大气湍流对相干激光雷达CO2探测精度影响研究

为研究大气湍流对激光回波的光强起伏、漂 移、波前畸变以及偏振退化的影响,计算了大气后向散射回波在不同探测高度下的信噪比 (SNR),结合Hufnagel-Valley模型 分析了球面波大气闪烁调制因子,得到了近地大气光强起伏方差;利用模式匹配数值积分方 法,得到了不同高度的空间 光-单模光纤(SMF)的耦合效率;从光场复振幅和探测面上光斑的爱里斑模型出发,研究了 空间相位起伏对外差效率的影响;最 后基于20m气体池差分吸收探测CO₂浓度的实验数据,分析大气 湍流对外场实验影响。结果表明,大 气湍流会使系统精度降低1.21倍,20m光程下系统精度由424.83×10－6变为514. 04×10－6,性能下降严重。本文所作的分析对差分吸收相干激光雷 达(DIAL)外场实验有重要参考意义。     

距离分辨的相干差分吸收光雷达的灵敏度

我们研制了一种用外差探测的距离分辨的差分吸收光雷达(简称DIAL).它采用混合型TEACO2激光器作发射机的振荡器,能发射140mJ的单频脉冲.最小可探测功率为2×10-11W的外差接收机,能探测5km或更远距离处大气气溶胶后向散射的回波信号.定义系统对目标气体的灵敏度为最小可探测浓度和吸收系数差分的乘积,实验发现,在300m距离分辨范围内,对50次后向散射信号进行平均后,测得的灵敏度为3.7×10-4m-1.     

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.     

各种体制与用途的雷达及系统

Y2000-62079-521 0020773相干和 DIAL 激光雷达=Coherent and DIAL lidar[会,英]//1999 IEEE Conference on Lasers and Electro-Op-tics.—521～524(F)本部分收录7篇论文摘要。介绍了 SPARCLE 计划中空间风测量的相干多普勒风测量激光雷达,用于光学传感的采用振幅压缩局部振荡器的亚散射噪声限制相干光波探测,作为相干雷达光源的平均输出功率0.5W 的宽带纳秒激光器的时间解析发射谱,利用差分吸收激光雷达采用1.67微米波长对甲烷泄漏进行远程监控,微型调幅差分吸收激光(DIAL)雷达系统,先进水蒸汽 DIAL 探测系统。     

在差分吸收激光雷达应用中激光脉冲重复频率的考虑

激光脉冲重复频率(prf)是确定差分吸收激光雷达(DIAL)系统性能的主要因素。本文定量地给出了激光脉冲重复频率对浓度测量精度和最大有效测程的影响。分析了路程平均和距离分辨以及外差检测(相干的)和直接检测(非相干的)的DIAL系统。     

高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

在空间目标探测中,由于远距离、小目标的特点,回波信号十分微弱,传统的激光雷达不能很好地探测如此微弱的信号。而且现在空间目标探测不仅需要距离信息,还希望获得目标的强度、偏振等更加多维的信息。提出了基于Gm-APD单光子灵敏度探测器的四路光子偏振探测系统,以Gm-APD探测器的泊松概率响应模型为基础,推导了回波微弱信号的强度解算公式,通过四路的强度解算出回波信号的偏振信息,在实验室搭建了四路Gm-APD光子偏振探测系统的原理样机,并介绍了四路Gm-APD光子斯托克斯参量的探测实验。在平均每个脉冲回波能量为7.7810-19 J的情况下,获得3.95%的线偏振误差和5.84%的椭圆偏振误差的探测结果。     

多波长水汽探测激光雷达回波仿真及误差分析

大气水汽含量随海拔升高急剧减小,为准确获得水汽浓度随高度的分布,设计多波长发射水汽探测星载距离分辨差分吸收激光雷达(DIAL)。选取波长相差较小,水汽吸收截面不同的4个发射波长:其中3个吸收截面较大的波长作为信号光束,第4个吸收截面较小的波长作为参考光束,分3组对不同海拔高度处的水汽浓度进行分段探测。对4个发射波长的回波信号进行了仿真模拟,为验证其水汽探测能力,在白天和夜晚对3组波长水汽浓度探测的相对误差进行分析讨论。结果表明,在相对误差小于20%的情况下,该多发射波长星载距离分辨差分吸收激光雷达系统可以实现白天对流层(小于12 km)、夜晚平流层底以下(小于15 km)水汽浓度的探测。理论上初步证实了该多波长星载距离分辨差分吸收激光雷达能全天时精确地探测对流层水汽浓度分布。     

1.57μm IPDA激光雷达云回波信号CO2柱浓度测量研究

路径积分差分吸收(IPDA)激光雷达可装载于飞机或卫星上探测大范围大气CO₂浓度，具有全天时和探测精度高的优势。全球云的平均覆盖率可达60%，因此在激光穿透大气射向地面的探测过程中，除了地面和海洋回波信号，还有很多云层回波信号。结合机载大气探测激光雷达(ACDL)信号采集特点，针对复杂的云层回波信号，提出一种基于中位数绝对偏差的离群值筛选法提取信号，可分离多层云回波信号及云层与地面回波信号同时存在的信号。分析云信号的探测能力，并利用云层回波信号积分值反演云上CO₂柱浓度，结果与原位测量仪测量结果变化趋势一致，二者偏差为2.8μL/L。     

