星载激光雷达探测海面风速昼夜差异研究

采用夜间数据反演海面风速已经取得较好的研究成果。由于受到太阳直射光和天空背景辐射等因素的影响,星载激光雷达信号在白天的信噪比较差。基于已有的反演关系模型,采用CALIPSO星载激光雷达532 nm通道2007年1月、4月、7月和10月的单脉冲昼夜数据,将AOD数据用来做大气双程透过率校正,以准同步的AMSR-E v7版本的海面风速为真值,进行反演海面风速的昼夜对比研究。研究结果表明,采用白天数据反演海面风速是可行的。通过采用恰当的关系模型来反演白天风速可以提高探测精度。     

白天观测恒星测量整层大气相干长度

根据差分像运动原理实现了白天通过观测恒星测量整层大气相干长度.根据晴天天空背景的特征在系统中增加滤波片,根据相干长度仪的结构特点在系统轴线处增加光阑,可显著抑制天空背景光.根据天空背景光的特点,选择长波段敏感的探测器有利于白天观测恒星.该实验获取了全天的整层大气相干长度,特别是获取了晨昏时段的整层相干长度.实验结果表明...     

多普勒激光雷达运动测风数据降噪处理

车载测风激光雷达在进行移动测量时,激光雷达在各个方位的累积时间变短,另外还有天空背景光、大气湍流、机械振动的干扰以及暗噪声、电子学噪声的影响,回波信号的信噪比会因此降低,从而限制激光雷达的探测范围。在风廓线的反演过程中利用窗口大小随距离变化的滑动平均滤波器和中值滤波器可将12~15 km的平均信噪比提高2.8倍,因而可有效提高探测距离。     

红外K波段白天探测能力分析验证

对空间目标白天探测的关键技术,包括大气透过率分析、天空背景辐射分布、探测能力计算等进行了研究。在此基础上选取K波段光谱在1.23 m口径地基光电望远镜上进行白天观测实验,对关键技术进行验证。实验数据表明,经过优化设计此系统在30俯仰角时白天极限探测10.38等星,较未优化前白天探测能力提高24.9%,为中高轨卫星的全天时观测提供重要依据。     

瑞利多普勒激光雷达超窄带滤光器的设计

目前中国科学技术大学车载激光雷达已经实现了对于15~60 km中性大气风场的夜间连续观测,鉴于白天观测的信噪比受到背景光的限制,因此,设计了一种利用现有干涉滤光片结合固态FP标准具的超窄带滤光器,用于实现背景噪声的降低。提出了一种结合鉴频器参数确定FP最佳参数的方法,得出了FP标准具的参数,实现了带宽为8.4 pm、中心波长为354.73 nm、自由光谱间距为150 pm、峰值透过率高于0.67的滤光器,将背景噪声降低到原来的十八分之一。该滤光器有效提高了系统信噪比,减小了风速误差,同时计算了温度、角度变化对滤光器带宽、中心波长和透过率的影响,设计了一种角度调谐的方法。实验结果与理论值具有较高的一致性。     

有限距离大气透过率实验研究

将成像激光雷达这一新型主动大气探测手段运用于水平大气透过率测量研究。采用矩阵图像错位相加法提高信噪比。获取随距离变化的信号之后,通过Klett积分结合斜率法的反演方式获得1km以内水平传输路径上的消光系数分布,对消光系数进行路径积分,计算出水平大气透过率。将反演结果与对比实验中直接测量的大气透过率进行对比分析,发现不同天气情况下两者的相关性系数在0.7以上,相对误差在20%以内。该成像激光雷达设备可进行有限距离的水平大气透过率探测研究。     

拉曼激光雷达测量水汽误差源分析研究

水汽与人类的生活息息相关。常规手段测量水汽的时空分辨率较低有效提高局地短期天气预报的可信度。为加强拉曼激光雷达在气象预报中的应用,有必要对其水汽测量误差进行分析研究。通过自研的拉曼激光雷达测量数据,依据误差传递理论,分析水汽混合比的误差。同时,利用无线电探空仪与拉曼激光雷达对比。分析结果表明：激光雷达测量水汽主要包括标定常数、大气透过率修正和测量信号三个误差源。其中,定标常数误差随高度不变约为4%,是1.5 km以下误差的主要来源;大气透过率修正误差随高度升高而增加,洁净天气下对误差的影响小于4%;测量信号误差在洁净天气下3 km高度以内一般小于20%,在3 km高度以上,成为误差的主要来源。比对结果显示：激光雷达计算误差和比对误差一致性较好。上述分析结果对于提高激光雷达在气象预报中的应用起到很好的辅助作用。     

