多通道海洋荧光激光雷达溢油监测系统

主要介绍了可用于海上溢油监测的多通道海洋荧光激光雷达系统及实验研究。该激光雷达系统采用Nd：YAG激光器三倍频激光（355 nm）作为探测光源,使用口径为20 cm的卡塞格林望远镜接收海面返回的荧光信号,经光栅光谱仪分光后对380~690 nm范围内的荧光信号进行采集。通过实验室激光诱发油样本的荧光数据分析,研究了不同溢油种类的荧光光谱特征,并给出了区分溢油污染程度的快速分析方法。2009年以来在青岛近海进行多次实验并分析不同的海面污染类型和污染程度,实验结果表明,该雷达系统海面溢油监测性能可靠,能够准确判别溢油种类,并可区分溢油污染程度。最后讨论了雷达探测中存在的噪声影响。

荧光激光雷达技术探测水面油污染系统仿真研究

为实现对水面油污染的探测,根据荧光激光雷达系统的发展趋势,采用激光诱导荧光技术,建立了适用于水面油污染探测荧光激光雷达的系统模型.提出采用单激光器结合增强电荷耦合器件的小型荧光激光雷达探测系统,通过分析激光器单脉冲能量与探测浓度之间的关系,结合荧光激光雷达系统参数,对系统模型的探测能力与信噪比等进行了数值仿真.结果表明,系统选用单脉冲能量50μJ的355 nm Nd:YAG激光器作为激发光源,白天在7 m的距离处探测信噪比可以达到10,满足实验室搭建模拟系统的要求.针对实际探测水面油污染,提出采用增大激光器功率的方法,并通过模拟计算验证了采用50 m J的单脉冲能量激光器在230 m的探测距离处可得到与实验室相同的结果,对实际系统的搭建具有指导意义.

海面浮油探测荧光激光雷达系统仿真

建立了海面浮油探测荧光激光雷达的系统模型,根据浮油探测的特点,给出了荧光激光雷达回波信号方程.以此方程为基础,结合石油的消光系数及荧光光谱转换效率数据,对模型的回波信号强度进行仿真,得到了该模型探测不同类型石油时的荧光回波光子数.为进一步计算该模型的信噪比,分析了海洋浮油探测背景噪声的特点,得到海水黄色物质产生的背景噪声.通过信噪比公式计算了荧光激光雷达模型的信噪比,计算结果表明,该系统模型能够满足机载海面浮油探测要求.

基于ICCD的机载海洋荧光激光雷达模拟研究

根据国际机载荧光激光雷达系统发展趋势,对基于512通道ICCD的机载海洋荧光激光雷达系统进行了实验室实验模拟和计算,对其可行性进行了评估。采用单脉冲能量70μJ的355 nm Nd:YAG激光器作为激发光源,直径100 mm的透镜收集探测距离5 m远的荧光信号,信号具有较好信噪比。模拟计算表明,对于同样基于ICCD探测的机载海洋激光雷达,采用20 Hz、单脉冲能量80 mJ的激光器和200 mm口径望远镜在150 m探测距离可获得与实验室相当的结果。

基于GPIB的钠荧光激光雷达控制系统

设计了基于GPIB总线的钠荧光激光雷达控制系统,实现了观测数据的实时采集控制及望远镜-发射光束联合调整;该方法通过调用GPIB接口函数设置光子计数器,并实时存储回波数据到控制电脑中;针对激光雷达联合调整中光学方法的不足,提出了单站式双轴收发分置结构激光雷达中发射光束最佳指向搜索方法,并采用数值滤波的方法提高了搜索精度;经验证该激光雷达控制系统工作稳定有效,降低了观测人员的工作强度,保证了钠层观测实验的顺利进行。

