瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算

设计了一台探测大气温度和气溶胶的瑞利-米散射激光雷达。对不同参数的大气后向散射回波信号信噪比进行了数值仿真计算,讨论了激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜口径、空间分辨距离以及窄带干涉滤光片的带宽和透过率对激光雷达回波信号信噪比的影响。根据仿真结果,设计的激光雷达在白天时,气溶胶的米散射信号采用1 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了10.6 km;中层大气温度的瑞利散射信号采用0.2 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了47.1 km。     

Coherent laser radar at 2 μm using solid-state lasers

The development of a coherent laser radar system using 2-μm Tm and Tm, Ho-doped solid-state lasers, which is useful for the remote range-resolved measurement of atmospheric winds, aerosol backscatter, and differential absorption lidar (DIAL) measurements of atmospheric water vapor and CO₂ concentrations, is described. Measurements made with the 2-μm coherent laser radar system, advances in the laser technology, and atmospheric propagation effects on 2-μm coherent lidar performance are discussed. Results include horizontal atmospheric wind measurements to >20 km. vertical wind measurements to >5 km, near-horizontal cloud returns to 100 km, and hard target (mountainside) returns from 145 km     

Atmospheric multiple scattering effects on GLAS altimetry. I.Calculations of single pulse bias

Estimates of the effect of pulse stretching on satellite laser altimetry, such as planned for the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS), by cloud multiple scattering were made from an analytical method and with Monte Carlo simulations. Altimetry is dependent on the time required for a laser pulse to complete the roundtrip to the surface and return to the transmitter. Since a transmitted Gaussian pulse will be stretched by the effects of multiple scattering, the use of the pulse centroid as the receive time will produce a biased measurement or an apparent delay in the receive time. The magnitude of this delay was found to be dependent on several factors including cloud height, cloud optical depth, cloud particle size, particle shape, and receiver field of view. The delay was found to be largest for low-level clouds with particle radii of 3-20 μm, potentially amounting to altimetry biases of tens of cm. Alternate methods for measuring the receive time, such as a simple Gaussian fit of the return pulse peak reduce the path delay estimates for all cloud conditions. Since GLAS is a dual mode instrument that includes an atmospheric lidar channel, altimeter measurements that are likely to be significantly contaminated by multiple scattering can be identified     

探测低空大气CO2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20uJ、重复频率高20KHz、小型化.(18×106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2×105/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.     

扫描式气溶胶激光雷达研制与观测研究

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义,是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征,山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60J、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据,分析了不同天气条件下的大气水平能见度,验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据,利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数,并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明:扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度,通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。     

大气探测激光雷达网络和星载激光雷达技术综述

大气探测激光雷达以精细的时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据获取能力成为大气探测强有力的工具。通过激光雷达观测网络和星载激光雷达, 可以获得大空间尺度持续的四维大气信息,满足环境、气象和气候研究的需要。介绍了目前存在的比较重要的激光雷达网络和航天强国的星载激光雷达计划。主要的激光雷达网络有全球大气成分变化探测网(NDACC)、欧洲气溶胶研究激光雷达观测网(EARLINET)、亚洲沙尘激光雷达观测网(AD-NET)、美国东部激光雷达观测网(REALM)、微脉冲激光雷达网(MPLNET)和独联体激光雷达网(CIS-LINET),分别介绍了它们各自的功能、激光雷达类型和站点、日常观测活动与规范。激光雷达空间技术试验(LITE)开启了星载激光雷达的新纪元,之后美国航空航天局NASA、欧空局ESA和日本宇航局JAXA先后开展了星载激光雷达计划,分别介绍了这些星载激光雷达的科学目标、激光雷达类型及相关参数以及技术原理。中国也正在筹划研制激光雷达卫星载荷,用于探测大气气溶胶、云和二氧化碳。最后总结说明了激光雷达网络化和卫星载荷的优势和应用。     

