机载激光雷达测量二氧化碳浓度误差分析

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化碳浓度的有效手段。研究了机载路径积分差分吸收激光雷达测量二氧化碳柱线浓度的主要误差项,分析了这些误差项导致的二氧化碳柱线浓度反演误差。介绍了机载差分吸收激光雷达基本工作原理,并理论分析了大气温度、压强和水汽不确定性误差,激光频率稳定性和飞机姿态速度测量不确定性等系统误差,以及不同地表反射率产生的随机误差。分析结果表明:在二氧化碳浓度380 ppm(1 ppm=10-6)时,机载激光雷达二氧化碳柱线浓度综合测量误差约为0.71 ppm,满足1 ppm的二氧化碳柱线浓度高精度测量需求。     

拉曼散射激光雷达反演二氧化碳测量结果的可靠性分析

拉曼散射法测量大气二氧化碳（CO2）是一种利用大气中CO2分子和N2分子与激光相互作用产生Raman散射频移来实现探测CO2混合比分布的探测技术。介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所自主研制的拉曼散射激光雷达系统,以及用于大气CO2时空间分布测量的原理和方法。将两台事先校准过的CO2分析仪布置在激光雷达水平光路的发射端和1km位置进行同时测量,实验结果表明:两台分析仪分别与激光雷达近端和远端得到的CO2混合比随时间的变化具有较好的一致性,统计一整夜测量结果的平均值分别相差0.8ppm和3.51ppm;结合激光光路下垫面的不同对近端与远端结果的差异进行了分析说明,充分表明了拉曼散射激光雷达测量结果的可靠性。     

瑞利-拉曼散射激光雷达探测大气温度分布

介绍一台用于夜晚探测大气温度分布的L625瑞利-拉曼(Rayleigh-Raman)散射激光雷达。采用Nd：YAG激光器三倍频输出355nm作为发射激光，利用弱光子计数技术检测大气中分子的瑞利散射和N2分子振动拉曼散射回波，分析得到了平流层和对流层中上部大气温度的垂直分布廓线。其观测结果分别与HALOE／UARS卫星和无线电气象探空仪结果进行了对比分析。其中，激光雷达观测的平流层温度与HALOE卫星的结果对比表明，它们在高度25～65km内显示出较好的一致性，20个夜晚的平均温度差别基本上小于2K。激光雷达与无线电气象探空仪探测的对流层温度在高度为5～18km内反映了较为一致的分布趋势，15个夜晚的平均温度差别在6～16．5km高度内小于3K。这些结果表明，L625瑞利-拉曼散射激光雷达观测数据可靠，可用于大气温度分布的常规观测和分析研究。     

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 mJ,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3 K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。     

测量大气气溶胶和水汽的车载式激光雷达系统

为满足国家对大气参数测量的需求，成功研制了新型车载式大气探测激光雷达系统。该激光雷达主要是通过接收激光与大气中气溶胶粒子和水汽以及氮气分子间的米和拉曼散射信号，结合相应的激光雷达方程，反演出大气水平能见度、垂直气溶胶消光系数和水汽混合比。最终的实际测量结果与对比实验显示，该激光雷达可以对对流层的大气气溶胶进行昼夜连续观测，对夜晚8 km高度范围内以及凌晨和傍晚时分边界层内的水汽进行测量。相应大气水平能见度的测量误差小于20%，而垂直大气气溶胶和水汽的测量误差最大不超过30%。     

ARL-1 Raman激光雷达系统探测大气二氧化碳

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的测量对流层大气二氧化碳的ARI-I Raman激光雷达系统,以Nd:YAG三倍频作为发射光源,接收大气中氮气和二氧化碳的Raman后向散射信号,反演大气中的二氧化碳混合比分布.在ARL-1 Raman激光雷达系统中,设计了测量Raman激光雷达常数的标定装置,实验结果表明,定标光源LED的稳定度可达99.5%.利用该系统对边界层二氧化碳进行了初步定量测量和分析.     