小型荧光激光雷达测量六种典型生物战剂模拟物二维荧光光谱

对成团泛菌(Pan)、金黄色葡萄球菌金黄亚种(Sta)、球芽孢杆菌(BG)和大肠杆菌(EH)四种生物战剂模拟物进行了培养和生长曲线测定,四种菌的代时分别为0.99, 0.835, 1.07和1.909 h;设计研制了近场小型荧光测量激光雷达, 266和355 nm波长分别用于测量生物战剂模拟物氨基酸段和NADH段二维荧光谱;在可控的荧光测量腔室,测得了分辨率为4 nm的营养态细菌液态气溶胶以及牛血清(BSA)、卵清蛋白(OVA)两种毒素类模拟物液态气溶胶的二维荧光谱;二维荧光谱数据表明, Pan, Sta, BG, EH, BSA和OVA气溶胶,在氨基酸段的荧光谱形与标准荧光组分色氨酸较为一致, FWHM为60 nm,受培养生化环境、细菌内部荧光组分及比例的影响,荧光分子激发态与基态间的能量差增大,荧光谱带均存在不同程度的蓝/紫移;在Pan, Sta, BG和EH营养细菌气溶胶中均检出了较弱的NADH荧光组分,且水、氮等的拉曼散射不能完全扣除,光谱锯齿严重, FWHM为100 nm;二阶求导后的二维荧光谱表明,荧光谱的高阶处理和分辨识别是可行的。

铁共振荧光多普勒激光雷达光源的频率稳定性研究

种子注入的372 nm稳频Nd:YAG激光器作为铁共振荧光多普勒激光雷达的激光光源,其性能将直接影响大气温度和径向风速的测量精度,属于研制难度较大但极其重要的关键技术。文中对激光光源的频率稳定性进行了仿真分析和实验研究。利用蒙特卡洛方法,仿真了振荡级输出1116 nm脉冲光的频率稳定性(均方根)应小于1 MHz;对改进型Ramp-Fire种子注入技术进行了详细介绍,并在振荡级光路中采用了该技术;通过激光拍频实验,测量得出1116 nm脉冲光在10 min内的频率稳定性的均方根为543.24 kHz,其结果满足指标要求,可将频率抖动和频率漂移引起的系统误差减少至0.51 K和0.61 m/s。文中所做工作为铁共振荧光多普勒激光雷达实现大气温度和径向风速的高精度测量提供了必要保障。

一种水平探测荧光激光雷达系统常数标定方法

水平探测荧光激光雷达是观测大气有机气溶胶的有效工具,系统常数的标定是利用荧光回波信号反演有机气溶胶浓度的关键。提出了一种基于荧光-米回波信号强度比的水平探测荧光激光雷达系统常数标定方法。该方法利用水平探测的荧光-米回波强度比和粒子计数器定点测量的气溶胶浓度数据来获得激光雷达的系统常数,进而减小系统几何因子的影响。在仿真计算中,将所提方法与传统标定方法进行对比,验证了所提方法的精度与稳定性。最后,利用一台水平近场探测的荧光-米散射双通道激光雷达进行实际标定实验,验证了所提方法的可行性和有效性。结果表明,所提方法可以较好地减小几何因子对标定精度的影响,并具有更好的稳定性。

中层顶准单色重力波特性的钠荧光多普勒激光雷达观测分析

利用2011~2013年期间60h的钠荧光多普勒激光雷达温度和风场数据,采用矢端曲线法提取廊坊上空85~95 km中层顶区域准单色惯性重力波的所有参量,并统计准单色大气重力波的活动特性。获得的85次准单色重力波事件中,上传(下传)重力波64次(21次),占总数的75.29%(24.71%)。垂直波长(水平波长)和观测周期平均值分别为6.6km(727.8km)和7.4h,分别集中在6~9km(200~800km)和2~7 h,固有周期平均值为7.76 h,主要集中在3~9 h,水平传播方向分布比较均匀,没有占主导的传播方向。对于上传重力波,水平背景风在大气重力波水平传播方向上的分量取正值和取负值的概率大致相等,但对于下传重力波,该风场分量取正值的概率大约是取负值的2倍,说明观测到的下传大气重力波在中层顶区域多为顺风传播。

