近场光学方法测量大气折射率起伏

精确测量大气的折射率起伏,对于研究大气的光学性质及其在环境监测中的应用有着重要的意义。建立了用近场光学方法测量大气折射率起伏的模型:采用全内反射方法激发金属的表面等离子共振,在金属-空气-金属组成的平面波导中形成振荡的导模,选取衰减全反射曲线中变化最快的一点的角度作为入射光的角度,测量相应的反射光光强的变化,就可以得到相应空气的折射率的变化。初步数值模拟了该模型的测量精度,折射率变化的精度可以达到百万分之五。

瑞利散射激光雷达探测平流层和中间层低层大气温度

介绍了一台瑞利散射激光雷达，它能够探测 ２２～６０ ｋｍ范围内大气温度的垂直分布；比较了两种反演温度的数据处理方法。该激光雷达分别与 ＵＡＲＳ／ＨＡＬＯＥ卫星和无线电探空仪观测结果进行了对比，均表现了较好的一致性。同时还模拟分析了平流层低层气溶胶对计算温度的影响。

Raman激光雷达探测对流层中上部大气温度分布

介绍了一台氮分子（N2）Raman激光雷达系统。利用N2分子Raman散射和气溶胶及分子的Mie—Rayleigh散射信号,通过同时订正分子、气溶胶和臭氧的衰减,反演出对流层中上部大气密度和温度的垂直分布,其结果与常规球载无线电探空仪探测资料对比,在8～18km范围内表现了较好的一致性。其中,二者测量的温度在9～15km高度内相对差别小于4K。

内陆和沿海地区大气气溶胶标高的测量分析

在大气气溶胶粒子浓度随高度指数下降的假定下,气溶胶标高反映了大气边界层气溶胶的特征厚度。为了得到气溶胶标高随时空、季节和地域变化情况,根据整层大气光学厚度和近地面水平能见度的测量结果,分析了内地和沿海地区气溶胶标高的实际变化,初步得到了气溶胶标高随时间、地域及季节改变的规律。

可见到近红外波段整层大气光谱透过率的测量研究

利用太阳光谱辐射计进行了可见到近红外波段整层大气连续光谱透过率的测量研究·在对太阳辐射计可靠定标的条件下,通过测量太阳直射光谱,运用Langley方法推算到达大气层顶的太阳辐射,最终获得了该波段范围内的连续大气光谱透过率及特殊波长上的透过率的实际变化情况·通过分析晴天无云大气条件下不同时间、不同气溶胶含量、不同季节、不同气溶胶模式下的大气透过率特征,初步获得了其变化规律,为大气层外目标探测提供了一些基础·

多条转动拉曼谱线雷达测量对流层大气温度

由于对流层大气中气溶胶的存在,传统的利用大气中瑞利散射和振动拉曼散射测量大气温度的方法具有一定的局限性,然而利用大气N2和O2分子的的转动拉曼信号获得大气温度信息的方法不受对流层大气中气溶胶的影响。因此利用N2和O2分子纯转动拉曼散射激光雷达开展了测量对流层下部温度分布的实验研究。现有的转动拉曼雷达系统基本上是通过获取单一的转动拉曼谱线来反演大气温度,这就导致了系统的信噪比低,不能很好的反演温度。作者在双光栅单色仪的基础上提出了一种新的雷达信号分光系统。这种新的分光系统的每条通道所获得的信号并不是单独的转动拉曼谱线,而是多条转动拉曼谱线之和,这样就能提高整个系统的信噪比。在较小的激光能量和小口径望远镜的情况下,利用这种方法,雷达系统可以在几公里内获得较好的信噪比。最后实验得到了对流层0.3～5km高度内的大气温度分布,它与球载无线电探空仪比较,二者一致性较好。

HF/DF激光传输的大气衰减特性

大气中的水汽对DF激光主要强线的吸收相对较小,而HF激光的大多数谱线受水汽和CO2分子等的吸收较大。利用较新的HITRAN96数据库和我国不同地区的气象资料,采用逐线积分法计算了HF/DF激光的大气衰减情况。所选的谱线中,在合肥地区(年平均),HF的水汽吸收系数最大值可达到10km-1的数量级,二氧化碳吸收系数最大可达10-4～10-3km-1量级,P2(8)线吸收最弱;DF激光水汽吸收系数最大值可达到10-1km-1,比HF低2个量级,且随高度衰减很快,10km处就到10-5～10-4km-1量级,P2(8)线吸收最弱。在我国,由南向北,由夏季到冬季,水汽浓度减少,大气对HF/DF激光的吸收率也相应地递减。