典型滤波器对星载高光谱分辨率激光雷达532 nm通道回波信号的影响

高光谱分辨率激光雷达（High Spectral Resolution Lidar,HSRL）系统利用窄带滤波器将激光雷达回波信号中的大气粒子（云或气溶胶）散射和分子散射成分分开,提升了云或气溶胶光学特性的反演质量。提出了一种基于HSRL探测原理的HSRL回波信号模拟方法,其原理是利用CALIPSO云/气溶胶消光系数产品和数值天气预报数据被用来仿真星载HSRL 532 nm回波信号。两种典型的窄带光谱滤波器:FPI（Fabry-Prot Interferometer）和碘吸收滤波器,作为分子通道滤波器的性能通过仿真的星载HSRL回波信号进行分析。对三种典型:晴空、卷云、气溶胶（两层厚云）的HSRL回波廓线进行详细的敏感分析表明碘分子吸收滤波器的性能明显优于FPI滤波器,其中碘吸收滤波能保持可以忽略不计的相对偏差（4.010-3%）,这是由低光学厚度（1.0）的粒子后向散射效应引起的。但是,如果FPI滤波器的粒子后向散射透过率能保持在10-3水平以下,其仍不失为是一个好的选择。     

MPL探测气溶胶水平分布数据处理方法研究

微脉冲激光雷达(MPL)是探测大气气溶胶和云的有效工具.为了解气溶胶和污染物在城市近地面范围内的水平分布情况,使用自行研制的MPL开展了气溶胶和污染物水平分布的探测研究.对实测的水平数据,尝试采用分段斜率法和Fernald方法计算气溶胶和污染物消光系数的水平分布.研究表明,运用分段斜率法和Fernald法计算MPL水平数据均是可行的.     

大气气溶胶污染监测中应用的新型全天时户外型拉曼-米散射激光雷达系统

介绍在大气气溶胶污染监测中应用的新型全天时户外型拉曼-米散射激光雷达系统,主要用于对大气边界层结构、对流层气溶胶和云光学特征及其形态进行自动连续观测。该系统在整体结构方面,运用成熟的米散射、偏振和拉曼激光雷达技术,采用一体化设计,结构紧凑,便于运输,外场试验无需安装和调试;在系统控制方面,采用一键式启动,操作简单,同时具备手动和自动两种工作模式,并具有网络控制和数据传输功能;在数据处理方面,采用自动和人工两套处理软件,前者可根据系统设置自动处理和实时显示测量结果,后者则根据用户设定参数对原始测量数据进行数据反演和显示。该系统真正实现了激光雷达的产品化应用要求,可广泛运用于大气环境监测和大气科学等研究领域。     

Lidar sensing of aerosols and clouds in the troposphere and stratosphere

Advances in the development and application of lidar as a tool for the remote sensing of atmospheric aerosols and clouds are reviewed. The lidar sensing technique is described, and various approaches for solving the lidar equation to retrieve aerosol properties are summarized. Examples are presented of lidar applications of aerosol and cloud sensing in both the troposphere and stratosphere. These include environmental monitoring, atmospheric boundary layer studies, retrieval of aerosol optical and physical properties, sensing of clouds, and investigation of volcanic effects in the stratosphere. Comments are offered regarding the future outlook for aerosol and cloud sensing by both ground-based and spaceborne lidar.<>     

扫描式微脉冲激光雷达的研制和应用

详细介绍了最新研制的扫描式微脉冲激光雷达MPL-AS以及它的特点和应用,探讨了微脉冲激光雷达探测大气气溶胶水平消光系数分布的数据处理方法,并给出了实地探测和数据分析结果。另外本文也尝试用消光系数与p（PM10）的相关关系,计算获得了p（PM10）水平空间分布。实地探测的结果表明：扫描式微脉冲激光雷达不仅可以探测大气气溶胶消光系数廓线和云层结构及其随时间的演变过程,还可用于城市大气环境水平方向空中污染状况的自动化扫描监测,获取感兴趣区域气溶胶的时空分布,是有利于空气环境治理的实用工具。     

微脉冲米散射激光雷达系统的产品化研发及实验观测研究

采用模拟探测技术研发了具有三维扫描功能的微脉冲米散射激光雷达产品,用于高密度气溶胶聚集地区的大气气溶胶光学特性及云的精确探测。详细的介绍了该系统的整体结构、系统控制和数据采集处理软件。利用该系统对西安地区气溶胶及城市边界层特性进行观测研究,实验结果表明：在激光脉冲能量为50μJ,望远镜接收孔径为254mm,信号平均时间40s及距离分辨率为7.5m的条件下,系统测量气溶胶的有效距离可达到白天5公里左右,夜晚15公里。系统可以为研究大气变化,特别是为研究颗粒污染物的产生,传输和扩散的特性提供科学的测量数据。     

