拉曼散射激光雷达反演平流层气溶胶消光系数廓线

介绍了位于南京北郊的拉曼散射激光雷达的基本结构,描述了使用拉曼散射激光雷达反演平流层大气气溶胶消光系数廓线的数据处理方法。重点研究了南京北郊2011-12-08与2011-12-09晚间平流层气溶胶观测数据,对拉曼散射激光雷达距离矫正信号进行4种不同阈值的小波去噪,选择出合适的阈值,然后利用反演原理公式,得到平流层大气气溶胶消光系数廓线,分析了平流层大气气溶胶消光系数的变化特征。     

多次散射的激光雷达消光系数反演方法研究

给出了在考虑多次散射时大气消光系数、后向散射系数的激光雷达反演方法.用半解析Monte-Carlo方法对大气多次散射激光雷达回波信号进行了模拟计算.讨论了激光雷达接收视场角(FOV)以及光学厚度对多次散射回波信号的影响.米散射激光雷达测量数据反演的结果表明,在反演含有云、雾等大气消光系数廓线分布时,需要考虑大气粒子的多次散射效应的影响.     

基于拉曼激光雷达的南京上空大气温度廓线观测

介绍了综合使用瑞利、拉曼、米散射三种技术的激光雷达的基本结构与拉曼散射温度反演原理。对其中的拉曼回波信号进行了背景噪声扣除、滑动平均和小波变换降噪,在此基础上分析了气溶胶对拉曼激光雷达温度廓线反演的影响。利用上述激光雷达信号处理方法对南京上空的温度廓线进行观测,反演了2010年11月19日18时53分至19时35分连续观测的数据。反演的温度廓线表明,观测开始至观测结束,5.5 km处的温度变化为2 K的波动变化;对2010年11月整月的观测数据进行分析处理,得到11月份上中下三旬的平均温度廓线。在10 km高度处,下旬温度比上旬温度低4 K,随着入冬的进程,低空段的大气温度递减率有明显增大的趋势;11月的月平均温度在5~10 km处低于模式值4 K左右,并且两者几乎平行,说明11月份5~10 km各高度温度比模式均低4 K左右。     

单波长发射五通道接收激光雷达系统研制

后向散射激光雷达是探测大气气溶胶参数的有力工具,但它存在盲区和过渡区,且需要假设气溶胶的消光后向散射系数比来反演气溶胶的参数,这些限制了它的探测范围和精度。集侧向散射、后向散射和拉曼散射于一体的单波长发射五通道接收激光雷达系统,克服了上述困难。该激光雷达可以探测气溶胶的退偏比廓线、水汽混合比廓线、后向散射系数廓线和消光系数廓线等。气溶胶后向散射系数和消光系数可从地面到对流层顶进行探测,气溶胶退偏比廓线可以在对流层内进行探测,水汽混合比廓线可以在边界层内进行探测。在硬件条件的基础上,分析了各通道的信噪比和探测结果的随机相对误差。实例探测表明:该激光雷达系统数据可靠,探测范围较广。该系统的建立,为进一步深入研究气溶胶消光系数、水汽时空分布以及它们之间相互关系奠定了坚实的实验基础。     

气溶胶激光雷达比的迭代反演

基于Fernald法研究了激光雷达比设定值与激光雷达有效探测范围内气溶胶光学厚度之间的函数关系。针对函数的连续性,提出了以光学厚度为收敛判据,采用二分法反演低层气溶胶激光雷达比的新方法。2014年7月下旬,利用太阳光度计和西安理工大学自主研发的拉曼-米氏激光雷达对西安局部地区大气进行了实验观测,并利用所提出的方法进行了数据反演。实验结果表明,西安局部地区气溶胶激光雷达比在观测期间比较平稳,基本为44或45。降雨当天,受大气湿度影响,激光雷达比值较大为51。利用激光雷达米氏散射回波信号和太阳光度计探测数据,提出了采用迭代反演算法开展气溶胶激光雷达比精细反演新方法,对研究气溶胶光学特性的精细反演算法具有重要的意义。     

基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法

提出了一种基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法,其核心思想是将确定大气气溶胶消光系数边界值的问题转化为求解函数不动点。首先建立大气消光系数边界值与大气光学厚度和激光雷达回波信号之间的函数关系;其次依据函数不动点存在性和唯一性的条件估计不动点的存在,通过不动点迭代求得大气消光系数边界值,并由此值来确定大气气溶胶消光系数边界值。将本方法应用于实际激光雷达回波信号的反演中,得到低层大气气溶胶消光系数垂直廓线,并与在对流层顶使用洁净层法确定边界值所得的结果进行了对比。结果表明,利用本方法确定边界值,可以较为准确地反演出低层大气气溶胶消光系数。本方法可以预先估计不动点的存在区间、合理选取迭代初始值,具有收敛速度快、迭代次数少的优点,实际应用价值较强。     

