差分吸收激光雷达测量环境SO2

提出了一种新的差分吸收激光雷达(DIAL)技术探测大气环境SO2。利用Nd：YAG激光器的四倍频266．0nm抽运甲烷和氘气，可以获得它们的一级斯托克斯拉曼频移波长288．38nm和289．04nm。SO2对波长为289．04nm的激光吸收较强，对288．38nm的激光吸收较弱，波长对288．38nm和289．04nm可用于大气SO2的测量。利用这种技术，建立了一台测量大气SO2的差分吸收激光雷达，并进行了实际测量和初步研究，对激光雷达测量SO2误差的主要来源进行了分析．并估计了测量误差的大小。差分吸收激光雷达的测量结果与仪器测量结果相比具有可比性。     

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。     

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。     

差分吸收激光雷达探测二氧化硫实验研究

二氧化硫是大气中最常见、最重要的污染物之一.差分吸收激光雷达探测二氧化硫具有高时空分辨率、高探测精度等优点.用两台Nd:YAG 激光器泵浦两台染料激光器后,通过倍频晶体得到测量大气二氧化硫所需的两个波长,它们分别是on=300.05nm 和off=301.5nm.将两束光束用几组反射镜合为一束光束,经扩束镜6 倍扩束后垂直发射进入到大气中.接收望远镜收集两个激光波长的大气后向散射信号,信号采集单元记录两个波长的后向散射回波信号的垂直高度分布.通过数据反演获得二氧化硫的高度分布.初步实验结果表明,实验期间合肥西郊董铺岛垂直高度0.3~1.6km 的二氧化硫在0~14ppb 范围内波动.最后分析并估算了该二氧化硫差分吸收激光雷达的四个主要误差来源.     

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。     

差分吸收激光雷达探测大气CO_2精度分析

为减小距离差分吸收激光雷达探测大气CO2浓度的探测误差,理论分析了探测精度,对差分吸收探测系统误差进行了数值分析,对基于1.6 μm光纤激光器相干探测CO2系统进行了仿真计算.结果表明:差分吸收截面越大,空间分辨率越低,回波信噪比越高,气体浓度的探测误差越小.当大气CO2的差分吸收光学厚度т为0.55时,相干探测系统具有最小误差变化百分比,此时探测精度最高.随着探测高度增大, 1.6 μm光纤激光相干探测系统精度逐渐降低,在1 km高度以内可以探测到34 ppm的大气CO2变化.     

车载测污激光雷达电厂周边SO2测量研究

为验证AML-2车载测污激光雷达对较高二氧化硫浓度及其起伏变化的可测性,对电厂周边二氧化硫浓度作了针对测量.利用Nd:YAG激光器的四倍频抽运甲烷和氘气,获得它们一级斯托克斯Raman频移波长288.38 nm和289.04 nm用于二氧化硫的差分测量.在烟道方位探测到峰值浓度约1300 ppb的二氧化硫分布.得到了烟囱上下风处垂直剖面二氧化硫浓度分布图.反映了电厂废气排放对周边环境的影响.验证了AML-2车载测污激光雷达对较高二氧化硫浓度及其起伏变化的可测性.     

激光雷达用紫外—可见多波长同时输出的激光系统

报导了同时探测多种大气成分的空间垂直分布的激光雷达用多波长激光光源系统.该系统通过Nd∶YAG激光器选模输出的1064 nm激光经一级放大后,分成两束,其中一束光再通过放大,经过二倍频器及三倍频器后输出532 nm和355 nm激光束,532 nm波长的激光用于探测大气中气溶胶和温度的空间垂直分布;355 nm波长的激光用于探测平流层臭氧的参考光,同时也是使用Raman方法探测水汽混合比分布的激光光源.另一束1064 nm的激光通过放大后,经过二倍频器及四倍频器输出266 nm激光,其用作泵浦高压氘气拉曼(Raman)频移器而输出289 nm波长激光(1阶Stokes),用作探测对流层臭氧的吸收波长.通过同时使用XeCl准分子激光器输出308 nm波长的激光,采用差分吸收方法探测大气臭氧的垂直分布.最后给出了合肥地区一些典型的探测结果,如大气臭氧、气溶胶、水汽及温度等的分布及其特点.(OB19)     

