差分吸收激光雷达测量对流层臭氧

利用激光雷达对对流层2～4km高度范围的臭氧分布进行了测量.测量结果表明,利用YAG激光器产生的两个波长(266nm和289nm),可以得到比较精确的臭氧分布.     

高低空一体化测风激光雷达

高时空分辨率的大气风场探测对提高数值天气预报的准确性、大气动力学过程的研究、气候研究等具有很重要的意义。介绍了基于双Fabry-Perot标准具的直接接收激光多普勒测量原理。提出了40 km的高低空大气风场同时观测的技术方法。给出了利用大气气溶胶和分子散射信号的Mie-Rayleigh多普勒测风激光雷达的系统结构,并分析了工作波长、望远镜口径、扫描天顶角和标准具参数等激光雷达系统参数。研究了扫描角度误差、气溶胶后向散射信号、大气温度对风场探测精度的影响。分析了雷达系统的总体性能,得出在40 km高度处,当距离分辨率为500 m、时间分辨率为30 min时,水平风速探测精度优于6 m/s,可以满足有关应用的要求。     

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。     

Transmission properties of spark preionization radiation inrare-gas halide laser gas mixes

A charge collection apparatus was used to measure photocharge yields and transmission properties of light emitted from a spark preionizer discharge through various rare-gas halide laser gas mixes as well as through their component gas mixes. The data indicates that for HCl partial pressure (p) and photon path length (d) pd products ⩾100 Torr-cm, a narrow transmission window (114-124 nm) for preionization of XeCl and KrCl lasers occurs. In contrast, fluorine based rare-gas halide laser gas mixes were largely transparent over a critical 100-150 nm spectral window responsible for preionization. The role of gaseous impurities, two photon ionization processes, the photoelectric effect, passivation and air contamination on the photocharge signal and light transmission are described     

差分吸收NO2激光雷达光源的设计与实现

为研制一台探测距离3km、分辨率10μg/m3的大气NO₂廓线差分吸收激光雷达,以NO₂的吸收光谱和激光雷达方程为基础,通过数值仿真分析了回波信噪比与水平和垂直方向上大气中气溶胶、NO₂含量的分布、探测距离和几何因子的关系;搭建探测大气NO₂实验系统,开展了大气NO₂浓度实验观测,获得水平及垂直高度0.4km~3.0km内的NO₂浓度实时分布,探测分辨率可达4.717μg/m3,系统稳定可靠。结果表明,采用两台波长为354.7nm、能量不小于100mJ的Nd:YAG激光器分别抽运两台染料激光器的方式,并以C450为染料,可满足差分吸收探测所需的两束波长为λ_on（448.10nm）和λ_off（446.80nm）、能量为8mJ的输出光束。该方法为实用化NO₂差分吸收激光雷达光源的设计及应用提供了理论依据及技术支持。     

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.     

Theoretical studies of UV-preionized transverse discharge KrF and ArF lasers

A theoretical model has been developed to examine the behavior of UV preionized, fast transverse discharge, rare-gas halide lasers. The model integrates the time dependent circuit equations for the discharge, the kinetic equations for the important atomic and molecular species and electrons, and the equations describing the growth of the spontaneous and stimulated emission. Results of KrF and ArF are compared with those in a companion experimental paper by Sze and Loree. The effects of various self-absorption mechanisms in the laser media are discussed, along with the possible impact of several uncertainties regarding the fundamental processes occurring in such lasers.     

Hollow cathode metal ion lasers

A new class of metal ion lasers with significant CW output power in the UV (220-320 nm) and near IR (800-2000 nm) spectral regions is described. In a hollow cathode discharge the upper laser levels are excited via charge transfer collisions between ground state buffer gas ions and ground state metal atoms. At the present stage of development, hollow cathode metal ion lasers are shown to be comparable in UV output power to rare-gas ion lasers but with lower threshold currents by a factor of more than twenty. Visible output powers are lower than rare-gas ion lasers. In the text we present device progress to date, measurements of important plasma parameters, and an outline of potential applications of hollow cathode metal ion lasers.     

激光雷达探测平流层中上部大气密度和温度

用L625 355 nm和532 nm双通道瑞利(Rayleigh)散射激光雷达,分别观测合肥(31.9°N/117.17°E)地区30～43 km高度范围内的大气密度和温度分布.这些结果与NOAA/NMC和NASA/HALOE相邻地点的密度和温度表现了较好的一致性.一般情况下,在34～43 km高度范围内激光雷达获得的大气密度与NOAA/NMC和NASA/HALOE密度的偏差大约为10%,温度差别小于2 K,而34 km以下温度偏差稍大.     

车载差分吸收激光雷达对SO2的测量

介绍了自行研制的车载差分吸收激光雷达(DIAL)的系统结构和测量原理.利用可调谐激光器输出波长为286.3 nm和286.9 nm的激光测量SO2,测量范围为500m～3 km.该雷达在北京和合肥对SO2进行了实地测量,给出实测的部分典型结果,测量结果与地面仪器定点测量的结果一致.分析了误差的几种影响因素,总的测量误差在距离分别率为300m时小于7×10-9.     