船载激光雷达观测青岛海域气溶胶光学性质实验研究

研制了一套能连续探测海洋大气气溶胶光学性质垂直分布的船载小型米散射激光雷达系统,用该系统于2015年5月和9月在青岛海域开展了海洋大气气溶胶观测实验.以同船搭载的Microtops II型手持式太阳光度计同步测量得到的气溶胶光学厚度作对比数据,比较了两种仪器的气溶胶光学厚度测量结果,得到观测海域柱平均激光雷达比为32.4sr,标准偏差4.6sr.由Fernald方法得到了实验海域夏季15 km以下的气溶胶消光系数廓线.连续观测实验表明研制的船载米散射激光雷达结构紧凑,易于在船载平台操作,能对海洋大气气溶胶的光学特性进行连续有效的高时空分辨率廓线测量.     

基于多普勒激光雷达的2011年春季北京地区气溶胶探测实验分析

介绍多普勒激光雷达于2011年3月21日至4月19日期间在北京南郊进行的观测实验,利用Fernald方法对气溶胶消光系数进行了反演和重点分析。结合同一时段探空气球得到的数据,分析大气结构及其变化。观测数据表明：在晴朗无云并且大气较为清洁的条件下,气溶胶消光系数从低空向高空平缓递减;遇到多云天气,气溶胶消光系数会在云层处增大;另外,低空的气溶胶消光系数有较明显的日变化特征,早上相较于晚上要低些。实验期间,地面至10km的气溶胶平均光学厚度在0.52。     

探测气溶胶消光特性的双波长米散射激光雷达

研制了一台双波长米散射激光雷达,用来探测对流层大气气溶胶532nm和1064nm两个波段的消光特性及其时空分布.该雷达系统采用四个通道分别用于对流层下部和中上部532nm及1064nm的大气回波信号,并采用窄带滤光片.借助小孔光阑,有效压制背景,以提高系统白天探测能力.描述了该雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法.给出了合肥地区(N31°54',E117°10')对流层大气气溶胶532nm及1064nm大气气溶胶消光系数的垂直廓线及其时空分布的典型探测结果,分析了气溶胶的波长依赖指数和532nm波段的光学厚度.观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征.     

南京北郊气溶胶观测

介绍了南京北郊大气气溶胶观测及其数据分析结果。利用Raman-Rayleigh-Mie激光雷达系统对南京北郊气溶胶进行常规观测,并对观测数据进行反演分析。详细分析了米氏散射气溶胶消光系数的反演结果随边界值变化的灵敏度,提出了较为准确的气溶胶边界值的确定方法,由此得到较为准确的气溶胶光学参数。通过与地面观测结果的比较,说明了Raman-Rayleigh-Mie激光雷达的观测结果具有可比性,其边界值的确定及其反演方法在一定程度上可信,可行。     

激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度

为丰富整层大气气溶胶光学厚度测量手段, 提出了一种综合微脉冲激光雷达与地面能见度测量数据的探测 方法。该方法首先利用激光雷达数据反演得到气溶胶垂直消光系数廓线, 据此计算出气溶胶标高; 再利用能见度和 消光系数的关系得到近地面水平方向的消光系数; 最后, 将近地面消光系数和标高结合, 从而得到整层大气气溶胶光 学厚度。将该方法应用于合肥地区, 成功得到该地区整层大气气溶胶光学厚度的昼夜变化趋势, 验证了该方法的可 适应性。     

利用小波降噪的瑞利激光雷达平流层温度反演

介绍了瑞利-拉曼-米散射激光雷达的基本结构与瑞利散射温度反演原理,通过分析对比获得了适合瑞利散射信号的小波分解层数及阈值选取规则,并分别使用小波硬阈值法与软阈值法对信号进行处理,相比而言软阈值法具有更好的降噪效果。利用上述算法反演出南京上空平流层28~46km的温度廓线,将结果与MSISE-90大气模式及AIRS卫星数据进行比对,均表现较好的一致性,验证了小波降噪在瑞利激光雷达温度反演算法中的可靠性。在算法研究的基础上,反演了2009年12月19日19时20分至20时20分连续观测的数据,表明在短时间内平流层温度总体趋势稳定;并对2009年10月至12月的观测数据进行分析处理,得到南京上空平流层月平均温度廓线,表明南京上空的平流层温度在冬季变化不明显。     

