机载双波长米散射激光雷达大气回波信号与信噪比的模拟计算

为了研究机载双波长米散射激光雷达的技术参数对其探测性能的影响,为该激光雷达的设计与研制提供理论分析依据,使用合适的大气消光模式和机载米散射激光雷达方程,对其接收的大气后向散射回波信号以及信噪比进行了模拟计算,讨论了几何重叠因子和不同消光模式对回波信号的作用,分析了激光脉冲能量、累积激光脉冲数、接收视场、滤光片半宽度等技术参数对信噪比的影响.结果表明设计的机载激光雷达完全可以进行10 km高度以下大气气溶胶和云的探测.     

激光大气传输特性及其回波信号仿真研究

基于Rayleigh散射和Mie散射理论,利用已有的中光谱分辨率大气辐射传输模式(MODTRAN)数据及参考模式大气(RMA)数据资料,对355nm、2μm、10μm激光信号的散射、消光、透射等大气传输特性进行了仿真和比较。同时利用高斯函数分析了355nm波长处的Rayleigh和Mie回波信号光谱分布,并模拟了不同高度处的大气回波信号光谱。结果表明:与2μm、10μm相比,355nm波长的激光信号的散射特性较好;其在大气中传输时,衰减严重,适用于晴空大气;该波段的多普勒测风激光雷达接收到的回波信号在底层以Mie信号为主,高层以Rayleigh信号为主;综合考虑各种因素,选用355nm作为星载多普勒测风激光雷达的工作波长。     

米-拉曼散射激光雷达反演对流层气溶胶消光系数廓线

介绍了基于米-拉曼散射激光雷达的南京北郊大气气溶胶观测实验,采用小波分析中的软硬阈值方式处理拉曼散射激光雷达回波信号,选取不同的阈值和不同的小波函数处理拉曼散射激光雷达回波信号,得到了平滑的拉曼散射激光雷达信号。根据拉曼散射激光雷达原理反演对流层高空大气气溶胶消光系数廓线,借助弗纳尔德方法并利用米散射激光雷达气溶胶观测数据,反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。实验观测系统中有瑞利、米散射和拉曼散射3个接收通道,重点研究了米散射和拉曼散射通道接收到的观测数据,对南京北郊2011-12-08晚间拉曼散射激光雷达的气溶胶观测数据进行4种不同阈值处理。选择合适的阈值对实验观测数据进行去噪,然后利用反演原理公式并结合距离矫正信号对观测数据进行反演,得到对流层高空大气气溶胶消光系数廓线;利用其中一处的气溶胶消光系数可以反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。利用米-拉曼散射激光雷达联合反演对流层气溶胶消光系数廓线,可以清晰看出气溶胶的分布特征,对流层低空自由大气的气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明对流层低空自由大气比较干净;对流层高空大气气溶胶消光系数在云影响下可达到6km~(-1),无云时气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明高空大气比较干净。     

基于ZEMAX的拉曼激光雷达几何因子的模拟分析

激光雷达在接收大气回波信号时,近场信号由于望远镜视场角的限制不能完全接收,这对于侧重于接收大气对流层信号的拉曼激光雷达是不利的。激光雷达方程引入几何因子的概念描述回波信号的接收效率。从几何光学的角度,对拉曼激光雷达的几何因子进行了分析,对比光线追迹法求解的几何因子,两者重合度很高.为提高光纤耦合拉曼激光雷达在近场的接收效率,研究了光纤在轴向和侧向上的位移对接收效率的影响,并提出了侧向偏移光纤与以往传统的倾斜望远镜在提高近场回波信号上的一致性,有效地提高了窄视场角拉曼激光雷达系统的光学接收效率。     

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%。     

拉曼差分法探测大气中的臭氧

介绍了拉曼差分法测量对流层底部污染物O_3的基本原理。计算和研究了N_2,O_2的拉曼光谱强度分布特征,利用O_3对N_2,O_2紫外波段拉曼散射光的不同吸收特性,推导出O_3浓度反演公式;设计了拉曼差分激光雷达(Raman-DIAL)系统,该系统采用双通道分别接收N_2和O_2对紫外266 nm激光的拉曼散射光,通过拉曼差分法反演大气中O_3浓度。分析了激光雷达系统噪声的来源,对双通道滤光片提出了相应的要求;分析了大气中污染物SO_2,NO_2在紫外波段的吸收特性对拉曼差分法测量O_3的影响及造成的相对误差;利用差分激光雷达AML-2测得的O_3数据模拟了拉曼差分激光雷达系统N_2与O_2的拉曼信号,从而证实了该方法探测对流层底部大气臭氧含量垂直分布的可行性。     

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.     