1.315μm波长附近实际大气高分辨率吸收光谱

用窄线宽、脉冲可调谐光参量振荡器 ( OPO)作光源 ,使用光程长达 1 0 97m的怀特池 ,采用单探测器分时复用的探测方法 ,首次在吸收池中精确测量了实际大气中 1 .31 5 μm波长附近高分辨率吸收光谱 ,实验验证了实际大气中水汽是该波段的主要吸收气体 ;得到了实际大气中吸收分子在氧碘激光波长 ( 76 0 3.1 4 cm-1)处的吸收截面为 ( 1 .0 5± 0 .0 9)× 1 0 -2 4 cm2 (标准大气条件下 )以及在该波段主要吸收谱线的参数 ,包括吸收线的位置、线强度、压力加宽半宽度等。利用实测的线参数计算了在氧碘激光波长附近大气分子的吸收截面 ,发现吸收最小的波长分别位于 76 0 3.31和 76 0 3.93cm-1,其值约为( 8.9± 0 .8)× 1 0 -2 5cm2 ,比氧碘激光波长处的吸收截面约小 1 5 %

探测低空大气CO_2浓度分布的近红外微脉冲激光雷达

提出了用来探测大气CO2 分布、基于光纤 1.6um波长的微脉冲激光雷达 ,对其性能进行了数值模拟 .微脉冲激光雷达的发射机以半导体激光器加光纤放大器为核心 ,饱和输出功率 37dBm ;接收机采用了近红外光电倍增管和光子计数器 ,量子效率 1% ;一种偏正无关性纤维光学环形器作为发射 /接收转换器 ,分波 /合波器、隔离器、滤波器、耦合器都采用光纤器件 ,使系统更牢固 .该系统的特点是发射脉冲能量低 2 0uJ、重复频率高 2 0KHz、小型化 .(18× 10 6个脉冲累加 )它对近地面 4 .7Km高度内的探测信噪比在 10∶1以上 .光电倍增管的暗计数 2× 10 5/s限制了系统探测距离的增加 .吸收倍增分离的InGaAs/Si雪崩光电二极管将会改善雷达的性能 .

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差II

分别采用 Zernike和 Karhunen-Loeve两种模式波前复原法 ,分析了在子孔径斜率测量噪声影响下 ,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与模式复原阶数等的关系。发现最优模式复原阶数主要与哈特曼传感器的子孔径斜率探测信噪比有关。分析了一个哈特曼传感器对实际大气湍流畸变波前的测量结果 ,给出了确定传感器测量噪声的方法。

大气气柱内水汽总含量的红外光谱遥测

我们研制了一台太阳红外光谱仪，在地面连续自动地记录了晴天的太阳红外光谱．利用３．４３４μｍ（２９１ｃｍ～（－１））波段附近水汽对太阳光谱的吸收反演出整层大气中水汽的总含量． 遥测结果与无线电探空相当吻合．经过近一年半的观测，得到了合肥地区垂直气柱中可降水含量的日变化和季节变化规律，并发现气柱中可降水含量与地面露点温度有较好的相关，并对结果进行了讨论．

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差

分别采用 Zernike和 Karhunen-loeve两种模式波前复原法 ,分析了子孔径斜率测量不受噪声影响的理想情况下 ,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与大气湍流相干长度、传感器的结构尺寸、模式复原阶数等的关系。结果表明 Karhunen-loeve模式法比 Zernike模式法的波前复原误差更小些。