喇曼激光雷达探测云及其附近气溶胶光学参量

为了研究喇曼激光雷达探测云与气溶胶相互作用相关光学参量的可行性,研制了一台607nm喇曼激光雷达。采用适当提高喇曼激光雷达配置的方法,提高了喇曼回波信号信噪比。通过实验取得了晴空少云天气下云和气溶胶的消光系数垂直廓线,给出了喇曼激光雷达观测云与气溶胶相互作用的个例分析,说明利用地基喇曼激光雷达,可以为研究云与气溶胶之间相互作用的物理过程提供基础数据,并指出正在研制的多波长喇曼-偏振激光雷达技术探测云与气溶胶相互作用的技术优势。结果表明,喇曼激光雷达具备定量探测中低自由对流层内薄云层和气溶胶消光系数的能力。     

拉曼激光雷达探测合肥地区夏秋季边界层气溶胶的光学性质

研制了一台拉曼-米-瑞利散射多参数大气探测激光雷达系统,利用其拉曼-米散射通道,实现了边界层内532 nm大气气溶胶消光系数、后向散射系数和消光后向散射比(激光雷达比)的定量测量。利用研制的激光雷达,对合肥地区夏秋季气溶胶光学性质进行了常规观测,观测结果显示,激光雷达比垂直廓线没有明显的突变,说明夜间近地面气溶胶混合得较均匀,并且微物理性质相同。夏季气溶胶激光雷达比平均值为(64.4±6.1)sr,相对较大;秋季平均值为(51.5±5.1)sr,相对较小;夏秋季气溶胶激光雷达比总体变化不大。夏秋季气溶胶激光雷达比稍有不同的原因,可能与气象因素或者气溶胶组成成分略有变化有关。在夏秋各自季节内,激光雷达比各天观测结果变化较小,说明在同一季节内,气溶胶的微物理性质和组成成分相同。整个试验期间观测的激光雷达比在43～72 sr之间,总平均值为57.9 sr;初步判断,处在污染型陆地型气溶胶激光雷达比的范围内。     

提高拉曼探测气溶胶消光系数精度的玻-温模式

拉曼雷达反演气溶胶消光系数时通常采用标准模式大气,但由于标准模式大气与探测地大气密度不符会对于探测结果造成一定影响,为减小这种影响提高拉曼雷达探测气溶胶消光系数的精度,采用玻耳兹曼能量分布规律和对流层大气温度线性递减的特征确定大气密度廓线以取代标准模式大气,进行了理论推导和实验验证,结果表明:新模式是可行的而且与标准模式大气相比更加吻合探测地实际大气,因而更能减小误差,建议激光雷达数据处理采用这种新模式。     

敦煌辐射校正场典型气溶胶垂直廓线的激光雷达观测

激光雷达可以获取气溶胶的三维信息。在2010年中国辐射校正场（Chinese Radiometric Calibration Site,CRCS2010）试验中,利用一部米散射激光雷达获取了敦煌辐射校正场区域15天的观测数据。利用经典的Fernald反演方法得到了这一区域的大气气溶胶消光系数垂直廓线并分析了其对辐射定标的影响。观测结果表明敦煌地区在从近地面到2～4 km处存在着一层气溶胶浓度高值层。用于辐亮度辐射定标的飞机飞行高度需要大于此高度,以避开气溶胶高浓度层的影响。并利用MODTRAN(MODerate resolution atmospheric TRANsmission))辐射模式中的气溶胶廓线与实测气溶胶廓线分别进行辐射模拟,对于FY3/MERSI各可见-近红外通道都有不同程度的差异,其中蓝通道（<500 nm）有4%～5%的辐射差异。     

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.     

Raman-Mie激光雷达测量对流层大气气溶胶光学特性

为了研究合肥上空对流层大气气溶胶的光学特性,研制了一台Raman-Mie激光雷达,用来测量大气气溶胶的消光系数、后向散射系数和激光雷达比的垂直分布。文中介绍了研制的Raman-Mie激光雷达系统和数据处理方法,并且给出了几个测量结果。在冷锋过境时,激光雷达测量的整层对流层中大气气溶胶的后向散射系数的时空变化表明,大量的气溶胶粒子被冷空气输送到合肥上空,大气气溶胶在4 km以下的垂直分布有剧烈的变化,混合层顶的高度被抬升到了3 km附近。Fernald方法和Raman方法反演的大气气溶胶光学特性的对比结果表明,该激光雷达能够测量合肥上空大气气溶胶层中的消光系数、后向散射系数和激光雷达比廓线。     

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。     

Mie散射激光雷达大气回波信号经验模式分解算法的研究与应用

详细论述了经验模式分解(EMD)的激光雷达大气回波信号降噪信号处理方法.并进行系统仿真及实验验证.这种基于EMD的去噪算法适合处理含有脉冲的信号(如Block,Bump和脉冲回波信号等).通过利用该算法对米(Mie)散射激光雷达大气回波信号进行分析处理,其结果表明该去噪方法能去除大气回波中含有的噪声,能为下一级消光系数反演提供高信噪比(SNR)的初始数据.