微脉冲激光雷达的气象应用

微脉冲激光雷达（MPL）是探测气溶胶、云雾和水平能见度的有效工具,具有性能稳定、结构简单、便于移动、探测数据准确、对人眼安全等特点。主要介绍微脉冲激光雷达的原理,两种激光雷达数据处理的方法（斜率法和Fernald法）,及其在气象领域的应用,主要包括：（1）水平能见度以及大雾监测;（2）精确地探测云高、云厚、云区的消光系数和云的层次等信息;（3）大气气溶胶的垂直分布和演变过程。     

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。     

南极中山站瑞利散射激光雷达的初步探测结果

一套瑞利散射激光雷达已部署在南极中山站（69.4° S, 76.4° E）用于探测大气密度和温度。该激光雷达的光源为二倍频Nd:YAG脉冲激光器,重复频率30 Hz,单脉冲能量约400 mJ,同时使用一台0.8 m口径的垂直指向望远镜作为接收望远镜,可以探测平流层上层及中间层下层（USLM）区域的大气密度及温度廓线。在垂直分辨率为300 m,时间分辨率为30 min的情况下,由光子噪声引起的大气密度和温度测量不确定性分别小于1.5%和1 K。该激光雷达自2020年3月开始在中山站开展常规观测,有助于研究极区USLM区域的大气密度、温度的变化特征以及大气波动的传播特性。     

微脉冲激光雷达系统实验观测及应用

针对大气气溶胶监测的迫切需要,研制完成了用于大气气溶胶光学特性和水平能见度测量的微脉冲激光雷达系统。本文主要介绍了该激光雷达系统的结构和主要技术参数,发射系统采用重复频率为2.5 kHz、单脉冲能量为6 μJ的半导体泵浦固体激光器,接收系统采用20 cm口径的施密特-卡塞格林式望远镜、0.5 nm的窄带干涉滤光片及光子计数模式的光电倍增管。利用本系统对青岛地区对流层的大气气溶胶进行了观测,观测结果表明,该系统具备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。     

Multiple scattering simulations for the Japanese space lidarproject ELISE

Spaceborne lidar observations have a great potential to improve our knowledge of the atmosphere. However, contrary to ground-based or airborne lidar measurements in observations from space multiple scattering (MS) has to be accounted for under all atmospheric conditions. A simple way to achieve this is to introduce the approximative MS factor F in the single scattering lidar equation. We determined F for measurements of aerosols, ice and water clouds as they were planned with the Japanese space lidar ELISE. We found that F is almost constant in cirrus clouds and in water clouds which are penetrable by lidar. In aerosol layers F depends on penetration depth, extinction coefficient and aerosol type. In comparison to LITE the MS factor is smaller (for aerosols and water clouds) or almost equal (cirrus)     

MPL-A1/T型微脉冲激光雷达的研制与应用

微脉冲激光雷达(MPL)是大范围探测大气气溶胶廓线的理想工具,在简单说明原理的基础上介绍了MPL的特点与应用;针对同轴和非同轴结构的MPL,重点讨论了在研制过程中的关键技术;给出了研制的MPL-A1型和MPL-T型MPL探测大气气溶胶消光系数廓线、云层结构和实际连续观测的结果.     

对流层气溶胶和水汽的车载激光雷达系统的探测

利用研制的一套具备昼夜测量能力的新型车载大气探测激光雷达系统为试验工程和环境监测提供应用研究。该激光雷达系统由水平测量模块和垂直测量模块构成,可通过接收激光与大气中气溶胶粒子、水汽分子、氮气分子作用的米散射和拉曼散射信号,反演大气水平能见度、垂直的气溶胶消光系数和水汽混合比。并可实现昼夜连续观测,实际测量结果与对比实验表明,大气水平能见度的测量误差小于10%, 6 km以下垂直大气气溶胶的测量误差小于10%,水汽的测量误差最大不超过20%,能够满足大气参数测量的实际需求。     

激光测云雷达信号分析

分析了用于测云的最佳激光雷达波段,给出了计算雷达方程所需的大气分子和气溶胶消光系数的垂直廓线模拟图,以及在小孔光阑存在的情况下同轴透射式测云激光雷达的几何重叠因子模拟图,使用拟定的大气探测激光雷达技术参数进行回波信号及其信噪比的模拟计算,分析脉冲发射能量、脉冲发射次数、滤光片半宽等对信噪比不同程度的影响.这对分析测云激光雷达的探测性能具有基本的意义,同时也为测云激光雷达技术参数的确定提供了理论上的分析依据.