激光雷达探测大气边界层高度分布的梯度法应用研究

为了研究合肥地区大气边界层结构变化特征,利用偏振拉曼-米散射激光雷达进行了连续探测.首先介绍利用激光雷达回波信号提取大气边界层高度的梯度法,并分析该方法的优缺点.然后对梯度法进行修正,给出具体的实例分析及对比结果.最后利用修正后的梯度法对激光雷达连续测量数据进行大气边界层高度提取,得到合肥地区观测站上空大气边界层的高度分布及时间变化特征.结果表明,实验期间合肥地区的大气边界层高度主要分布在1～1.5 km范围内,平均高度约为(1.28±0.2) km.     

拉曼激光雷达测量水汽误差源分析研究

水汽与人类的生活息息相关。常规手段测量水汽的时空分辨率较低有效提高局地短期天气预报的可信度。为加强拉曼激光雷达在气象预报中的应用,有必要对其水汽测量误差进行分析研究。通过自研的拉曼激光雷达测量数据,依据误差传递理论,分析水汽混合比的误差。同时,利用无线电探空仪与拉曼激光雷达对比。分析结果表明：激光雷达测量水汽主要包括标定常数、大气透过率修正和测量信号三个误差源。其中,定标常数误差随高度不变约为4%,是1.5 km以下误差的主要来源;大气透过率修正误差随高度升高而增加,洁净天气下对误差的影响小于4%;测量信号误差在洁净天气下3 km高度以内一般小于20%,在3 km高度以上,成为误差的主要来源。比对结果显示：激光雷达计算误差和比对误差一致性较好。上述分析结果对于提高激光雷达在气象预报中的应用起到很好的辅助作用。     

用于测量流层水汽的拉曼激光雷达

水汽在大气中含量很少,但变化很大,变化范围在0.1%~4%之间,水汽绝大部分集中在对流层。随着光电探测技术的不断发展,大气衰减对光电探测造成的影响也越来越显著,其中水汽是主要影响因子之一,也是最为不确定参数。光电探测中常用红外波段,但是水汽分子浓度较大,对辐射吸收造成很大的影响。拉曼激光雷达是测量大气水汽的主要技术手段之一。介绍了自行研制的水汽测量拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量。测量结果显示:该激光雷达可以对夜晚8 km高度范围内以及白天边界层内的水汽进行测量。实验数据与当地探空数据进行比对,取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达测量水汽的有效性和可靠性。     

合肥上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

为研究中层大气分布情况,采用自行研制的532 nm瑞利（Rayleigh）散射激光雷达,对合肥地区（31.90 N,117.170 E）25~40 km高度范围内的大气密度和温度廓线分布进行观测。将瑞利散射激光雷达所测结果与NRLMSISE-00大气模型数据进行对比,以验证瑞利散射激光雷达性能及数据处理方法的可靠性。通过数据对比得出,在25~40 km高度范围内,瑞利散射激光雷达获得的大气密度值与NRLMSISE-00大气模型密度值的比值为0.99~1.03;瑞利散射激光雷达所测温度值与NRLMSISE-00大气模型数据的温度偏差均值约为2.8 K,其中38 km以下两者温度偏差约为1.6 K。数据对比说明,瑞利散射激光雷达观测值与NRLMSISE-00大气模型数据具有较一致的密度分布特征和温度分布特征,瑞利散射激光雷达的观测结果能够较真实地反映合肥上空25~40 km高度范围内的大气密度和温度分布。     

自适应滤波在拉曼激光雷达数据处理中的应用

在拉曼(Raman)激光雷达探测CO2实验中所采集的拉曼回波信号具有比较大的统计误差,有效减小统计误差,获得较高的探测精度是非常重要的工作.利用自适应滤波器对拉曼回波信号分段进行数据处理,可得到在分段的各个空间间隔内的随距离几乎不变的CO2混合比统计误差,经过自适应滤波器对信号进行处理后,Raman激光雷达对合肥地区夜晚CO2气体浓度探测达到比较高的测量精度,在1.5～5 km高度范围内,CO2浓度统计误差最大为2.5%,5～8 km统计误差最大为5%,8～10 km统计误差最大为10%.利用此技术也可以量化估计在较高的空间分辨率下满足探测精度要求的激光脉冲数.     