双波长高空探测激光雷达技术

在原有瑞利散射和钠层荧光激光雷达的基础上,通过采用二次倍频余光复用和双光纤焦面分光等关键技术,将上述两种高空探测机制融入一台激光雷达中,实现了对30~80 km瑞利散射和80~110 km钠层荧光回波的同时探测,从而达到了利用一台激光雷达对30~110 km这一宽广的大气段进行连通性探测的目的,为中高层大气的探测研究提供了一种更为有效的手段。主要报道双波长高空探测激光雷达的基本原理、关键技术及目前所达到的探测性能。     

Rare-gas halide avalanche discharge lasers

This paper summarizes a series of studies aimed at understanding rare-gas halide lasers excited by UV preionized avalanche discharges. Discussions include steady-state rate equation calculations of the kinetics, parametric variations and optimizations of discharge characteristics, and gas mixture optimizations for high-energy lasing.     

单波长与双波长探测平流层臭氧的比较

本文利用安微光机的多波长紫外差分吸收激光雷达∧［1］的探测结果,在平流层背景气溶胶情况下,比较单波长（308nm）距离差分方法和双波长（308-355nm）差分方法受气溶胶和温度影响的结果,比较结果表明：单波长距离差分方法受温度变化和气溶胶的不均匀影响较大,双波长差分方法受影响较小,两种方法的处理结果有明显差异,30天的平均结果表明,在19km以下,单波长结果与双波长结果相差较大;在19～35km高度区间,单波长结果与双波长结果的相对误差小于12%。     

激光雷达与SAGE II及HALOE卫星观测合肥地区平流层臭氧对比

通过Ⅱ和ＨＡＬＯＥ两个卫星仪器多天的臭氧数据对比,验证了激光雷达观测合肥地区平流层臭氧数据的有效性。分析表明在１８～３７．５ｋｍ范围内激光雷达与ＳＡＧＥⅡ及ＨＡＬＯＥ观测得到的自氧浓度分布表现了较好的一致性;其中,激光雷达与ＳＡＧＥⅡ臭氧结果的相对偏差一般在２０～３２ｋｍ范围内小于１０％,３２～３５ｋｍ上于２６．５％;激光雷达与ＨＡＬＯＥ臭 氧结果的相对偏差在２１～３２ｋｍ范围内一般小于１５％。激     

边界层臭氧差分吸收激光雷达

差分吸收激光雷达是测量边界层臭氧空间分布的一种重要工具。研制了一台边界层臭氧差分吸收激光雷达系统,系统采用Nd:YAG四倍频激光266 nm泵浦H2/D2混合气体产生受激拉曼光作为光源,采用牛顿型望远镜接收大气回波,288.9 nm和299 nm的弹性散射信号被分成两路,被光电倍增管转换为电信号,然后通过A/D采集卡采集保存用以反演大气臭氧分布廓线。给出了系统的探测结果以及和臭氧探空仪地对比验证实验。结果显示该激光雷达可以大大降低几何因子的影响,提供0.2~2 km区间的边界层大气臭氧分布廓线。     

一套测量对流层臭氧的差分吸收激光雷达系统

差分吸收激光雷达是探测对流层臭氧分布的一种先进工具。研制了一套车载差分激光雷达系统,系统基于NdYAG四倍频激光和拉曼频移技术产生紫外差分光源,并采用卡塞格林(Cassegrain)型望远镜,利用光栅光谱仪分离四波长的回波信号,使用光子计数和模拟采集相融合的方式采集数据。讨论分析了系统的测量精度并与臭氧探空仪进行了对比验证实验。实验结果表明,两台仪器测量的对流层臭氧具有很好的一致性,证实了车载差分吸收激光雷达系统及臭氧浓度分析软件的可靠性。     

星载钠荧光多普勒激光雷达性能分析

星载钠荧光多普勒激光雷达可以用来测量全球的中间层顶及低热层区域的大气风场、温度及钠原子数密度等。为了从理论上分析星载钠荧光多普勒激光雷达的可行性,该文依据激光雷达方程,对星载钠荧光多普勒激光雷达的回波信号强度以及大气参数测量精度进行仿真计算。分析结果显示在使用400 km轨道高度,30.0观测角度,9.0 W激光发射功率,1.0 m接收望远镜口径,2.0 km垂直距离分辨率,30.0 s信号累积时间情况下,可获得0.8 m/s视线风速测量精度,1.5 m/s水平风速测量精度和2.5 K温度测量精度。      

星载多普勒测风激光雷达小型化光学接收机

星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息,已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道,设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机,结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数,对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求,接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中,内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内,整体结构稳定可靠,集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线,对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真,仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响,分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时,会引起1 m/s的风速误差增量。     

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。     

户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达系统研制

激光雷达探测臭氧和气溶胶垂直廓线分布近年来在环境监测领域获得广泛应用。介绍了一套可同时用于探测臭氧和气溶胶浓度的激光雷达系统。采用Nd:YAG激光器,通过二倍频器和四倍频器分别产生532 nm和266 nm激光光源,基于受激拉曼散射原理,在两根拉曼管中分别充有氘气和氢气,产生拉曼频移光289 nm,299 nm,通过差分吸收算法原理反演垂直空间臭氧浓度廓线,通过米散射算法原理来反演气溶胶浓度廓线。水平扫描试验结果显示,雷达系统的探测结果与近地面点式臭氧分析仪测量结果有较好的一致性,相对误差小于10%。在安徽合肥科学岛外场观测结果表明:臭氧探测高度,白天可以达到3 km,晚上可以达到5 km,气溶胶探测高度,白天可以达到10 km,晚上可以达到15 km。