获取多波长气溶胶光学特性的方法研究

为了获得多波长气溶胶的垂直消光特性,本文提出了一种综合利用光学粒子计数器、能见度仪和激光雷达获取多波长气溶胶光学特性的新方法。该方法根据光学粒子计数器测量的谱分布、能见度仪测量的能见度和激光雷达测量的消光后向散射比反演出气溶胶粒子(λ=0.532μm)的折射率,作为初始值,根据气溶胶模式提供的折射率随波长的变化关系,确定其他波长上的折射率。再根据气溶胶折射率和谱分布计算不同波长上的消光特性,最后采用激光雷达测量的垂直消光廓线来反演其他波长上的消光廓线。以0.532μm,1.06μm和10.6μm三波长为例,给出北京2004年8月24日气溶胶在不同波长上的垂直消光廓线。

大气气溶胶粒子折射率虚部反演方法研究

提出了反演折射率虚部的方法.以光散射为原理的粒子计数器测量光学等效直径,其结果受折射率虚部的影响较大;以粒子飞行时间为原理的粒子计数器测量空气动力学直径,其结果不受折射率虚部的影响.利用两种仪器的测量结果受折射率影响的差异来反演大气气溶胶的折射率虚部.通过与其它独立的测量结果对比表明,该方法反演气溶胶折射率虚部是合理的.

干旱地区大气光学特性对激光传输的影响分析（英文）

分析干旱地区近地面8.0m高度处的温度、湿度、折射率结构常数、大气压强和能见度等参数的每月日变化情况,获取大气消光系数与大气湍流的可能变化特征,在此基础上,讨论波长为1.06μm的激光在大气环境条件下传输距离为1 000m和3 000m的可能传输效果.结果表明:消光系数日变化起伏不大,各月的消光系数以冬季1月为最大,夏季7月最小,二者相差可达2倍,1 000m的平均透过率约是3 000m的1.16倍;冬季1月是湍流强度最弱的月份,春季4月和秋季10月是湍流较强的月份,3000m收到的湍流平均影响程度约是1 000m的1.95倍;从传输总体效果上来看夏季7月的21时左右传输效果最佳,不同传输距离的能量分布特性也不同.

远海海面大气光学湍流实验测量

将光纤湍流测量系统搭载于我国的"远望号"航天测量船,首次实现了远海海面大气光学湍流的空间多点同步测量,初步获得了远海海面大气光学湍流的基本特征和定量数据.测量共进行了37天,测量数据处理包括大气光学湍流强度的统计分析、采用Greenwood湍流空间相关函数模型对实测的光学湍流空间相关函数进行非线性拟合从而获得湍流的空间外尺度,以及采用分段拟合算法获取光学湍流的功率谱标度指数.结果表明:海面大气光学湍流强度中等偏弱,且无明显规律性的日变化趋势;空间外尺度较小,约为0.2—0.3 m;湍流谱标度指数符合-5/3次方的概率均为25%左右,低于相应的近地面概率.

双散射角光学粒子计数器的研制

为了实现同时测量气溶胶粒子的谱分布和折射率,研制了一种新的双角度光学粒子计数器(D-OPC),该计数器采用60°和110°双散射角系统对气溶胶谱分布进行测量。利用Mie散射理论定义敏感函数,选取两个最佳的散射角,使其既对折射率敏感又不线性相关。然后,利用气溶胶折射率对两个散射角系统敏感性的差异来反演气溶胶折射率。最后,利用该仪器对大气气溶胶谱分布以及折射率进行实际测量。与TSI公司黑炭仪和浊度计测量的吸收系数和散射系数对比表明,双散射角光学粒子计数器测量气溶胶折射率和谱分布结果合理,测量误差<20%,可以满足同时测量气溶胶粒子谱分布和折射率的需要。

LED光源光学粒子计数器的研制

为了提高光学粒子计数器的测量性能,克服白炽灯和激光作光源带来的缺点,研制了一台光学粒子计数器。基于Mie散射原理测量粒子的粒径,以发光强度高、发光波长宽的LED为光源,具有白炽灯和激光作光源无法达到的使用寿命长和响应曲线单调的优点。与浊度计测量结果对比表明:该仪器的测量误差在15%以内,测量结果合理。由于该仪器光源使用寿命是白炽灯的60倍,可以根据需要对测量粒径任意分道,所以该仪器适用于测量和研究大气气溶胶粒子谱分布。

