机载激光雷达测量二氧化碳浓度误差分析

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化碳浓度的有效手段。研究了机载路径积分差分吸收激光雷达测量二氧化碳柱线浓度的主要误差项,分析了这些误差项导致的二氧化碳柱线浓度反演误差。介绍了机载差分吸收激光雷达基本工作原理,并理论分析了大气温度、压强和水汽不确定性误差,激光频率稳定性和飞机姿态速度测量不确定性等系统误差,以及不同地表反射率产生的随机误差。分析结果表明:在二氧化碳浓度380 ppm(1 ppm=10-6)时,机载激光雷达二氧化碳柱线浓度综合测量误差约为0.71 ppm,满足1 ppm的二氧化碳柱线浓度高精度测量需求。     

气体浓度检测光学技术的研究现状和发展趋势

综述了近些年来国内外痕量气体浓度检测技术研究的最薪进展.首先对传统的非光学气体浓度检测技术作出了简单的介绍,包括超声波技术、气敏法、热催化法、气相色谱法、干涉法应用技术,被动检气管法,然后重点阐述了基于光谱学分析气体浓度检测技术的最新发展动态,其中分别对差分吸收光谱技术(DOAS)、傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、可调谐激光二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)、差分吸收激光雷达(DIAL)和拉曼散射激光雷达、激光诱导荧光光谱技术、激光光声光谱技术进行了详细介绍,最后提出了现代气体浓度检测技术的发展方向.     

用于CO2排放源监测的近红外光参量振荡系统

基于CO2的近红外吸收光谱特征,提出了一种可用于CO2排放源监测的光参量振荡(OPO)和放大(OPA)系统,该系统由输入OPO的激光双种子源、OPO和OPA、带窄线宽激光种子源脉冲Nd∶YAG基频激光器、高精度和频率稳定的双通道波长计等组成,可交替输出1.572 μm的双波长激光束.系统经初步调试后,泵浦脉冲能量为326mJ时获得近25％的转换效率,脉冲能量近80mJ,满足地基差分吸收激光雷达测量对流层CO2浓度廓线的需要.     

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。     

红外多谱线吸收激光雷达

在激光光谱学中,差分吸收光谱方法很好地解了背景吸收对测量的影响,并常用于各种激光探污雷达中。但差分吸收方法由于所选用的两条谱线的隔离,参考线的背景吸收并不能完全代替吸收线的背景吸收,常常伴有其他干扰成分的微弱吸收峰,影响了测量结果。 本文在差分吸收激光雷达方程的基础上,考虑在各参考线上有微弱吸收峰的情况,由     

甲烷红外吸收光谱随环境变化关系研究

基于气体谱线展宽理论,数值模拟了甲烷泛频带2ν3的R(9)支吸收线型。利用可调谐半导体激光器从实验上测量了甲烷2ν3的R(9)支吸收线型。通过扫描1637.6～1637.92 nm甲烷混合气体的吸收光谱,计算得到甲烷自展宽系数(0.0725±0.008)cm-1/atm,空气碰撞加宽系数为(0.0335±0.0012)cm-1/atm。并首次从理论上给出了甲烷1637.8 nm吸收峰中心波长,在标准大气压条件下,随甲烷浓度变化的关系。对提高激光调制技术测量气体精度,具有重要意义。     

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.     

基于边缘探测技术的激光雷达系统设计

基于边缘探测技术的激光雷达系统中,确定分子吸收池滤波器的吸收光谱谱线,以及确定发射激光信号的中心频率,是实现激光雷达系统设计的核心问题。依据不同信道中布里渊散射的特性,仿真出碘分子吸收池在470~550 nm区间的吸收光谱,在此基础上确定激光雷达系统激光中心频率的选取和鉴频器的设计方法。以大气和海水典型信道为例,论证了该方法在基于边缘探测技术的激光雷达中的实际应用。     