中红外差分吸收激光雷达NO2测量波长选择及探测能力模拟

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化氮浓度的有效途径。介绍了差分吸收激光雷达原理及系统结构,基于可调谐固体激光吸收技术,以0.01 nm为步长,测量了二氧化氮在3.410~3.435 m吸收光谱,实验结果表明,在1.0 atm（1 atm=1.013105 Pa）、25℃情况下,所测吸收光谱与模拟计算吸收光谱相关系数为92.01%,基于实测吸收光谱分析确定了二氧化氮测量激光波长对为on-line 3.424m、off-line 3.414m。并研究了差分吸收激光雷达二氧化氮测量信号预处理方法和去噪算法,仿真计算结果表明,采用信号预处理结合多重自相关检测法,可有效将1 km内模拟探测所得二氧化氮浓度反演结果误差降为0.1 mg/m3。     

关于发展我国空间激光气象雷达的建议

云、气压、气温、风场、湿度分布是数值天气和气候预报模型的基本变量。国际上已经实施或正在进行的空间激光雷达与大气探测有关的计划有多项。对我国发展空间气象激光雷达的建议：二极管泵浦Nd∶YAG的激光器及其二倍频和三倍频器作为光源,用同一个望远镜接收大气的散射回波,采用多种分光技术,从回波中分离出Mie散射回波,并且直接由光谱技术得到Mie散射和Rayleigh散射的多普勒频移量和谱展宽量,获取大气的气溶胶、云、风场、气温等数据;由Nd∶YAG的激光器泵浦光参量振荡器(OPO)实行差分吸收方法来探测大气水汽（湿度）分布廓线和通过氧气的761nm差分吸收得到气压等气象要素的信息。     

小型TEA CO2激光器的自动快速调谐系统研究

差分吸收激光雷达能够实现实时遥测大气中微量污染物和战场上的化学战剂,该领域的研究目前已成为新的热点.CO2激光谱线丰富,基本覆盖了大多数污染物和毒剂的吸收谱区.因此,可调谐小型TEA CO2激光器成为CO2差分吸收雷达的理想光源.差分吸收雷达要求其光源能够在"大气冻结时间"内发射两个不同波长的激光,以消除大气波动引起的测量误差,提高探测距离和准确度. 研制的小型TEA CO2激光器的自动调谐系统,采用单片机作为控制系统的核心,通过软件编程实现调谐触发系统的工作,实现了激光的快速调谐输出.调谐触发控制器检测红外光电传感器,精确定位衍射光栅的初始位置.由高频步进电机及精密减速装置控制光栅的转角变化,在所需波长的角度位置,控制器延迟触发激光器主放电,输出激光.在激活体积10×12×350 mm3、谐振腔长500 mm的封离式激光器中,实现了在≤=10 ms时间内快速调谐输出两个不同波长的激光.激光波长再现性达到0.1～0.5 nm,调谐系统工作稳定,有效实现电磁兼容.经实验验证,该调谐触发控制系统调谐速度快.(OA9)     

Nd:YAG四倍频激光抽运氘后的拉曼效应及其在激光雷达中的应用

利用 Nd:YAG四倍频激光抽运氘气 (D2 )的受激拉曼效应 ,获得一阶斯托克斯 (Stokes)波长2 89nm。通过改变拉曼介质 D2 气压与抽运光能量 ,获得了一阶斯托克斯输出的较佳条件。该波长与 Xe Cl准分子激光波长 30 8nm采用差分吸收方法 ,建立了用于对流层臭氧探测的激光雷达 ,并初步获得了对流层大气臭氧的垂直分布及其时间变化特征。     

转动能级拉曼抽运技术在NO2激光探测雷达中的应用

差分吸收激光雷达(DIAL)是目前探测大气污染成分最有效的方法之一.介绍了一种新型NO2激光探测雷达(NO2-DIAL)差分吸收光源的设计:选择Nd:YAG的三倍频输出激光作为λon(354.7nm),并采用该三倍频激光的圆(或椭圆)偏振光抽运D2拉曼池,选择其中距抽运光波长最接近的第一级纯受激转动拉曼散射光作为特征吸收波长λoff(359.9nm).抽运光的偏振态调制采用1/4波片调谐技术方便地测定和实现.这一方法保证了两个差分激光的中心波长稳定、频漂小、线宽窄,同时系统只需使用一个拉曼池,即可获得同轴性很好的两束激光输出,在技术指标的提升和经济性两方面都具有很大的优势.     

