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。

近红外高光谱分辨率激光雷达光谱滤光器性能分析

近红外高光谱分辨率激光雷达(HSRL)分子散射回波信号具有频谱展宽窄、能量弱等特点,相对于紫外和可见光HSRL研发难度大大增加。光谱滤光器作为HSRL的关键器件之一,与HSRL系统的反演精度密切相关。根据光谱滤光器的信号透射率和光谱分离比与HSRL系统反演精度的关系,通过分析1064 nm HSRL散射回波的特点,对两种具有代表性的干涉光谱滤光器进行了建模和仿真分析。结果表明,在光束发散角较小时,Fabry-Perot干涉滤光器具有较好的滤光性能,但对面形精度要求较高,不易于加工和装调;视场展宽Michelson干涉滤光器(FWMI)对光束的发散角不敏感,集光能力强,且对面形精度的要求相对较低,在实际应用中更适合用于近红外HSRL系统光谱滤光器。

大气遥感高光谱分辨率激光雷达研究进展

高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演,在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展,并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。

紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶的技术实现和系统仿真

多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测.

基于高光谱分辨率激光雷达的气溶胶分类方法研究

气溶胶是影响气候变化和空气质量的重要因素,对气溶胶作用的量化分析依赖于气溶胶光学性质及其垂直剖面的精细探测。高光谱分辨率激光雷达利用窄带光学滤波器,可在光谱上实现对分子散射和气溶胶散射的分离,从而在不需假设气溶胶激光雷达比的情况下,独立获取气溶胶消光系数和后向散射系数。文中基于高光谱分辨率激光雷达技术,开展气溶胶分类方法研究。根据已有的气溶胶分类研究结果,给出基于气溶胶光学参数的分类方法,并建立气溶胶分类查找表。利用高光谱分辨率激光雷达于2015年春季在青岛地区测量的气溶胶消光系数、后向散射系数和退偏振比,参照建立的气溶胶分类查找表,实现了对气溶胶的分类识别,并用HYSPLIT轨迹模式、NAAPS气溶胶模式进行了印证。个例研究结果表明该方法能够实现对气溶胶类型的正确识别。

高光谱分辨率激光雷达同时测量大气风和气溶胶光学性质的模拟研究

提出一套高光谱分辨率激光雷达 (HSRL)系统 ,用于同时测量大气风和气溶胶的光学性质。该HSRL系统中使用碘分子滤波器分离分子和气溶胶后向散射 ,同时利用双边缘检测技术测量大气风场引起的多普勒频移。文中选用合理的HSRL参数和大气模型数据 ,模拟和分析了HSRL的测量性能。系统夜晚运行时 ,可测量 2 0km以下的大气风速和气溶胶 ,风速误差小于 2ms- 1 ,气溶胶的后向散射系数相对误差小于 30 %。在白天工作时 ,相同误差下的可探测高度为 1 0km。模拟分析结果表明 ,该HSRL雷达有较大的应用前景 ,对天气和气象研究等有重要意义。

高光谱分辨率激光雷达探测大气透过率

研制了一台基于种子注入激光器和碘分子吸收滤光器的高光谱分辨率激光雷达。介绍了该系统的基本原理、数据反演方法和系统结构。分别在有云天气和沙尘天气时进行了高光谱分辨率激光雷达探测大气透过率的实验,并与用常规Fernald方法反演的结果进行对比。观测结果显示,不同种类的气溶胶粒子以及云具有不同的物理和光学性质,Fernald方法中假设的激光雷达比往往不符合实际情况,因此会产生较大的测量误差。而高光谱分辨率激光雷达可以利用分子散射和气溶胶散射的谱宽不同,将两种信号分离探测,避免了假设激光雷达比,从而实现大气透过率的高精度定量探测。

大气气溶胶光学参数的高光谱分辨率激光雷达探测研究

系统地介绍了国内第一台基于碘吸收滤波器的高光谱分辨率激光雷达系统,及有关的数据处理和测量结果.该系统以种子激光注入的窄带Nd:YAG激光器作为发射光源,利用碘吸收滤波器作为高光谱分辨率滤光器件,将接收到的激光后向散射信号分成能量监测和光谱监测两个探测通道,实现对大气气溶胶散射和分子散射的光谱分离.在没有其他假设、仅利用标准大气模型计算结果的情况下,直接测量得到气溶胶后向散射比、后向散射系数.与以往米散射激光雷达大气气溶胶参数提取方法如Klett方法相比,该测量方式无须激光雷达比即气溶胶消光系数对后向散射系数之比的假设.

