基于纯转动Raman激光雷达的中低空大气温度高精度探测

本文介绍了一套纯转动Raman测温激光雷达系统,通过高分辨光谱分光与滤光优化设计、收发精确匹配以及弱信号检测等技术,实现在武汉城市上空从10km至40km的中低空大气温度高精度探测.观测结果与同时段探空气球进行比对,在30km以下激光雷达探测温度与探空气球得到的温度数据吻合较好,最大偏差约为3.0K,表明了该激光雷达温度测量的可靠性.采用30min时间分辨率,在10～20km高度范围内温度统计误差约为0.3K（300m空间分辨）;20～30km统计误差约为0.8K（600m空间分辨）;30～40km统计误差约为3.0K（900m空间分辨）.通过整晚的温度廓线反演,为研究中低层大气中的波动现象提供依据.该转动Raman激光雷达实现了至40km高度的高精度大气温度探测,进一步可与Rayleigh测温激光雷达30～80km的高度衔接,为实现中低层大气连续观测研究提供了重要手段.

基于干涉滤光片的拉曼激光雷达误差分析

纯转动拉曼激光雷达具有准直性好、时空分辨率高等特点被广泛用于大气温度垂直廓线探测。本文基于干涉滤光片设计分光光路,定量分析了滤光片中心波长和带宽造成的温度测量不确定度。使用比值法简化计算了滤光片对弹性散射信号抑制不足造成的泄露误差。通过不同带宽滤光片标定了系统参数,并分析了系统参数对反演温度时拟合误差的影响。针对滤光片固定时的角度误差,评估了其引入的随机误差。结果表明,系统实际选择的滤光片中心波长和0.5 nm/0.3 nm带宽产生的误差小于1.2 K,抑制比大于6为宜,使用低阶函数产生的拟合误差可以忽略,滤光片固定角度误差应小于0.5°。并基于纯转动拉曼激光雷达方程模拟仿真回波信号并反演温度廓线,分析了温度测量的误差分布,总误差小于1.2 K。

纯转动拉曼激光雷达探测北京地区近地面大气温度

对流层大气温度的垂直分布特征直接关联天气现象和大气污染物扩散,一直是气象和环境部门的重点观测对象。当前激光雷达技术已经成为探测对流层大气温度垂直分布和时间演变的有效手段。然而由于对流层中含有大量的气溶胶粒子,因此利用传统的振动拉曼和瑞利散射激光雷达技术测量大气温度具有一定的局限性,尤其是边界层内存在高浓度的气溶胶粒子会严重降低大气温度测量精度。采用纯转动拉曼激光雷达技术可有效降低气溶胶粒子对测量温度精度的影响。纯转动拉曼测温激光雷达的核心是分光单元设计,国内外研究普遍使用基于双光栅干涉仪的分光方法。文中将采用基于滤光片法的纯转动拉曼信号分光设计,相比而言该方法具有更高的分光效率,并且能够通过调节滤光片的角度改变激光雷达系统的灵敏度,操作更为简单。在中国科学院"大气灰霾追因与控制"先导专项支持下,该激光雷达与2014年11月安置在中国科学技术大学超级大气观测站。在亚太经济合作组织北京会议期间,展开大气环境测量试验。激光紫外波段能量约为200 m J,频率为20 Hz,激光脉冲数为5 000发,空间分辨率为7.5 m。实验结果表明,在晴朗无云气溶胶浓度较小的天气条件下温度测量统计误差小于1.5 K,测量高度可达10 km,在7.5 km以下统计误差小于1 K;在有薄云或者轻度雾霾天气条件下,温度测量统计误差在±3K左右,测量有效高度通常在6~8 km,在4.8 km以下统计误差小于1 K。

纯转动拉曼谱反演大气温度和气溶胶后向散射系数的新方法

利用大气分子的纯转动信号反演大气温度,被证明是一种精度很高的方法,目前已得到广泛的应用并在世界各地建立起多台纯转动拉曼激光雷达.全部的纯转动拉曼谱线之和是不依赖于温度的,利用这个特性,可以不需要任何的假设,反演大气气溶胶的消光.本文介绍了一种新的探测大气气溶胶的方法,首次提出通过提取纯转动单支谱(J=4和14),加上Rayleigh&Mie通道的激光雷达方程,不需要附加任何假设,导出了气溶胶后向散射系数的数学表达式.