RML探测大气气溶胶波长指数的不确定分析

为了提高喇曼-米散射激光雷达探测大气气溶胶波长指数的精确度,利用不确定度传递公式对其不确定性进行了详细的理论分析,并结合喇曼-米散射激光雷达在合肥西郊的实际探测例子进行了实验研究,计算了信号、大气透过率比值和散射比参考值的相对不确定度,在高度6km以下信号相对不确定度一般小于30%,透过率比的相对不确定度一般小于4%,散射比参考值相对不确定度大小则由参考值与实际值差异而定.结果表明,适当增大激光脉冲能量和延长信号采集累计时间、准确标定散射比参考值可有效减小喇曼-米散射激光雷达探测大气气溶胶波长指数的不确定性.     

采用原子滤光的激光雷达白天探测技术

在已有的双波长高空探测激光雷达的基础上,通过采用钠原子滤光器技术以及配合相应的关键技术,使得其中的钠层荧光通道具有了白天探测能力。由于钠原子滤光器极窄的滤光带宽和极强的带外抑制,使得即使在中午太阳背景光最强的时段,也能以光子计数方式探测到80～110 km高空钠层的微弱回波信号。实验观测结果表明,该技术已具备了对高空钠层的全时段探测能力,从而使利用激光雷达对我国高层大气进行24 h连续探测研究成为可能。     

白天天空背景对昼夜大气相干长度仪数据影响

昼夜大气相干长度仪实现了全天候连续观测恒星,是一种大气相干长度的常规观测仪器。主要分析了白天天空背景光引起的大气相干长度测量误差,提出了适合于工程应用的图像消噪方法,并进行了数值仿真,结果表明:该消噪方法能有效抑制白天天空背景引起的图像传感器噪声,使其在最大天空亮度观测3.5等星时所引起的大气相干长度测量误差减小到1.434%,扩大了选星跟踪范围,证实了该消噪方法应用于提高仪器测量精度的可行性和白天星像质心提取的准确性。     

瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算

设计了一台探测大气温度和气溶胶的瑞利-米散射激光雷达。对不同参数的大气后向散射回波信号信噪比进行了数值仿真计算,讨论了激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜口径、空间分辨距离以及窄带干涉滤光片的带宽和透过率对激光雷达回波信号信噪比的影响。根据仿真结果,设计的激光雷达在白天时,气溶胶的米散射信号采用1 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了10.6 km;中层大气温度的瑞利散射信号采用0.2 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了47.1 km。     

红外望远镜站址大气传输和环境背景特性的测量分析研究

大口径的地基红外望远镜必须安装在具有良好大气条件的观测台站才能充分发挥其性能,天空背景辐射和大气传输特性是地基红外望远镜站址选择所需考虑的重要内容。采用消光-小角度散射法在西藏羊八井实测了太阳直接红外辐射和大气背景红外辐射,并根据备选站点的大气参数,采用CART软件计算了当地8~14 m波段整层垂直大气的光谱透过率、太阳直接光谱辐射和地面大气垂直向下的背景光谱辐射,以及相关量的波段积分值,这些结果有助于地基红外太阳望远镜的站址选择。     

合肥上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

为研究中层大气分布情况,采用自行研制的532 nm瑞利（Rayleigh）散射激光雷达,对合肥地区（31.90 N,117.170 E）25~40 km高度范围内的大气密度和温度廓线分布进行观测。将瑞利散射激光雷达所测结果与NRLMSISE-00大气模型数据进行对比,以验证瑞利散射激光雷达性能及数据处理方法的可靠性。通过数据对比得出,在25~40 km高度范围内,瑞利散射激光雷达获得的大气密度值与NRLMSISE-00大气模型密度值的比值为0.99~1.03;瑞利散射激光雷达所测温度值与NRLMSISE-00大气模型数据的温度偏差均值约为2.8 K,其中38 km以下两者温度偏差约为1.6 K。数据对比说明,瑞利散射激光雷达观测值与NRLMSISE-00大气模型数据具有较一致的密度分布特征和温度分布特征,瑞利散射激光雷达的观测结果能够较真实地反映合肥上空25~40 km高度范围内的大气密度和温度分布。     

