气溶胶粒子,平均光学厚度(3 km以内)在0.30左右。

探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450～2000m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.0×10-16～1.0×10-15 m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00～21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。