N_2和O_2纯转动拉曼光谱(PRRS)的温度特性

计算了N2 和O2 的PRRS ,讨论了其温度特性。提出通过测量N2 和O2 的PRRS计算大气温度的方法。

纯转动喇曼激光雷达带通滤波参数的优化研究

带通滤波技术是纯转动喇曼激光雷达系统的关键单元技术,由非优化的带通滤波参数将直接导致系统探测灵敏度的降低、温度探测精度的恶化等严重后果.作者引入模拟退火算法对中心滤波波长、滤波波长间隔及滤波带宽等带通滤波参数进行了优化计算,可获得温度探测灵敏度比已有报道高3～5倍的效果.

拉曼-米激光雷达测温通道残余几何因子修正

拉曼-米激光雷达高低阶拉曼通道的几何因子因不同通道光学器件和探测器的性能差异并非完全一致,会引入近地面温度测量误差,针对这一问题,提出一种修正测温通道残余几何因子的方法.该方法首先通过探空温度和标定的归一化光谱透过率计算得到高低阶拉曼信号的有效微分散射截面之比,然后从拉曼信号比值中求解出残余几何因子廓线.利用北京理工大学激光雷达实验室研制的转动拉曼-米激光雷达系统的探测数据,实验验证了该方法的有效性.结果表明,该方法能较好地修正残余几何因子对温度探测的影响,显著提高近地面1.5 km探测高度内温度反演精度,有助于提高拉曼-米激光雷达对边界层大气的探测能力.

基于连续激光器的侧向拉曼散射激光雷达无盲区探测大气温度技术

提出一种新型的侧向纯转动拉曼散射激光雷达探测技术,其采用双基地的收发系统结构,利用侧向接收系统的俯仰扫描功能实现对与温度具有相反依存关系的高低量子数的侧向纯转动拉曼散射光谱的探测,该技术为从地表到特定高度大气温度的无盲区探测提供了技术支持。侧向纯转动拉曼散射激光雷达的初步观测实验采用整段等距离分辨率和分段等距离分辨率两种云台转动方案,反演结果表明侧向纯转动拉曼散射激光雷达可实现1400 m高度范围内大气温度的精细探测,且分段等距离分辨率云台转动方案在近地表312 m高度范围内能够获得更为精细的大气温度空间分布特征。

全天时绝对测温激光雷达的多通道纯转动拉曼分光系统

为实现大气温度廓线的全天时绝对探测,基于N_(2)分子的精细纯转动拉曼谱线结构,本课题组提出并设计了多通道纯转动拉曼激光雷达分光系统。采用F-P干涉仪(FPI)作为频率梳滤波器,考虑FPI膜层损耗和镜面缺陷,精细匹配N_(2)分子anti-Stokes分支的纯转动拉曼谱线,实现了FPI结构及性能参数的优化,并有效滤除了太阳背景噪声及邻近谱线信号;结合衍射光栅和光纤线阵列,通过两级光谱滤光对弹性散射信号实现了约60 dB的抑制率,有效提取了8通道偶转动量子数(J=6~20)的拉曼光谱信号,以直接反演大气温度;基于标准大气模型,对8通道纯转动拉曼分光系统的信号功率及信噪比进行了仿真,并分析了全天时绝对测温激光雷达的探测性能。结果表明,在累积时间为17 min时,该系统实现白天信噪比优于10的探测高度可达到1.8 km,反演温度1 K偏差对应的高度达0.8 km,可实现全天时大气温度廓线的无校正探测。

一种高线色散率测温激光雷达双光栅光谱仪

与目前广泛应用的532nm波段的发射波长相比,采用355nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高,分光光谱仪的线色散率要达到0.1nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪,通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计,模拟分析结果显示:间隔0.1nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1mm,满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比,验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。