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。     

基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测进展

差分吸收激光雷达具有探测距离远、灵敏度高、响应时间快等特点,可用于大范围大气有毒有害气体的遥感监测,成为近年来大气有毒有害气体激光遥测技术发展的重点。首先阐述了差分吸收激光雷达大气遥测基本原理,其次从激光器应用和系统平台发展两个方面分析了该技术的技术发展现状,最后提出了宽光谱、多波长、新探测体制的激光雷达、多平台应用、复合系统将成为未来基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测发展方向。     

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。     

基于OPO激光器探测低空CO2激光雷达系统性能研究

阐述了差分吸收激光雷达探测低空CO2浓度的原理,分析了系统的信噪比,对一种DS系列的OPO激光器用于探测低空CO2进行了仿真.激光脉冲能量为2ml,重复频率为10KHz,5×104(5Sec)个脉冲积累,探测器采用InCaAs/InP - APD,量子效率大于10%,得出结论:不考虑背景噪声情况下(夜间工作),在高度10km处信噪比约为10:1,因此夜间可探测10km以下的CO2浓度;考虑背景噪声情况下(白天工作),采用1.5nm的窄带滤波器,在高度6.7km处信噪比约为10:1,因此白天可探测6.7km以下的CO2浓度.从仿真结果看,该系统探测距离远,所需积累时间短,有利于激光雷达探测低空CO2性能的提高.     

2kHz毫焦耳级532nm激光雷达紧凑型激光光源的研制

绿光激光雷达是探测大气气溶胶的有效工具。作为光源的激光器对激光雷达有决定性的影响,激光器性能的改善将显著提高激光雷达的探测能力。依据微脉冲激光雷达光源的要求,研制了一台高光束质量、高重复频率、高脉冲能量的紧凑型激光二极管(LD)端面抽运声光调Q毫焦耳级532nm绿光激光器。在2kHz的重复频率下,获得了脉冲能量为0.9mJ、脉宽为22ns的绿光输出,光束M2因子小于1.76、能量不稳定度为±2%。该激光器有助于提高微脉冲激光雷达的探测距离、探测速度和探测精度。     

水汽差分吸收激光雷达发射机935 nm高功率光参量振荡器

水汽分子的3强振动吸收带位于935 nm附近,差分吸收激光雷达在这个波段具有高探测灵敏度。不幸这一波段位于Ti:Sapphire激光器增益带宽的边缘和Cr:Alexandrite激光器增益带宽之外,染料激光器有较高的自发荧光成分而使其光谱纯度不高,光参量频率转换器可以用作该波段水汽差分吸收激光雷达的发射机。动态稳定的环形谐振腔中有一对走离补偿的、70.7切角的KTP非线性晶体。它由种子注入单纵模Nd:YAG激光器的二倍频532 nm光脉冲泵浦,脉冲重复频率10 Hz。通过935 nm分布反馈半导体激光器种子注入和ramp-hold-fire方法,主动锁定光参量振荡器谐振腔的腔长。发射机平均输出功率达到4.5 W,脉冲长度6 ns,光（532 nm）-光（935 nm）转换效率大于17%,光频的短程和长程频率稳定性30 MHz（RMS）。光束质量M2大约7.8,光谱纯度可以达到99.9%。它将是空间探测大气水汽廓线遥感器的候选光源之一。     

单频脉冲激光器的分子吸收光谱频率稳定技术研究

单频脉冲激光器的频率稳定性显著地影响直接探测多普勒激光雷达的风速测量准确性,工作在半导体抽运Nd…YAG激光器倍频532nm的种子注入脉冲激光器的典型自由频率漂移可达15MHz/min,相当于4m/s风速误差。基于碘分子吸收光谱稳频原理,采用Labview虚拟仪器控制技术,对种子注入脉冲放大式的半导体抽运Nd…YAG激光器进行稳频,实现了脉冲激光器的频率扫描、碘分子1109光谱吸收线的自动匹配和频率锁定。长时间(大于2h)频率漂移标准偏差为0.8MHz,等效风速误差为0.2m/s,达到直接探测多普勒测风激光雷达长时间测量对脉冲激光器的频率稳定要求。