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。

探测低空大气温度分布的转动拉曼激光雷达

提出了一种新的探测对流层低层大气温度的转动拉曼激光雷达方法,通过测量N2和O2的后向散射的纯转动拉曼谱的强度,计算它们的比值来确定大气温度的垂直分布,并对其性能进行了数值模拟。转动拉曼激光雷达的光源是一个调Q的Nd:YAG激光器,经扩束器后输出能量200mJ;采用双光栅单色仪提取所需要的氮气和氧气的转动拉曼谱;接收机采用光电倍增管和双通道光子计数器,量子效率是10%(48000个脉冲累加)。夜晚它对近地面10.2km高度内的探测信噪比在10:1以上,白天它对近地面3.6km高度内的探测信噪比在10:1以上,计算的温度与模拟用的温度真值阔线相差约0.3K。

大气探测激光雷达技术综述

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具.激光雷达按照探测技术可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等.分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、发展历史及优缺点,及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用.最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望.

多功能大气探测激光雷达应用

激光雷达具有高的时间和空间分辨率、优越的方向性和相干性、高的探测精度和实时快速的数据获取能力,已经被广泛应用于大气探测、环境监测等领域。随着技术的发展,大气探测激光雷达由最初的单波长、单功能朝着多波长、多功能方向发展,技术更加成熟,操作更加方便。本文将介绍大气探测激光雷达的基本原理,及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、污染物和大气边界层高度等方面的数据应用。最后,对多波长多功能大气探测激光雷达的数据应用发展进行了总结和展望。

大气探测激光雷达望远镜设计方法研究

望远镜是大气探测激光雷达接收系统中的重要组成部分,用于接收激光与大气相互作用后的光回波信号。分析望远镜在大气探测激光雷达系统中的作用,利用几何光学光线追迹方法,详细研究两镜形式望远镜的光学参数计算方法与遮光罩尺寸计算方法。实例计算得到一组口径150mm、视场1mrad、F#=5的Dall-kirkham望远镜,验证了设计方法的正确性,证明方法可有效提高激光雷达光学仿真性能。

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．

星载激光雷达探测能力的数值模拟分析

为了研究星载大气探测激光雷达的技术参量对其探测性能的影响,采用合适的大气模式和星载大气探测激光雷达设计参量,对其接收的大气后向散射回波信号和探测回波信号的信噪比进行了数值模拟计算;同时模拟分析了星载大气探测激光雷达对沙尘和卷云的探测能力。结果表明,星载大气探测激光雷达对气溶胶的探测水平分辨率应设置为75km,且仅夜晚的探测能力能够达到信噪比大于10的要求;对卷云和沙尘探测水平分辨率应设为7.5km。该结果为该星载大气探测激光雷达的研制提供参量设置的基本依据。

大气消光特性与机载激光雷达眼睛安全关系的研究

依据美国ANSI标准,定量分析了气溶胶、卷云和沙尘的垂直消光特性对机载激光雷达激光脉冲眼睛安全最大阈值能量的影响;以地基激光雷达探测得到的合肥上空沙尘暴为例,定量给出了大气中各成分消光特性对飞机眼睛安全最低高度的影响;模拟计算了各种大气成分的消光特性对激光脉冲眼睛安全系数的影响随高度的变化规律。计算结果表明:沙尘层对激光脉冲眼睛安全最大阈值能量的影响幅度可达几十毫焦。该结果为我国第一台机载大气探测激光雷达激光脉冲能量设置提供了基本依据。