1次沙尘暴天气的消光特性研究

沙尘暴是一种特殊的自然现象。为了分析沙尘暴对可见光和红外辐射传输产生的影响,利用米散射理论,对北京地区1次沙尘暴天气下沙尘粒子在可见和红外波段的消光进行了计算,并与沙尘暴来临前的测量结果进行了对比分析,得到了沙尘粒子在这些波段的消光特性,并根据激光雷达测量的数据,对沙尘粒子在红外波段的垂直消光廓线进行了反演。这对认识沙尘暴有很大的参考价值。

空气动力学粒径的光学修正

针对空气动力学粒径和光学等效粒径之间存在的差异,本文提出对空气动力学粒径进行光学修正的方法。该方法根据黑碳仪(AE)、浊度计(IN)和光学粒子计数器(OPC)的测量结果,对气溶胶折射率进行反演,再利用反演的折射率结合黑碳仪和浊度计的测量结果对厦门地区空气动力学粒度仪(3321)测量的空气动力学粒径数据进行光学修正,与光学粒子计数器测量结果对比表明修正的结果是合理的。最后还对引起空气动力学粒径和光学等效粒径之间差异的原因进行了分析。

6038～6052cm^(-1)附近CH_4低温吸收光谱研究

在CH4吸收光谱测量中,特别是低温吸收光谱测量中,分子吸收谱线的准确性测量十分重要,尤其是将所得的测量参数运用到地球大气以及外星球的遥感探测和模拟。HITRAN数据库中CH4给出的参数并不完整,同时还很不准确。为了对6 038～6 052cm-1波段的CH4低温吸收光谱进行测量,该文采用窄线宽的二极管激光器作为光源,结合自主设计的低温装置,测量了CH4的低能级能量和转动量子数,并与HITRAN 2008进行了对比,同时模拟了线强随温度的变化。

大气气溶胶消光特性和折射率的测量

介绍了一种综合利用能见度仪、微脉冲激光雷达和光学粒子计数器测量大气气溶胶折射率的新方法。首先使用能见度仪和激光雷达测量出大气气溶胶的消光系数和消光后向散射比,然后使用粒子计数器测量出粒子谱分布,结合气溶胶粒子折射率,根据球形粒子的米(Mie)散射理论,可以得到气溶胶消光系数和消光后向散射比。通过分析消光系数、消光后向散射比、粒子谱分布和折射率之间的关系,结合已知的消光系数和消光后向散射比,反演出大气气溶胶粒子的折射率。

双散射角光学粒子计数器测量气溶胶折射率的新方法研究

根据米氏(Mie)散射理论,通过数值模拟分析了气溶胶折射率虚部n_i在不同散射角度上对双散射角激光光学粒子计数器(L-OPC)响应曲线的影响,定义了敏感函数。根据分析,散射角应该在小于20°和40°～60°之间选取。以散射角系统ψ=9°,β=5°,λ=0．65μm和ψ=50°,β=20°,λ=0．65μm为例,其中一个散射角受折射率虚部n_i的影响较小,另一个较大。在测量粒子谱分布的同时,利用n_i对不同散射角度响应曲线的影响差异,来确定n_i值,并提出确定n_i的方法。还给出了双散射角激光光学粒子计数器的模拟测量结果。

非Kolmogorov大气湍流温度谱标度指数的测量与分析

阐述了非Kolmogorov湍流谱理论以及湍流谱标度指数的测量与计算方法。在近地面多个地点对大气湍流温度起伏进行了多次的实验观测,结果表明:实际大气湍流温度谱标度指数多数不等于-5/3,并且通常在-2到-1之间变化。分析了湍流温度谱标度指数与湍流发展程度的相关性,利用小波分析方法展现了不同湍流强度下湍流温度脉动能量在各尺度之间的分配状态,发现湍流温度谱标度指数的绝对值在一定程度上随湍流强度的增加而增大。

双角度光学粒子计数器标定研究

针对光学粒子计数器的标定对其测量精度的重要性,根据球形粒子的Mie散射理论对双角度光学粒子计数器的标定进行了研究,对标定过程中的一些现象进行了理论分析。通过对它们的研究以及对标定的分析可以对双角度光学粒子计数器测量数据的合理性进行判断,这对光学粒子计数器的研制和标定是很有意义的。

两种粒子计数器相结合测量大气气溶胶粒子折射率虚部

研究了两种粒子计数器,其中以光散射为原理的粒子计数器测量的是光学等效直径,测量结果受折射率的影响很大;以粒子飞行时间为原理的粒子计数器测量的是空气动力学直径,测量结果不受折射率的影响.利用两种仪器的同时测量结果来计算大气的折射率,并给出计算结果.