大气海洋高光谱分辨率激光雷达鉴频特性研究

统一分析大气海洋高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的鉴频性能,能够为大气海洋的联合探测研究提供帮助。提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)鉴频器的大气海洋HSRL系统和算法,用于反演海水和大气颗粒的180°体积散射系数。该系统的核心在于采用混合-分子双通道接收信号,其中分子通道利用FWMI鉴频器滤除颗粒信号,透过分子信号。研究表明,反演误差会随着颗粒散射比(总180°体积散射系数与分子180°体积散射系数之比)增大而线性增大,而光谱分离比(分子与颗粒透过率之比)的提高能够显著抑制误差的增长趋势。因为海洋的分子散射与颗粒散射在光谱上更加分离,因此FWMI在海洋HSRL上的鉴频能力高于大气HSRL。所提的基于FWMI的HSRL系统能够工作于水体和大气中,对大气海洋激光雷达的性能提升有重要的意义。

深度学习理论的高光谱激光雷达弱信号检测

为了精准检测弱信号并确定其类型,提出深度学习理论的高光谱激光雷达弱信号检测方法。采用小波多分辨率分析法去除高光谱激光雷达回波信号中噪声,利用分数域傅里叶变换法搜索分数域,将之作为高光谱激光雷达弱信号的分数域包络曲线特征向量,利用深度信念网络学习高光谱激光雷达弱信号特征,完成弱信号检测及类别识别。实验结果表明:本方法高光谱激光雷达信号去噪后信号具有最大信噪比、最小均方差;可实现高光谱激光雷达弱信号检测,检测精度达到95%以上,并可分类弱信号类别,检测性能突出。

基于偏振高光谱激光雷达和微波辐射计的大气温度探测和融合算法研究

大气温度作为大气探测领域的基本参数,获得高精度大气温度廓线对于天气预报和气候研究至关重要。本文利用自行研制的偏振高光谱激光雷达实现了边界层内大气温度的全天时、高信噪比测量,提出了利用拼接法进行高光谱激光雷达和微波辐射计的数据拼接和融合,实现了二者的优势互补。结果表明:偏振高光谱激光雷达可实现3.5 km以下的大气温度有效探测,其误差主要在±2 K内,微波辐射计在3 km以内探测误差较低,而在3 km以上误差在-4 K~-2 K,经过拼接后,在3.5 km以内误差为±1 K,相关性由拼接前的0.95提升到0.97。结果表明高光谱偏振激光雷达可有效进行边界层内大气温度的探测,经过与微波辐射计的融合,即可解决激光雷达的盲区问题,又可提升微波辐射计的探测精度。

多纵模高光谱分辨率激光雷达马赫-曾德尔干涉仪的视场展宽技术

考虑到多纵模高光谱分辨率激光雷达(MLM-HSRL)接收的大气弹性散射回波具有与激光器发射光束一致的高斯传输特性,因此分析马赫-曾德尔干涉仪(MZI)光程差和透过率时必须要考虑发散角的影响。详细分析入射光束的发散角对大光程差MZI分光性能的影响,仿真计算得到基于空气腔的大光程差MZI所允许的光束发散角要≤0.4 mrad。为了降低发散角对大光程差MZI分光性能的影响,提出一种基于补偿玻璃的大光程差MZI的视场展宽技术。理论分析和仿真结果表明,视场展宽后系统可允许的发散角可达25.6 mrad,视场展宽技术极大地提升了大光程差MZI的分光能力。

星载高光谱分辨率激光雷达大气气溶胶和云探测研究

为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量,采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的大气再分析数据集(ERA5)的温度和压强数据,选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的观测数据,对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析,包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明:撒哈拉沙漠地区近地面5km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.2~0.4,雷达比数值集中在40~60sr;加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.02~0.15,雷达比在50~70sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术,在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用,将在环境监测中发挥重要作用。

基于机载高光谱分辨率激光雷达的气溶胶分类研究

气溶胶在大气辐射收支平衡、气候变化、降水、云的形成以及环境污染方面扮演着重要的角色。为了实现对气溶胶光学参数的大范围、高精度、定量化测量,2019年3月使用大气环境星气溶胶碳探测激光雷达(ACDL)的机载缩比系统(Air-ACDL)在中国山海关地区开展了机载观测试验。试验完成了不同污染天气、不同高度以及不同地表类型下的多架次观测。将六天飞行试验得到的机载高光谱激光雷达(HSRL)测量的气溶胶光学深度(AOD)分别与地面站点的太阳光度计和卫星遥感数据进行对比分析,其相关系数R均达到0.90以上,其样本数量分别为86与2200。基于机载HSRL的观测数据,提出了适用于Air-ACDL的气溶胶分类方法,并对山海关地区的气溶胶进行了分类研究。使用后向轨迹传输模型、云气溶胶激光雷达和红外探路卫星观测(CALIPSO)气溶胶分类结果,以及Aura卫星臭氧监测仪(OMI)传感器等数据验证Air-ACDL测量的气溶胶分类的可靠性。多架次Air-ACDL观测结果表明:相比于传统激光雷达气溶胶分类方法,基于Air-ACDL的气溶胶分类方法能够对气溶胶进行更加准确的分类;山海关地区地理位置特殊,观测期间,当地气溶胶除由本地供暖等活动产生的城市气溶胶之外,还有受大气传输影响来自内蒙古地区的沙尘气溶胶,以及来自东南渤海地区的海洋气溶胶。