基于边缘探测技术的激光单稳频指标分析

基于边缘探测技术的激光雷达实际应用中,激光器在工作中发射光信号的中心频率会发生漂移,激光频率的漂移过大,会直接影响边缘探测系统的测量精度。采用仿真计算的方法得到碘分子吸收滤波器在470nm~550nm范围内的吸收光谱谱线,以基于边缘探测技术的激光雷达监测大气信道和海洋水下信道环境参数为例,得到适合大气和海洋探测吸收谱线并确定发射激光信号的中心频率。通过理论分析,给出了满足探测要求的激光发射信号单稳频指标,为实际探测系统的设计奠定基础。     

AML-2车载激光雷达测量臭氧的大气后向散射系数项修正方法研究

对于准同时发射两个波长激光的差分激光雷达,在测量时间内,大气波动对两个波长的激光回波信号的影响可能是不相同的.已有的大气修正方法是基于两个波长激光回波信号受到相同大气波动的基础之上,不适用于这种准同时的工作方式.提出了一种新的大气后向散射系数项修正方法,即利用Klett积分法,分别算出差分吸收激光雷达中两个波长激光的大气后向散射系数,得出大气后向散射系数修正项.这种方法应用于AML-2车载激光雷达测量臭氧的数据处理中,比对实验和大量的外场测量结果表明,这种修正方法是可行的、合理的.     

探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达,采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法,对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究,取得了边界层内的大气温度数据。结果表明,该激光雷达测量的大气温度在0km~2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性,激光能量为100mJ,测量时间约为17min,垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K,可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量;如果要使测量的高度进一步增加,可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。     

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。     

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。     

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.     

相干激光测风雷达高分辨距离门自适应技术研究

脉冲相干激光测风雷达的信号处理通常采用固定长度距离门来划分时域信号,并对每个距离门做频谱计算得到风速度信息。固定距离门的时域信号划分存在中频信号的非整周期截断问题,导致频谱计算时出现频谱泄露而产生误差,使信噪比降低。文中提出一种基于整周期搜索的自适应距离门划分方法,距离门长度与中频信号频率自适应,可实现对信号的整周期分割,避免了频谱处理中的频谱泄漏问题,提高频率估计精度。采用加噪信号对两种处理方法进行仿真分析,结果表明:自适应距离门方法可实现距离门长度与中频信号的自适应,在信噪比小于1 dB时,该方法得到的中频估计误差是固定距离门方法的38%~62%。应用自适应距离门方法处理激光测风雷达系统获取的转盘和风场回波信号,与使用固定距离门方法的激光测风雷达测量结果进行对比。结果表明:自适应距离门划分方法对转盘速度测量的均方根误差为0.19 m/s,大气风速度测量的距离分辨率在7~11 m之间变化,均优于固定距离门方法,实现了激光测风雷达的距离分辨率和测量精度的提升。     

激光器重复频率对多普勒激光雷达信噪比影响的模拟研究

多普勒激光雷达在风场测量和数值天气预报等方面有重要意义,而信噪比则是衡量系统测量精度的重要参数.以2007年中国海洋大学研制的我国第一台车载多普勒测风激光雷达系统为参考,模拟了在相同平均功率下,使用4种重复频率不同的激光器的激光雷达系统测量海面风场中的信噪比,并与汕尾测量的海面风场数据进行了对比,模拟数据和实测数据能够较好吻合,模拟结果证明使用低重复频率激光器的激光雷达系统能够获得较高的信噪比.而根据多普勒激光雷达业务测量要求,要求比较高的激光重复频率,通过模拟研究,建议选择激光器激光重复频率500～1000 Hz.     

高超声速目标相干双频激光雷达探测技术

为研究双频激光雷达技术在高超声速目标探测方面的应用,理论分析了激光在等离子中的吸收衰减特性,以RAM-C实验数据为参考,通过仿真计算得到不同高超声速飞行场景下钝头体模型的等离子体电子密度,验证了计算的准确性。计算得到钝头体驻点线上温度分布范围为8 000~16 000 K,并结合理论分析得到了激光在等离子体鞘套中的衰减与电子密度、温度和激光频率的关系,表明等离子体鞘套对激光的吸收十分微小;通过对双频激光和单频激光在湍流传输中回波信噪比的对比分析,得到了双频激光的抗湍流干扰特性。由此表明双频激光雷达是探测高超声速目标的有效方式。