纯转动拉曼激光雷达反演低层大气折射率廓线

大气折射率是影响光电探测领域测量精度的重要因素.为了提高光电测量精度,提出利用纯转动拉曼激光雷达信号反演低层大气折射率廓线的方法.通过接收N2和O2的纯转动拉曼回波信号,由双光栅单色仪分光后获得高低量子信号.根据高低量子信号的比值反演得出大气温度和大气压强廓线,从而获得大气折射指数垂直分布.通过与折射指数理论模型相比较,表明纯转动拉曼激光雷达反演对流层折射指数有较高的精度.给出了多组折射指数廓线的反演结果,得出多天夜晚不同时刻折射指数的特性.结果表明一天中不同时刻折射指数变化较小,7.5 km内最大相对误差约为0.4%;不同月份之间折射指数波动较为明显,4.5 km内相对误差可达3.5%左右.     

二氧化碳测量与对比分析

为了建立我国的大气模式和制定合适的大气环境保护政策,对大气参数(臭 氧浓度,相对湿度,气溶胶后向散射比,温度,二氧化碳浓度等)进行全面测 量并分析其基本特性十分重要。多功能性L625激光雷达能够分时测量大气中 的臭氧浓度、气溶胶消光系数、散射比、大气温度、二氧化碳混合比、水汽混合比 等多种大气参数。 对该激光雷达探测的大气参数和其他仪器包括卫星探测器 MLS、无线电探空仪、DWL激光雷达、Raman 激光雷达进行了对比,验证了L625激光 雷达探测结果的可靠性和有效性;并且对测量数据进行了分析,得出了夏季合肥地 区臭氧、气溶胶、水汽、温度、二氧化碳的基本特征。     

差分吸收激光雷达探测大气CO_2精度分析

为减小距离差分吸收激光雷达探测大气CO2浓度的探测误差,理论分析了探测精度,对差分吸收探测系统误差进行了数值分析,对基于1.6 μm光纤激光器相干探测CO2系统进行了仿真计算.结果表明:差分吸收截面越大,空间分辨率越低,回波信噪比越高,气体浓度的探测误差越小.当大气CO2的差分吸收光学厚度т为0.55时,相干探测系统具有最小误差变化百分比,此时探测精度最高.随着探测高度增大, 1.6 μm光纤激光相干探测系统精度逐渐降低,在1 km高度以内可以探测到34 ppm的大气CO2变化.     

大气CO2 Raman后向散射的探测与可靠性分析

研究和设计了探测大气CO2浓度的Raman激光雷达,其发射机采用Nd:YAG激光的三倍频354.7 nm作为工作波长,发射的单脉冲能量60 mJ,重复频率20 Hz;接收机采用了光电倍增管(量子效率25%)和光子计数器(计数速率200MHz),探测CO2的Raman散射371.66 nm(频移1285 cm-1)信号,采用组合滤光片来抑制强的354.7 nm Mie-Rayleigh后向散射和氧气Raman后向散射375.4 nm对信号的严重干扰.主要采取排除法,检验其他波段的辐射是否被截止,实验证明回波主要是371.66 nm辐射.O2的干扰大约为CO2信号的1%.     

大气CO2含量分布激光雷达监测

为有效地控制温室效应和气候剧变,准确可靠地监测CO2气体的变化就变得十分重要.拉曼雷达测量大气中CO2气体含量是一种技术先进的可靠方法.介绍了利用气体的拉曼散射效应来测量CO2含量分布的拉曼激光雷达,分析了拉曼雷达的基本原理,设计了具体的实验检测系统,介绍了实验系统各工作件参数情况.对拉曼雷达的回波信号的反演方法进行了具体阐述,初步取得了大气中CO2气体含量分布规律,合肥地区的二氧化碳气体含量大约在350～400 ppmv范围内波动.     

喇曼方法测量激光雷达常数研究

为了标定激光雷达常数,在大气水平分布均匀的天气下,利用激光雷达喇曼散射回波不受大气气溶胶后向散射影响的特点,对其水平方向距离订正回波进行线性拟合,结合N2分子喇曼后向散射截面和分子数密度就可以得到激光雷达常数;同时对这种方法进行了数值模拟,相对误差为4.688%,理论推导和数值模拟均证明该方法是可行的。结果表明,激光雷达常数的获取为激光系统的评估以及激光雷达方程的参量反演将带来便利。