探测受声波调制的激光漫反射回波信号

基于光电接收目标的漫反射光原理,采用红外激光探测室内声波,在对目标特性研究和漫反射回波信号光功率估算的基础上,设计和研制了实验系统。用红外激光探测从玻璃目标返回带有受声波调制的激光漫反射回波信号,在6-63 m距离及直接反射光线与探测器光轴之间的夹角β≤±4°时,可以听见所探测到回波信号中的声音;当β=4°-15°时,可以探测到激光漫反射回波信号,但听不到声音。实验证明,利用漫反射激光探测室内声音的方法是可行的。     

激光外差实验研究

利用激光外差探测原理实现综合孔径激光雷达探测越来越受到关注。通过二极管泵浦固体激光外差探测实验,实现了实验平台上接受目标反射微弱回波信号的外差探测,得到了信号光功率与本振光功率之间数量级差别的阈值范围,总结了实现激光外差探测应用于综合孔径激光雷达领域的条件。     

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。     

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     

大气CO_2相干探测激光雷达系统性能分析

探测大气CO2浓度对气候环境的研究具有重要意义.采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比.目前1.5 μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5 μm可能成为未来探测大气分子或气溶胶激光雷达的主流波长.阐述了激光雷达相干探测大气CO2的原理,设计了1.5 μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5 μm相干探测CO2是可行的,经过3 min的脉冲积累,在3 km处仍具有高于10的信噪比值.该激光雷达相干探测系统也可用于大气风场探测.     

Performance evaluation of differential and discriminator detection of continuous phase modulation

Recently, bandwidth efficient constant-amplitude digital modulation schemes have also been shown to be power efficient when coherent detection is used. Partial-response continuous phase modulation (CPM) schemes are within this class. In some applications noncoherent detection is preferred. The performance of CPM systems is analyzed for differential and discriminator detection. An additive white Gaussian channel is assumed. The detectors make symbol-by-symbol decisions. The considered schemes are M-ary with an arbitrary modulation index and pulse shaping over several symbol intervals. The performance is analyzed by means of error probability expressions. The IF filter for the detectors is optimized within a special class of filters to give good performance. The differential detector is also analyzed on a Rayleigh fading channel. The fading is assumed to be slow. The IF filter is also optimized on this channel. Simulated error probabilities for discriminator detection with a Viterbi detector are also presented both for the Gaussian and the Rayleigh fading channel. The discriminator detector making symbol-by-symbol decisions is simulated on the Rayleigh fading channel. It is shown that partial-response CPM schemes with good performance can also be obtained with noncoherent detectors.     

CO2差分吸收激光雷达测量灵敏度的数值分析

针对直接探测长程CO₂差分吸收激光雷达系统,分析了对测量灵敏度产生影响的两个主要因素:大气湍流和激光斑纹,得到了测量灵敏度与大气湍流和激光斑纹之间关系的数值计算结果。结果表明,在高度小于350m时,增加设备离地高度可以有效地提高测量灵敏度;在高度大于350m后,改变系统参数可以有效地提高测量灵敏度。     

Differential absorption lidar sensing of ozone

The differential absorption lidar (DIAL) technique for deriving O/sub 3/ profiles from lidar measurements is discussed. The US National Aeronautics and Space Administration's airborne DIAL system is described, and examples of a broad range of O/sub 3/ and aerosol measurements are presented from a number of field experiments. The airborne and ground-based DIAL measurements discussed demonstrate the outstanding capability of lidar for conducting O/sub 3/ investigations throughout the troposphere and lower stratosphere under widely different atmospheric conditions.<>     

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.     

一种基于宽频光源和FP腔滤波的CO2检测系统

介绍了一种基于宽频光源和法布里-珀罗谐振腔(Fabry-Perot,FP)结构的CO2检测系统。该系统为主动光学系统,结构简单、系统信噪比高。从差分吸收激光雷达原理出发,阐述了该系统的基本工作原理,使用HITRAN数据库模拟大气环境,设计系统参数,确定系统工作波段为1.57μm,光源为L波段超辐射LED光源(Super LED,SLED),能量波动值Rip为50dB,输出功率为24.51mW,接收端滤波器为光纤FP腔滤波器,工作中心波长为1.55μm,带宽为60nm,通道间隔为50GHz,设计系统探测误差为2×10-6。     

BER analysis of GMSK with differential detection in a land mobilechannel

The BER performance of a land mobile radio communication system with GMSK modulation is analyzed using one-bit differential detection. In particular, the effect of the IF filter bandwidth on the BFR is analyzed. The optimum bandwidth for the IF filter is found to be a function of signal-to-noise power ratio, signal-to-co-channel-signal power ratio, and signal-to-delayed-signal power ratio. Several graphs are presented to illustrate the effect of the IF bandwidth in the presence of Doppler spread and frequency-selective fading