基于生产者/消费者设计模式的荧光激光雷达数据采集系统

荧光激光雷达技术作为长距离探测有机气溶胶的主要手段之一,常用于有机气溶胶的探测、预警、识别与追踪,为了尽早发现有机气溶胶防止危害,提高荧光激光雷达系统探测时间分辨率及预警速度具有重要意义。针对以上荧光激光雷达对高时间分辨率、响应快的需求,提出了一种数据采集系统设计方案,该系统基于生产者/消费者模式将激光雷达信号探测过程分为数据生产和数据消费两模块,结合软件多线程技术降低了两模块的耦合度,提高了两模块的并行度,有效地缩短了荧光激光雷达的探测周期。测试结果表明,当荧光激光雷达多脉冲累加采集周期为100ms,单次触发采样点数量为20000时,激光雷达探测时间分辨率的实际提升率达到40.51%,且与理论公式具有良好的一致性,该系统可以应用于荧光激光雷达的高时间分辨率数据采集。

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.

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

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。

武汉上空背景Na层长期变化和夜间变化特征的激光雷达观测研究

通过分析武汉大学激光雷达在2001年4月到2004年12月的观测数据,研究武汉(30．5°N,114．4°E) 上空背景Na层的长期(时间尺度大于1年)变化和夜间变化特征,并讨论了这种变化特征可能的产生原因． Na 层长期变化的观测研究表明,背景Na层柱密度最大值出现在11月,大约是5月份最小值(1．6×109 cm-2) 的2倍;质心高度最大出现在8月,比年平均高度91．5km高1．4km,最小值出现在5月,为91．2km;rms 宽度平均值为4．5 km,最大值和最小值分别出现在12月和3月;月平均Na层质心高度和均方根宽度都具有准半年周期的变化,但两者变化的相位相反．除了长期变化外,背景Na层还呈现出明显的夜间变化特征:除凌晨短暂的时间外, Na层柱密度随夜间时间增加,于0530LT达到最大值(2．9×109cm-2);峰值对应的高度随时间下降;质心高度随时间缓慢增加但在凌晨迅速下降基本恢复到入夜时的高度;整夜背景Na层平均柱密度、峰值对应的高度、质心高度和rms宽度起伏值分别为1．1×109cm-2,3 km,0．3 km和0．8 km．

中间层顶重力波耗散引起钠原子输送的激光雷达观测研究

利用中国科学院国家空间科学中心廊坊站(40.0°N,116.3°E)钠荧光多普勒激光雷达2011年至2013年共约82 h的钠原子数密度和垂直风观测数据,分析了廊坊地区中间层顶区域大气重力波耗散引起的钠原子输送特征.分析得到,90~100km处重力波耗散引起的平均钠原子垂直通量整体为负,钠原子向下输送,在93 km处达到最大负值-1.47×10~8m^(-3)m·s^(-1),85~90km处平均钠原子垂直通量为正,钠原子向上输送,但通量值随高度递减.钠原子垂直通量方向在90km处发生转变,垂直通量随高度的变化造成钠原子汇聚,汇聚效应引起的平均钠原子产生率最大值在91km处达到了1.40×10~8m^(-3)/h,该值超过了相同高度上模式计算流星烧蚀注入引起的钠原子产生率峰值,说明重力波耗散对钠层结构的形成具有重要影响.与美国SOR和Maui观测结果相比,平均钠原子产生率峰值大小相近,但出现高度不同,说明大气重力波耗散引起的物质输送具有显著的地域变化特征.研究结果可为大气物质输送理论的完善以及大气金属层物理模式的改进提供观测事实参考.

可重部署钠激光雷达接收系统减震设计

为了防止中国科学院临近空间环境野外综合探测站(廊坊,39°N,116°E)的钠荧光多普勒激光雷达在可重新部署运输过程中震动对激光雷达系统的不良影响,保证系统测量的稳定性和精度,文中主要对钠激光雷达接收系统进行了减震设计。首先选用了空气悬挂车载底盘和对望远镜的主镜运输以及望远镜安装运输平台等进行了三级减震设计,通过仿真模拟表明通过减震设计的望远镜安装运输平台冲击位移小于望远镜的主镜运输减震设计要求;其次通过跑车实验表明通过减震设计主镜室的最大振动加速度满足望远镜运输条件设计输入要求;最后通过钠荧光多普勒激光雷达系统的观测实验进一步验证了在长途运输中减震设计的可靠性。

