半导体激光雷达的斜程能见度测量方法

针对雾天或多云天气等不均匀大气中斜程能见度难以测量的问题,提出了利用905 nm半导体激光雷达探测大气斜程及水平能见度的方法,能够探测50～2 000 m能见度范围.介绍了半导体激光雷达的系统结构,利用激光雷达测量大气能见度的原理,探测大气斜程平均能见度值.详细阐述了一种稳定的通过大气消光系数反演能见度的迭代算法,可实现迭代边界值最大距离的自动化选取,提高了迭代结果的可靠性.通过模拟计算,对该迭代方法的精度进行了评估.结果显示:50、200、800、2 000 m的能见度,迭代精度分别为33%,2%,0.1%,0.3%,由于采样点少导致极低能见度的迭代精度较低.     

激光雷达观测斜程能见度反演方法

目前基于激光雷达测量能见度的反演算法可以较为准确地反演均匀大气条件下的水平能见度,对云雨雾等非均匀大气条件下斜程能见度的准确反演较为困难。为了准确探测复杂大气条件下的斜程能见度,分析了激光雷达探测大气能见度的反演算法,重点针对非均匀大气条件下能见度难以准确反演的问题,提出了一种将Collis斜率法与Klett后向法相结合的能见度反演迭代算法,适用于不同天气条件下不同倾角路径平均能见度的反演。利用车载式激光雷达系统对能见度进行了实际测量,实验表明:在均匀大气条件下,该迭代算法与广泛使用的Collis斜率法和Klett后向法完全吻合;对于非均匀大气条件,该迭代算法也可克服Collis斜率法和Klett后向法的局限,更为快速稳定准确地反演出需要的大气能见度信息。     

考虑多次散射影响的斜程能见度反演方法研究

提出了一种在低能见度天气条件下考虑多次散射影响时激光雷达反演斜程能见度的组合算法。首先,根据Koschmieder定律构建能见度方程,确定斜程能见度与大气光学厚度的依赖关系;其次,根据多次散射激光雷达方程采用双仰角法反演大气光学厚度,并采用半解析Monte Carlo法计算多次散射对单次散射比值;最后,求出考虑多次散射影响时的斜程能见度。使用地基激光雷达垂直探测进行斜程分解的回波信号数据,进行了实验验证。结果表明,在能见度小于1km时,考虑与未考虑多次散射影响的斜程能见度相对误差达9%,并且随着能见度的降低,多次散射对单次散射比值逐渐增大,多次散射作用增强。因此,研究低能见度天气条件下,多次散射的影响是非常必要的。     

便携式激光雷达能见度仪的研制

介绍了正在研制的用于较低能见度测量的便携式激光雷达能见度仪,给出了用能见度仪测量斜程能见度的测量原理,并分析了大气气溶胶消光后向散射比对能见度测量的影响。详细描述了便携式激光雷达能见度仪的系统结构和时序控制。便携式激光雷达能见度仪具有体积小,结构紧凑的特点,可用于机场等地斜程能见度的准确测量。     

激光雷达斜程探测的对流层气溶胶空间分布

介绍了一台以直接探测方式工作的用于大气气溶胶测量的小型Mie散射激光雷达系统.利用该系统对苏州城区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,得到了气溶胶消光系数分布随时间的演变图.探测结果表明:在对流活动比较复杂的12 km以下高度范围内,气溶胶的消光系数分布极不稳定,不同日期乃至不同时刻都发生很大的变化.同是晴朗天气,气溶胶消光系数分布相差1个数量级左右.这些结果不仅全面直观地反映了大气空间气溶胶消光系数的垂直分布情况,而且清楚地显示了这一分布随时间的整体变化趋势,对于实时的大气环境监测具有重要意义.     

多次散射影响的激光雷达斜程能见度反演方法

针对低能见度天气条件下的多次散射影响,提出一种根据多次散射激光雷达方程反演斜程能见度的改进方法.首先,根据后向散射峰值拟合散射相函数,采用半解析蒙特卡罗法计算多次散射修正系数m;其次,根据Collis法求解能见度级数值,并将相应m值代入多次散射激光雷达方程;然后,采用Fernald法反演消光系数,求解斜程能见度;使用激...     

基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

大气湍流广泛存在于大气中, 其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相 干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据, 另一方面基于Kolmogorov 局地均匀各项同性理论, 即在惯 性子区内湍流的特征只与湍能耗散率 ε 有关, 将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中, 通过实测 数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合, 从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数 (径向风速 方差、湍流积分尺度和 ε 等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征, 给出大气湍流参数的斜程空间分布图, 并与 同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析, 发现两者具有较好的一致性, 证实了斜程湍流参数反演方 法的可靠性。     

微脉冲激光雷达测量大气水平能见度

为了改进乃至革新大气能见度的探测技术,探索新型、快速、准确测量大气能见度的方法,采用自行研制的能见度微脉冲激光雷达,进行了水平大气能见度测量实验,并同已经商品化的能见度仪NQ-1进行了同步对比测量。实验结果表明,在水平能见度较差时,微脉冲激光雷达和能见度仪具有很高的相关性,相关系数达到了0.88;在水平能见度较好的时候,相关系数保持在0.73以上。说明能见度微脉冲激光雷达系统可以应用于大气能见度的探测。     