大气探测激光雷达校飞样机研制与飞行验证

星载激光雷达是高精度测量全球温室气体和气溶胶垂直廓线的重要手段,大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在国际首次采用激光积分路径差分吸收技术测量全球CO_(2)柱浓度,采用532 nm高光谱探测技术测量气溶胶和云的廓线。星载激光雷达载荷研制期间,同步研制一套主要功能一致的机载大气探测激光雷达校飞样机,并开展机载飞行试验,获取了大量飞行试验及其对比数据,提供了机载平台真实的数据源,对于优化ACDL激光雷达系统参数和研究星载数据反演算法至关重要。最后在机载飞行平台下,验证了优于1×10^(-6)的CO_(2)柱浓度测量精度和优于15%的气溶胶测量精度。未来利用该机载样机可以进一步开展星地对比验证。

一种宽幅高分辨率CO_2探测仪光学系统设计

为了实现空间载荷在高时间分辨率下对CO_2吸收光谱的高精度测量,以满足研究大气CO_2源和汇问题的需求,设计了一种宽幅高光谱分辨率CO_2探测仪光学系统。满足总体指标:轨道高度705 km,幅宽200 km,地面采样间隔2 km×2 km。通过采用浸没式衍射光栅作为分光元件,设计F数为1.8,光谱分辨本领20 000(光谱分辨率0.08 nm)的CO_2探测仪光学系统。光学系统由前置望远系统与类Littrow式分光系统组成。设计结果表明,系统实现了0.08 nm的高光谱分辨率,在系统奈奎斯特频率(25 lp/mm)处,系统的调制传递函数(MTF)优于0.65,探测器单个像元内衍射能量集中度高。系统具有良好的性能,满足应用需求。

光谱滤光器透射率参数对高光谱分辨率激光雷达的影响分析

研究了高光谱分辨率激光雷达(HSRL)中光谱滤光器透射率参数对其反演大气气溶胶光学属性精度的影响。建立了一种基于普通三通道HSRL配置的、与光谱透射率参数有关的反演误差理论分析模型,并通过蒙特卡罗(MC)算法仿真验证了该误差分析理论模型的正确性。理论模型及MC仿真结果表明,滤光器的分子信号透射率和谱分离比(SDR)越大,HSRL系统反演精度越高,并且SDR主导低海拔区域的反演精度,而分子信号透射率对高海拔区域的反演影响更明显。此结论适用于大多数具有类似的多信号通道结构的HSRL,对HSRL滤光器的选型和设计具有一定的指导意义。

多纵模高光谱分辨率激光雷达研究

提出了一种新型的采用多纵模激光器作为发射光源的大气气溶胶遥感高光谱分辨率激光雷达(HSRL)技术。该技术将视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)作为光谱鉴频器,并在设计FWMI时使其周期鉴频特性与多纵模激光器的模式间隔相匹配,因而每个纵模的回波信号可被FWMI鉴频器进行效果一致的精细光谱分离。详细阐明了所提出的多纵模HSRL的原理和实现方式,定量讨论了制约多纵模HSRL中FWMI鉴频性能的主要因素。在1064nm波段采用计算机仿真验证了所提技术的性能。多纵模HSRL技术可避免目前HSRL对单纵模激光器的依赖,既能减小HSRL中激光器的成本、体积和重量,又可以大幅提升了HSRL激光系统的稳定性,对我国机载和星载HSRL的研制具有一定的借鉴意义。

基于碘分子滤波器的高光谱分辨率激光雷达原理

碘分子1107～1108吸收线之间有一个光谱透射率峰。基于该光谱透射率峰的碘分子滤波器对大气分子的瑞利散射有强烈的抑制作用,而对大气气溶胶的Mie散射影响较小。利用这种碘分子滤波器构成的高光谱分辨率激光雷达可以分离大气分子散射和气溶胶散射,从而能够测量大气后向散射比和大气风场。对测量原理和测量精度进行了详细推导,并利用合理的激光雷达和大气参数进行了计算机模拟。模拟结果表明,对于大气后向散射比的测量,夜晚大气高度25km、白天8km以下可以达到5%的精度;大气视线风速测量范围为±40m/s,测量精度在夜晚大气高度5km、白天4km以下时优于5%。

基于半导体激光器的780 nm高光谱分辨率激光雷达系统设计

设计了一种基于半导体激光器的780nm高光谱分辨率激光雷达。发射系统以分布反馈式半导体激光器为种子源,利用脉冲电流驱动的锥形半导体光放大器实现窄线宽微脉冲激光输出。分光系统由干涉滤光片、法布里-珀罗标准具和铷原子吸收池构成。干涉滤光片带宽为0.5nm,法布里-珀罗标准具的半峰全宽为2.8GHz,二者串联可有效剔除太阳背景光。温度为338K的铷原子吸收池对米氏散射信号的抑制比达33dB,可有效提取瑞利散射信号。基于美国标准大气模型对系统进行了数值仿真,验证了系统的探测能力。研究结果对气溶胶光学参量的探测研究具有重要意义。