大气湍流随机相位差的相关解调算法研究

根据大气光学湍流的光纤干涉测量技术原理及其信号表现形式,针对湍流相位变化的随机性和复杂性,提出了能够实时解调湍流随机相位差的相关解调算法,数值模拟了固定相位差、波形相位差以及符合湍流频谱特征的随机相位差的解调。结果表明,此算法的绝对误差小于10-3,满足湍流测量的要求。该研究为实现光学湍流相位差的动态检测提供了必要的理论方法。

气溶胶消光系数与质量浓度的相关性研究

为了利用激光雷达探测的消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布,研究气溶胶消光系数与质量浓度之间的关系就显得十分重要。根据Mie散射理论,分析了气溶胶的质量消光系数、消光系数和质量浓度之间的关系,引进了等效参数,分析了Junge指数对等效参数的影响,用实际测量的粒子谱分布、能见度、相对湿度和气溶胶质量浓度验证了气溶胶消光系数和质量浓度之间的关系。这对利用激光雷达测量的气溶胶消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布是很有实用价值和指导意义的。

气溶胶细粒子与能见度的相关性

为了分析气溶胶粒子特别是细粒子(PM2.5)对能见度的影响,从理论上建立了气溶胶细粒子与能见度的关系,分析了谱分布的变化对PM2.5/PM10和细粒子消光所占总消光比重的影响。对测量数据与理论计算结果进行了对比分析,结果表明:所建立的气溶胶细粒子与能见度的关系是合理的,理论计算的误差小于30%,这对治理污染和提高城市能见度具有指导意义。

厦门地区气溶胶折射率的测量

针对气溶胶折射率在分析大气气溶胶光学特性中的重要性,提出了一种综合利用黑碳仪、浊度计和光学粒子计数器反演大气气溶胶折射率的新方法。该方法根据黑碳仪和浊度计测量的气溶胶吸收系数和散射系数以及光学粒子计数器测量的粒子谱分布,采用球形粒子的米(Mie)散射理论,通过分析吸收系数、散射系数、粒子谱分布和折射率之间的关系来反演大气气溶胶粒子的折射率,并可以同时反演折射率实部和虚部。与其它独立的测量结果对比表明,该方法反演气溶胶折射率是合理的。最后,利用此方法分析了厦门地区的气溶胶折射率。

三通道Fabry-Perot标准具在瑞利测风激光雷达中的应用

描述了利用三通道Fabry-Perot(F-P)标准具作为鉴频器直接探测多普勒风场的原理。优化了三通道F-P标准具的设计参数。介绍了基于三通道F-P标准具研制的测风激光雷达接收机的结构。利用355 nm脉冲光,通过调节PZT电压来改变标准具的腔长,对标准具的透过率曲线进行了初步测量,并分析了标准具的参数,标准具的带宽和峰值透过率较设计时分别增大了13%和10%。介绍了利用四波束反演水平风场的方法。根据标准具参数和信噪比计算的速度灵敏度较设计时下降了0.09%,风速精度在40 km以下优于5 m/s。同时,与风廓线雷达进行了比对,对163组数据的风速差进行统计,平均值为0.22 m/s,标准差为1.67 m/s,表明两者有较高的一致性。

基于瑞利散射的测风激光雷达研制

介绍了全球大气风场观测的重要性,研制了一台基于三通道标准具的车载瑞利多普勒测风激光雷达,用于平流层的风场探测。较为详细地介绍了测风的基本原理、系统的总体结构以及技术参数。利用紫外光在大气分子中的低吸收和高散射特点选取355 nm作为工作波长。描述了三通道标准具的结构以及利用脉冲光对标准具的透过率曲线进行了扫描,结果表明,标准具实测参数与设计参数基本一致,信号通道1和信号通道2峰值透过率分别为68.6%和67.5%。两个边缘通道的间隔为4.6 GHz。利用调试好的系统对合肥地区平流层进行了初步的风场探测,测试结果表明,该激光雷达系统稳定性达到设计指标。