激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度

为丰富整层大气气溶胶光学厚度测量手段,提出了一种综合微脉冲激光雷达与地面能见度测量数据的探测方法。该方法首先利用激光雷达数据反演得到气溶胶垂直消光系数廓线,据此计算出气溶胶标高;再利用能见度和消光系数的关系得到近地面水平方向的消光系数;最后,将近地面消光系数和标高结合,从而得到整层大气气溶胶光学厚度。将该方法应用于合肥地区,成功得到该地区整层大气气溶胶光学厚度的昼夜变化趋势,验证了该方法的可适应性。     

斜程路径大气相干长度的测量

介绍了一种斜程有限距离上大气相干长度的测量系统和方法,用系留气球搭载一个点光源,在地面用差分像运动测量法测量光波到达角起伏方差来确定实时的斜程大气相干长度值,与湍流廓线测量实验进行了对比,实验结果分析光学湍流廓线积分与相干长度仪测量二者的相关性较好.     

后向散射式激光雷达能见度探测研究

根据大气后向散射原理,设计了一台激光雷达能见度仪.在详细介绍系统结构的基础上,阐述了回波信号的数据校准方法,通过采用一种新的基于Fernald方法的迭代算法反演消光系数,获得了较高的能见度测量精度.与美国Belford能见度仪的外场对比实验表明,该激光雷达能见度仪相对测量误差在20%以内.     

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。     

直接探测测风激光雷达的性能分析

综述了激光雷达大气风场测量的方法，提出了采用直接探测到量三维风场分布的F-P干涉仪方法，简述了测量原理，分析了系统的性能和测量误差，比较了基于分子散射和气溶胶散射的系统测量精度，给出了基于瑞利散射的激光雷达系统方案。     

小型Mie散射激光雷达信号校准及能见度测量

详细介绍了小型Mie散射激光雷达近场信号的校准方法;数值模拟了理想情况下的平行光轴以及实际中光轴失调情况下的几何重叠因子,并对光轴失调的原因和影响进行了讨论;同时还介绍了利用多项式拟合确定几何重叠因子的实验方法,这种方法无需假设大气水平均匀.尝试利用Fernald迭代算法确定水平大气的消光系数,并与Vaisala能见度仪和AethalometerTM黑炭仪的测量结果进行了对比,具有很好的相关性,从而证明了上述方法的可靠性.     

Mie散射激光雷达回波信号处理方法

为了提高Mie散射激光雷达测量斜程能见度的精度,提出了一种回波信号处理的组合算法。首先,采用基于经验模式分解(EMD)的自适应算法,去除回波信号中的高频噪声,提高信噪比。其次,采用基于不动点原理的迭代算法进行消光系数的反演,它不需要准确的边界值就可计算消光系数均值,同时还能得到准确的边界值,可用于求取消光系数的分布。数值仿真表明:EMD算法比五点三次平滑去噪算法输出信噪比提高4.67 dB,不动点迭代算法比最小二乘法估算消光系数边界值算法反演得到的消光系数均值的相对误差减小31.50%,而迭代次数只有3~5次,因此该组合算法是有效的。     

高低空一体化测风激光雷达

高时空分辨率的大气风场探测对提高数值天气预报的准确性、大气动力学过程的研究、气候研究等具有很重要的意义。介绍了基于双Fabry-Perot标准具的直接接收激光多普勒测量原理。提出了40 km的高低空大气风场同时观测的技术方法。给出了利用大气气溶胶和分子散射信号的Mie-Rayleigh多普勒测风激光雷达的系统结构,并分析了工作波长、望远镜口径、扫描天顶角和标准具参数等激光雷达系统参数。研究了扫描角度误差、气溶胶后向散射信号、大气温度对风场探测精度的影响。分析了雷达系统的总体性能,得出在40 km高度处,当距离分辨率为500 m、时间分辨率为30 min时,水平风速探测精度优于6 m/s,可以满足有关应用的要求。     

改进的牛顿法确定大气消光系数边界值

在用激光雷达方程反演大气消光系数时,大气消光系数边界值对反演精度影响较大,而在低层大气中该值较难确定。文中提出了一种基于改进牛顿法的大气消光系数边界值确定方法,其核心思想是,把确定大气消光系数边界值的问题转化为求非线性方程的数值解。首先,根据大气消光系数边界值与激光雷达回波信号功率以及大气光学厚度之间的关系,假设大气消光系数边界值为x,构建一个非线性方程。其次,采用改进的牛顿法求非线性方程的数值解,得到大气消光系数边界值。使用香港天文台装置在香港国际机场的多普勒激光雷达回波信号数据,对该方法的可行性和可靠性进行了验证。结果表明:利用该方法确定边界值,可以较为准确地反演出低层大气消光系数。该方法收敛速度快,迭代次数少,并且不需要计算导数值,极大地减少了运算量,具有较强的实际应用价值。     

多普勒测风激光雷达数据处理方法分析

介绍了基于双Fabry-Perot标准具的测风激光雷达的工作原理,分析了大气分子散射对风速测量的影响,并给出了相应的数据处理方法。模拟并分析了两种不同迭代初值在1～3次迭代时产生的系统测量误差,给出了1 km和5 km处风速的测量误差。利用自行研制的一台多普勒测风激光雷达对合肥地区对流层风场进行测量,并用两种方法处理了实验数据。结果表明,改进的数据处理方法是切实可行的。