利用转动拉曼测量大气气溶胶后项散射比

利用大气的弹性散射信号与整个转动拉曼信号的比值,不需要假设任何的气溶胶的消光与后项散射比值,就可得到大气气溶胶的后项散射比。通常测量部分转动拉曼谱线之和代替全部转动拉曼谱线之和。全部的转动拉曼谱线之和是不依赖温度,但部分的转动拉曼谱线之和却是与温度有关的。因此,利用转动部分拉曼谱线之和反演大气气溶胶的后项散射比就会带来误差。模拟了随温度变化不同转动量子数的拉曼谱线之和,并且计算了由这些不同转动拉曼谱线之和反演大气气溶胶后项散射比的误差。然后文章提出了一种新的方法,不需要测量整个转动拉曼谱线之和,而只需要测量单条转动拉曼谱线及大气温度,就可以获得大气气溶胶的后项散射比。最后通过实验给出了实际测量的大气气溶胶的后项散射比的结果。

一种用来测量低层大气温湿度结构的高精度探空仪

本文报道了我们研制的高精度温湿度探空仪，用薄陶瓷片型铂电阻测量气温、用干湿球法测量湿度，并采用参考电阻克服频漂，从而保证了测量精度，能精确测量出大气边界层温湿度结构．

从光闪烁频谱反演大气湍流谱:原理与数值模拟

建立了一种数值算法,从光波在湍流大气中传播的闪烁时间频谱的高频特征反演大气光学湍流谱.此算法具有两点优越性:（1）反演出的湍流谱直接表征大气折射率的起伏而非大气温度场的起伏;（2）可以获得高空间波数、大部分位于耗散区的湍流谱,而用其它方法不易获得此区域的湍流谱.对Hill湍流谱以及一种复杂的湍流谱进行了大量数值模拟来检验此种算法,结果表明:如果知道大气风速与湍流内尺度就可以相当有效地获得湍流谱.

利用剪切干涉仪测量激光大气传输相位畸变

文中就利用剪切干涉仪测量激光大气传输相位畸变的问题进行了探讨．对横向剪切干涉仪（ＬＳＩ）及Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器的波前探测和复原进行了类比仿真分析，结果表明在同等条件下，前者的波前复原能力优于后者．利用我们研制的二维剪切干涉仪，对激光大气传输湍流效应引起的波前畸变进行了测量，对实验结果进行了初步的研究分析，并首次得到了激光大气传输相位不连续性的直接测量结果，验证了ＬＳＩ应用于测量激光大气传输相位畸变的可行性和优越性．

自适应光学系统中实时自适应控制的仿真研究

介绍和分析了一种利用校正残差进行实时迭代的自适应控制算法,可以应用到校正大气湍流的实际自适应光学系统。利用61单元自适应光学系统上实际采集的大气湍流扰动信号,实现了自适应控制算法,并对这种算法的收敛性、稳定性、控制效果等进行了计算机仿真研究,与常规PID算法进行了比较。

根据大气辐射特征进行目标探测的波段选择

介绍了通过大气光谱特征分析对大气层外目标进行探测的波段选择方法。在考虑目标本身辐射强度、背景大气的辐射强度、目标背景对比度、斜程大气透过率以及探测器的响应特性诸因素后进行波段选择,从而提高对目标的鉴别性能。选择中纬度夏季白天、无云城市气溶胶模式、春夏季气溶胶廓线以及背景平流层廓线和消光的大气条件,利用辐射传输计算软件MODTRAN计算了目标背景亮度、对比度以及透过率的典型光谱特征,并进行光谱特征分析,然后在其他大气模式下对所选波段进行了验证,从而选择出目标探测的最优波段。

北京地区夏冬季气溶胶变化特征分析

北京市夏季平均可吸入颗粒物质量浓度(ρ(PM10))和气溶胶粒子数密度的平均日变化呈现明显的双峰结构,冬季除12:30—15:00相对较小外,其余时间都很大;夏季大气能见度的平均日变化呈单峰结构,而冬季呈双峰结构;夏季平均PM10和气溶胶粒子数密度通常比冬季的小;北京市夏季平均大气能见度比冬季的小,主要原因在于夏季空气相对湿度大,半径大于1 25μm的大粒子数密度较大,夏冬季0:00—9:00各时刻的平均能见度存在较大差别,其余时间的差别不大。

北京地区夏冬季气溶胶不同参数的相关性分析

通过对北京市夏冬季不同尺寸大气气溶胶粒子数密度与颗粒物质量浓度及大气能见度的相关性分析,给出了利用粒子数密度计算颗粒物(PM10,PM2.5和PM1.0)质量浓度和大气能见度的经验计算公式。