基于激光雷达实测和动力学仿真方法研究中间层顶垂直风扰动特性

利用中国廊坊台站钠荧光多普勒激光雷达82h垂直风和水平风观测数据,统计得到中间层顶区域中存在10 m·s^(-1)量级的垂直风扰动和纬向风扰动,其中垂直风扰动远远超过平均风速为-0.015 m·s^(-1)的背景垂直风速.根据三维准单色重力波的极化关系和色散关系,对高中低三种频率重力波产生的垂直风扰动进行仿真,结果显示在满足短周期、大纬向风扰动条件下,高频重力波能够产生最大10m·s^(-1)量级的垂直风扰动,中频重力波能够产生10 m·s^(-1)以内的垂直风扰动,低频重力波能产生1m·s^(-1)以内的垂直风扰动.理论条件下准单色重力波能够产生10m·s^(-1)量级的垂直风扰动,钠激光雷达观测到的最大10m·s^(-1)量级的垂直风扰动真实存在.研究结果可对高层大气垂直风场探测、垂直风场模拟和重力波参数化提供依据.

激光雷达遥感进展

本文综述激光雷达在遥感方面的发展,分别介绍各种激光雷达的基本原理,并指出今后激光雷达的发展方向.

激光诱导植物叶绿素荧光寿命及光谱特性分析

传统荧光光谱分析法虽能用于评估植物生理状况,但在植物遥感探测中该方法具有抗干扰性弱、待测数据量大的缺陷.针对此问题,提出一种荧光寿命成像技术,将植物荧光寿命及光谱信息结合,分析植物内在生理信息,实现了远距离、大范围精确测量植物生理状况.采用时间分辨测量法,用连续激光脉冲照射植物产生大量相同的荧光信号,同时不断改变探测器的启动延迟时间,得到完整的荧光信号,用解卷积法反演植物荧光寿命.对活体法国冬青植株的光谱信息与荧光寿命特性进行了研究,结果显示植物荧光寿命与叶绿素含量成线性关系,并且植物叶绿素含量在0.03~0.06 mg/cm^2这一特定范围,线性相关系数高达0.9051,比荧光光谱能更精确地反映植物叶绿素含量.

荧光米激光雷达气溶胶团边界检测

有机气溶胶具有荧光效应,能在特定波长激光的激发下产生荧光,针对此类荧光气溶胶团,提出了一种基于水平探测荧光-米激光雷达的径向边界检测算法。该算法利用荧光和米双通道的回波信号构造一个去除大气影响的函数,并采用截距法检测荧光气溶胶团的突变特征信号以确定边界。数值仿真表明,该算法在不同能见度和信噪比下对单个和两个荧光气溶胶团的径向边界检测都具有较高的精确度和稳定性。利用该算法检测了荧光-米激光雷达对单个或两个荧光气溶胶团的径向边界,结果表明该算法有效提高了边界检测的准确度和稳定性,且具有检测单个荧光气溶胶团边界的时效性。

大气对生物气溶胶激光雷达性能影响的仿真分析

生物气溶胶极易在大气中传播并引发大范围疾病感染,利用生物荧光特异性的激光诱导荧光(LIF)雷达技术是实现生物气溶胶防区外侦测的有力手段。LIF激光雷达是一种宽光谱系统,受大气能见度和背景辐射的影响与窄光谱系统(如米散射激光雷达)有明显差异。为了评估LIF激光雷达在不同大气条件下的探测性能,利用Modtran5对几种典型的大气能见度和背景辐射(或工作时段)的水平路径上的宽光谱背景辐射与大气传输透过率进行了仿真,进而对不同大气条件下LIF激光雷达的探测性能进行了定量分析。仿真结果表明:在相同的大气能见度条件下,夜间的可探测距离要比白天高出2~4倍,且能见度越好,探测性能差异越大;在相同的工作时段,大气能见度良好时的可探测距离要比大气能见度较差时的高出2~5倍,且夜间探测性能差异比白天大;气溶胶生物性识别的可探测距离要比生物成分识别的可探测距离高出1~2倍,且受大气条件的影响明显。