微脉冲激光雷达探测信号的数值模拟计算

本文对微脉冲激光雷达探测的大气后向散射回波信号进行了数值模拟计算，计算结果得到了实验的验证，并就激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、滤光片半宽度以及接收视场等系统参数对微脉冲激光雷达探测回波信号信噪比的影响进行了较为详细的分析和讨论。     

一种高线色散率测温激光雷达双光栅光谱仪

与目前广泛应用的532nm波段的发射波长相比,采用355nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高,分光光谱仪的线色散率要达到0.1nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪,通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计,模拟分析结果显示:间隔0.1nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1mm,满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比,验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。     

多普勒激光雷达回波信号的蒙特卡罗模拟

为了研究光在复杂几何形状和非均匀介质,尤其是激光在大气中的多次散射传输问题,采用半解析蒙特卡罗方法,对不同气象条件和系统参量下的激光雷达回波信号进行了数值模拟,得到了相对回波信号随时间变化的分布曲线,并分析了接收机视场角对回波信号的影响。结果表明,当接收视场角较小时,回波信号曲线与单次散射曲线近似重合,随着接收视场角的增大,单次散射作用减弱,多次散射作用增强。     

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.     

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。     

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%.     

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。     

激光偏振技术压缩激光雷达信号动态范围

为了解决激光雷达信号的大动态范围引起远距离弱信号的失真问题,采用通过压缩信号的动态范围的方法,设计了一个利用电压调制系统透过率进而压缩激光雷达信号动态范围的方案。计算表明,系统最小透过率为4.05×10-5,可以压缩信号的动态范围达到4个数量级。利用激光雷达后向散射信号的两个方向偏振光,避免了时控光衰减器只透过一个方向偏振光的弊端。研究结果为压缩激光雷达信号动态范围提供了有价值的新方法。     

合肥地区夏季臭氧、温度、水汽、气溶胶、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.     

Raman spectroscopic detection using a two-dimensional echelle spectrometer

In order to meet the high-resolution and wide spectrum range of the backscattering Raman system, this paper designs and builds a Raman test system based on the echelle spectrometer. In the optical splitting system, compared with the ordinary planar grating spectrometer, the use of the echelle improves the resolution of the system without increasing the volume of the system. The use of intensified charge-coupled device (ICCD) in the detection system improves the signal-to-noise ratio (SNR) and the detection limit of weak spectrum. Finally, the Raman system was spectrally calibrated. The broadband backscattering Raman experimental results are given and discussed. The experimental results show that the system has an excellent application prospect for broadband and high-resolution Raman spectrum measurement.     

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.     

小视场大气温湿度探测的拉曼激光雷达的设计与仿真

太阳光背景辐射严重影响拉曼激光雷达白天探测的性能。为提高拉曼激光雷达白天探测的高度和精度,设计了激光波长为354.8 nm的拉曼激光雷达系统,讨论了354.8 nm和532 nm激光光源对拉曼激光雷达探测性能的影响,完成了系统的光路设计。偏振分光棱镜和1/4波片组成的光开关与收发合置的望远镜相结合,减小了系统的接收视场角,优化了白天探测的性能。以最小的温度不确定度为标准,通过仿真分析选取了转动拉曼通道干涉滤光片的各项参数,并对系统的探测性能进行了仿真。仿真过程中激光能量取200 mJ,频率50 Hz,积分时间20 min,距离分辨率105 m。收发合置的拉曼激光雷达系统在考虑退偏的情况下,白天探测的温度不确定度在3180 m以下小于1 K。白天探测水汽混合比的统计误差在2400 m以下,小于0.001 g/kg。仿真结果表明,白天探测的性能得到了一定程度的提高。     

北京奥运期间大气光学特征初步分析

以双波长三通道拉曼激光雷达对2008年北京奥运会期间大气状况进行了测量与分析,给出了奥运主场馆上空气溶胶消光系数、后向散射回波信号及波长消光比垂直分布及时空变化,计算了气溶胶消光散射比、光学厚度及Angstrom波长指数,结合地面监测数据分析了奥运期间典型天气间气溶胶光学特征的变化.结果表明,8～9日两天空气污染相对较重,主要为较大粒径粒子所致,降雨后气溶胶光学厚度有着明显的升高过程,出现较小粒径污染物的堆积.