国际星载激光大气测量载荷工程进展概述

激光探测技术以其高精度、全天时主动观测、无需地面控制点等优势,改变了传统的遥感观测方式,作为主动或主被动结合的新型遥感手段,丰富了遥感信息,有力地推动了激光大气探测的发展。近年来,随着激光、光学机械加工等技术的发展,大气探测激光雷达的平台也从固定地基式,发展为可移动车载、船载、机载和星载平台。目前,星载大气探测激光雷达主要应用于气溶胶(可悬浮颗粒物)和云的测量、水汽、CO2以及其他污染气体等大气成分测量,以及全球风场(大气动力学行为)的测量。本文分别对这些典型的星载激光大气测量卫星的系统组成、技术参数和应用领域,进行深入剖析,总结星载激光大气测量卫星亟待突破的关键技术,对其发展趋势和进一步的应用前景进行展望。

FFIM用于机载大气激光雷达ABCT反演的可行性研究

Fernald前向积分法能否用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演一直是一个有争议的课题.本文利用青岛机载大气探测激光雷达实测数据、国外机载大气探测激光雷达实测数据和机载大气探测激光雷达模拟数据,对Fernald前向积分法应用于不同高度的机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的误差进行了定量分析,分析结果表明:飞机的飞行高度在3.5km左右,标定值存在20%的误差时,离地面2km的高度范围内反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差在12%以内,但在标定点附近相对误差可达20%;飞机飞行高度在7km左右,当标定值存在100%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大都在10%～15%之间,标定值存在400%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大部分在15%～50%之间.本文从理论上对Fernald前向积分法应用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演出现负值的原因进行了探讨.研究表明:Fernald前向积分法能够较准确地反演出中高空探测(4.5km以上)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数,但应用于低空探测(4.5km以下)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演时,反演误差较大甚至反演结果会出现负值.

“大气环境探测与模式应用”专刊主编刘东

刘东,研究员,博士生导师。现任中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所大气光学研究中心副主任;兼任国际激光大气探测委员会(ICLAS)中国唯一委员,SKYNET国际委员会中国委员,安徽省气象学会常务理事,中国科学院青年联合会委员。曾获得2014年度安徽省科学技术奖一等奖,2016年第八批合肥市专业技术拔尖人才称号,2017年安徽省青年科技奖等。主要研究领域是激光雷达探测技术及应用。

大气环境监测卫星校飞试验设计与验证

针对大气环境监测卫星上国际首次采用主被动结合探测体制的效能,在卫星研制初样阶段开展了多载荷综合探测航空校飞试验,验证了大气探测激光雷达(ACDL)探测性能以及双偏振载荷匹配探测原理,并为地面应用系统提供真实遥感数据源,验证数据处理方法的正确性。详细介绍了大气环境监测卫星校飞试验的总体设计方案,系统阐述了试验目的、系统构成、试验过程,对试验结果进行了详细分析,为卫星发射入轨后应用效能保证奠定了基础,同时为后续校飞试验积累了经验。

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。

基于参量振荡探测对流层CO_2的差分吸收雷达

设计了一种新颖探测对流层二氧化碳气体的 1572nm 差分吸收雷达,它的发射系统基于脉冲的种子注入 KTP 参量振荡器(OPO)。OPO 由 1064nm Nd:YAG 多模激光泵浦,转换效率 10%,重复频率 20Hz,OPO 的腔长由 PZT 单元和二氧化碳多通道吸收池精确控制,种子注入时,它可以产生单模窄带的信号光脉冲输出, 对应的空闲光输出仍然是多模。窄带 on 光源(线宽小于600MHz)对应于二氧化碳光谱的强吸收线,宽带 off 光源(150GHz)对应于光谱的弱吸收线。on 和off 双波长工作是通过对种子光的 10Hz 开关来得到的。雷达接收系统的核心是近红外光电倍增管和光子计数器,光电倍增管制冷到-60℃以降低其噪声。实验表明,该雷达的信噪比在 6km 以内大于 10 :1(10 分钟 6000 个脉冲累加)。

轻度非球形气溶胶粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶粒子的激光雷达的关键参数-激光雷达比问题进行了讨论,以一种典型的集合状态(一般大陆型气溶胶粒子)为例,分析计算了几种典型湿度下非球形气溶胶粒子在0.532μm波长上的激光雷达比。发现:粒子的非球形对激光雷达比具有明显的影响。该结果为激光雷达探测对非球形大气气溶胶粒子的测量研究提供了分析依据。

