基于LabVIEW大气激光雷达数据采集与可视化软件的设计

介绍了基于LabVIEW编程语言开发的米散射大气激光雷达数据采集与可视化软件。设计中利用LabVIEW调用光子计数卡（MSA300）的动态链接库,实现了激光雷达软件对大气回波数据的实时采集与显示,根据Fernald方法即时处理回波信号并显示消光系数与回波强度时间高度显示图（THI）。软件采集的数据直接转换并保存为ASCII码文本格式,便于数据的后期处理与分析。初步实验效果表明,软件能够对大气回波信号、消光系数与THI图进行实时可视化显示,便于直观了解大气激光雷达连续探测的大气气溶胶和云时空变化信息。实验表明,软件具有良好的实时性与准确性。     

反演卷云激光雷达比的新方法

激光雷达比(消光系数与后向散射系数之比)是 卷云的重要光学特性之一,提出了一种通过 Mie散射激光雷达回波信号反演卷云激光雷达比的新方法。以云底气溶胶的消光系数 和卷云的光学 厚度两个参量为约束条件,构建以云顶气溶胶的消光系数和卷云的激光雷达比为未知参量的 非线性方程 组,采用粒子群算法求非线性方程组的数值解,同时获得云顶气溶胶的消光系数和卷云的激 光雷达比。使 用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了实验验证,结果表明,本文方法是有效的,并且具 有迭代次数少、收敛速度快的优点。     

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。     

多次散射的卷云激光雷达比反演方法研究

提出了一种Mie散射激光雷达在考虑多次散射影响时求解卷云激光雷达比的新方法。首先,根据多次散射激光雷达方程,构建关于气溶胶消光系数边界值和卷云有效激光雷达比的非线性方程组;其次,采用非线性粒子群算法求解方程组,同时得到气溶胶消光系数边界值和卷云的有效激光雷达比;然后,使用Platt的多次散射因子方程,结合邱金桓参数化的多次散射对一次散射比,计算多次散射因子,进而求得卷云的激光雷达比。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了实验验证,结果表明,方法收敛速度快,精度较高,具有很好的应用价值。     

气溶胶后向散射消光对数比对消光系数反演的影响研究

使用Mie散射激光雷达在阴、雾和晴三种天气状况下采集了大气回波信号,从所测数据反演气溶胶消光系数的过程中发现,气溶胶后向散射消光对数比对反演结果存在较大影响.在阴天天气下,当后向散射消光对数比从0.7变化到1.0时,气溶胶消光系数反演结果相差近5倍;对晴天天气,反演结果相差近3倍;而在有雾天气,其反演结果变化不大.通过参考大气能见度因子对消光系数进行修正,并从而获得对应的后向散射消光对数比,给出了一种根据天气状况确定气溶胶后向散射消光对数比的新方法.实际反演计算表明,用此方法可获得与实际更为接近的气溶胶消光系数.     

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.     

Mie散射激光雷达研究成都地区大气边界层结构

基于Mie散射大气激光雷达,对成都地区大气边界层结构随时间变化的特性进行了研究。首先,应用Klett算法对大气激光雷达回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参量。基于实测数据对成都地区大气回波信号进行了反演,结果表明,成都地区大气边界层混合层高度较低,卷夹层厚度较薄,且随时间变化的趋势较缓慢,这与成都地区特殊的地理状况有关。     

基于Mie散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法

Mie散射激光雷达在探测气溶胶光学特性方面应用极其广泛,但在确定气溶胶消光系数边界值、后向散射消光对数比等方面缺乏精准性。基于Klett后向积分模型,提出了一种利用Mie散射激光雷达反演气溶胶消光系数的方法。首先,通过构建非线性方程,利用Steffensen迭代法获得气溶胶消光系数边界值。其次,借助差分吸收激光雷达函数模型推导气溶胶后向散射消光对数比。最后,引入反馈系统,不断修正边界值,减小气溶胶消光系数反演的误差。实验结果表明,该算法能够更快速地获取消光系数边界值并反演出高精度的气溶胶消光系数,平均相对误差低于10 %,在气溶胶探测中应具有广阔的应用前景。     

生物战剂/气溶胶激光雷达遥测技术研究

散射、荧光和偏振信息是生物战剂/气溶胶时空观测和识别的有效数据源。对Mie散射、紫外激光诱导荧光和偏振探测激光雷达的原理、数据反演等进行了阐述和讨论,并对消光系数、荧光和退偏振比的探测结果进行了探讨。实验和数据表明,消光系数、退偏振比和荧光的时空分布,用于生物战剂/气溶胶的探测和识别是可行的。     

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。     

Mie散射激光雷达研究成都地区大气边界层特性

基于Mie散射激光雷达,对成都地区大气边界层结构随时间的变化特性进行了研究.利用Mie散射激光雷达测量大气回波信号,由改进的Klett算法反演获得大气后向散射系数,应用误差函数拟合法并参照位温廊线获得并分析了成都地区大气边界层高度以及卷夹层厚度等特性.     

激光雷达探测的大气气溶胶空间二维分布

提出了通过改变激光束仰角的斜程探测得到气溶胶空间二维分布的方案。利用自行研制的Mie散射激光雷达系统对合肥西郊上空的大气气溶胶进行了连续的斜程探测，并通过相应的数据处理方法，得到气溶胶消光系数二维分布图及其随时间的演变图。给出了2005年12月2日的典型探测结果，这些结果不仅全面直观地反映了大气空间某一纵向剖面的气溶胶消光系数分布情况，而且清楚地显示了这一分布随时间的整体变化趋势，这对于实时的大气环境监测具有重要意义。     

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。     

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。     

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。     

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.     

激光雷达多通道高速数据采集系统设计

设计了一款“FPGA+DSP”架构的高速数据采集系统,可对激光雷达的多路回波信号进行同步并行采集,数据反演及远程传输。FPGA在同一触发信号激励下,可对输入的四通道回波信号进行高速采集、累加、存储;DSP读入四个通道的累加结果,求平均后进行反演,并以TCP/IP协议实现数据的远程传输。设计完成的数据采集系统在一台“米”散射激光雷达系统中进行了测试,结果表明：该系统可对脉冲重复频率为1khz的多路回波信号以20 mHZ的频率进行采样,并可对5000次的回波信号进行对应点累计平均,完全满足激光雷达数据采集的特定要求。本系统具有性价比高、便携、可实现数据的远程共享,在多光谱激光雷达及高光谱分辨率激光雷达的数据采集中具有推广价值。     

基于混合编程的激光雷达回波数据反演系统实现

提出通过C#和Matlab混合编程实现雷达回波数据采集和反演软件设计的方法。利用C#友好的界面实现用户接口,将Matlab编写的函数文件编译成共享库在C#中进行调用。以现有的大气激光雷达所采集数据为例,进行了回波数据采集、预处理及消光系数反演。运行结果表明,将C#界面开发的优势与Matlab强大的算法处理和仿真功能相结合,可增大运算速度并提高编程效率,软件可有效地应用于激光雷达系统的数据采集和监测,快速批量地实现回波数据预处理以及反演参数的实时动态显示。系统通过调整算法参数也可用于其它激光雷达信号的处理。     

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.