可见到近红外波段整层大气透过率的测量

通过测量太阳辐射值计算整层大气透过率的方法简单易行且精度高。利用自行研制的整层大气透过率仪测量可见到近红外波段的太阳直接辐射连续光谱，在可靠定标的基础上，推算出实际天气条件下的整层大气光谱透过率。利用Langley—plot方法对整层大气透过率仪进行标定，得到了仪器标定结果和不同时刻整层大气透过率随波长变化的曲线。将计算得到的整层大气透过率与太阳辐射计PGS-100的测量和MODTRAN计算的结果分别进行了比较，发现有较好的一致性，从而证明整层大气透过率仪设计合理，测量数据可靠。     

可见到近红外波段整层大气透过率的测量

通过测量太阳辐射值计算整层大气透过率的方法简单易行且精度高。利用自行研制的整层大气透过率仪测量可见到近红外波段的太阳直接辐射连续光谱,在可靠定标的基础上,推算出实际天气条件下的整层大气光谱透过率。利用Langley-plot方法对整层大气透过率仪进行标定,得到了仪器标定结果和不同时刻整层大气透过率随波长变化的曲线。将计算得到的整层大气透过率与太阳辐射计PGS-100的测量和MODTRAN计算的结果分别进行了比较,发现有较好的一致性,从而证明整层大气透过率仪设计合理,测量数据可靠。     

瑞利-拉曼散射激光雷达探测大气温度分布

介绍一台用于夜晚探测大气温度分布的L625瑞利-拉曼(Rayleigh-Raman)散射激光雷达。采用Nd：YAG激光器三倍频输出355nm作为发射激光，利用弱光子计数技术检测大气中分子的瑞利散射和N2分子振动拉曼散射回波，分析得到了平流层和对流层中上部大气温度的垂直分布廓线。其观测结果分别与HALOE／UARS卫星和无线电气象探空仪结果进行了对比分析。其中，激光雷达观测的平流层温度与HALOE卫星的结果对比表明，它们在高度25～65km内显示出较好的一致性，20个夜晚的平均温度差别基本上小于2K。激光雷达与无线电气象探空仪探测的对流层温度在高度为5～18km内反映了较为一致的分布趋势，15个夜晚的平均温度差别在6～16．5km高度内小于3K。这些结果表明，L625瑞利-拉曼散射激光雷达观测数据可靠，可用于大气温度分布的常规观测和分析研究。     

利用太阳测量整层大气光谱透过率

简要介绍了利用太阳辐射测量整层大气光谱透过率的实验装置、测量原理和数据处理方法.为得到大气光学参数的实际变化规律,设计了由宽光谱范围的平场凹面光栅和高灵敏度的线阵CCD构成的硬件系统,利用太阳直接辐射测量其连续光谱,使用Langley拟合方法进行定标,通过运算得到了实际天气条件下的大气光谱透过率.将实测结果与现有其他设备的测量数据进行了对比,证明了测量结果的可靠性.     

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。     

Applications of excimer lasers to laser-radar observations of the upper atmosphere

Development of efficient ultraviolet (UV) rare-gas halide excimer lasers has added new possibilities for laser radar (lidar) technique for monitoring atmospheric constituents. An experimental result of the observation of the stratospheric ozone layer by a XeCl laser (308 nm) based on the differential-absorption-lidar (DIAL) technique is described. The obtained ozone profile in an altitude range of 15- 25 km are in good agreement with those measured by radiosonde. The measurement error is analyzed for one-wavelength lidar. The accuracy is estimated to be 10-30 percent within an altitude range of 10-30 km and at a range resolution of 1 km or less. The accuracy and the resolution are higher than the Umkehr method. Recent progress of rare-gas halide lasers and their frequency conversion techniques as a transmitter for lidar are reviewed. Many powerful and reliable new sources are available in almost every wavelength over the near UV region. New applications of these UV sources to the lidar system are also briefly discussed, especially from the scientific field on the middle atmosphere.     

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。