大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达的关键参量———激光雷达比问题进行了详细的讨论,利用实际大气气溶胶和云雾粒子的光学特性对0.532μm和1.064μm波长上的激光雷达比进行了计算分析,得到了各种气溶胶粒子组份和典型的集合状态以及云雾粒子的激光雷达比。发现激光雷达比和粒子的物理、光学性质密切相关,不同种类的粒子的激光雷达比有巨大的差异,并且两个波长上激光雷达比的相互关系也不相同,这些结果为激光雷达探测大气气溶胶和云雾粒子提供了依据。

机载激光雷达沙尘探测能量优化配置的统计研究

依据美国ANSI标准，结合1999～2004年间地基激光雷达探测的合肥地区沙尘暴消光廓线，统计分析了机载大气探测激光雷达探测沙尘时偏振532nm垂直通道和1064nm通道所需的最小激光能量，模拟计算了机载大气探测激光雷达探测沙尘暴时在0-12km高度范围内不同激光束发散角和激光脉冲能量比例的532nm和1064nm激光脉冲眼睛安全最大阈值能量。以合肥地区沙尘暴消光特性的统计结果、地面人眼安全标准和两个“瓶颈”通道的探测能力为依据提出两种激光脉冲能量配置方案。

多通道高计数率单光子计数系统的设计与实现

光子计数探测具有极高的探测灵敏度,已成为大气探测激光雷达的主流探测手段。设计了一种基于FPGA的8通道高计数率单光子计数系统,提出了一种基于多相时钟过采样的光子脉冲检测方法,实现了2 ns的光子脉宽分辨率、200 MCPS的光子计数率、无死时间的连续多通道同步计数,具有高计数率、高实时性、高集成度的特点。系统已装备于北京遥测技术研究所研制的多波长拉曼偏振大气探测激光雷达中,在激光雷达大气遥感中发挥了重要作用。

Micro-Pulse Lidar Measurements of Aerosol Vertical Structure over the Loess Plateau

Knowledge of the vertical distribution of aerosols in the free troposphere is important for estimating their impact on climate. In this study, direct observations of the vertical distribution of aerosols in the free troposphere are made using surface Micro-Pulse Lidar (MPL) measurements. The MPL measurements were made at the Loess Plateau (35.95°N, 104.1°E), which is near the major dust source regions of the Taklimakan and Gobi deserts. The vertical distribution of the MPL backscattering suggested that nondust aerosols floated from ground level to an altitude of approximately 9 km around the source regions. Early morning hours are characterized by a shallow aerosol layer of a few hundred meters thick. As the day progresses, strong convective eddies transport the aero- sols vertically to more than 1500 m.

Fernald前向积分用于机载激光雷达气溶胶后向散射系数反演的理论研究

初步反演结果表明,Fernald前向积分法(FFIM)能够用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演,但相应的理论解释没见国内外相关文献报道.根据合肥地基大气探测激光雷达2008年2月27日的探测数据模拟得到的机载激光雷达数据,对FFIE用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演结果进行了定量分析,分析表明:当反演标定点的高度选在10km左右时,FFIM能够用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的主要原因有3个:1)Fernald前向积分方程(FFIE)分母中两项的差值一般远大于零,这决定了FFIM应用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演时,反演误差不会无限大而且反演结果不会出现负值;2)标定值误差为100%时,在整个反演过程中误差项的值仅变化了0.006,是标定值没有误差时分母值的0.6%;3)FFIE的标定项中分子的后向散射系数占主导地位,标定点的气溶胶后向散射系数变化较大的值,对整个标定项的值影响却很小.研究表明,上疏下密的大气结构和较高的标定位置是FFIM能够用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的根本原因.