微脉冲米散射激光雷达系统的产品化研发及实验观测研究

采用模拟探测技术研发了具有三维扫描功能的微脉冲米散射激光雷达产品,用于高密度气溶胶聚集地区的大气气溶胶光学特性及云的精确探测。详细的介绍了该系统的整体结构、系统控制和数据采集处理软件。利用该系统对西安地区气溶胶及城市边界层特性进行观测研究,实验结果表明：在激光脉冲能量为50μJ,望远镜接收孔径为254mm,信号平均时间40s及距离分辨率为7.5m的条件下,系统测量气溶胶的有效距离可达到白天5公里左右,夜晚15公里。系统可以为研究大气变化,特别是为研究颗粒污染物的产生,传输和扩散的特性提供科学的测量数据。     

MPL-A1/T型微脉冲激光雷达的研制与应用

微脉冲激光雷达(MPL)是大范围探测大气气溶胶廓线的理想工具,在简单说明原理的基础上介绍了MPL的特点与应用;针对同轴和非同轴结构的MPL,重点讨论了在研制过程中的关键技术;给出了研制的MPL-A1型和MPL-T型MPL探测大气气溶胶消光系数廓线、云层结构和实际连续观测的结果.     

透射式同轴微脉冲激光雷达研制

微脉冲激光雷达(MPL)是大范围探测大气气溶胶廓线的理想工具,从MPL的实际应用情况来看,目前的MPL成本造价偏高,抗环境变化能力有限.这些不足之处都与MPL采用反射式同轴结构设计有关.详细分析了反射式同轴结构存在的不足,并阐述了透射式同轴结构的微脉冲激光雷达(MPL-T)的优点,如:结构更为简单、长期稳定性更好、成本进一步降低.详细介绍了已经研制出的透射式同轴微脉冲激光雷达的特点和对比测试结果.     

微脉冲激光雷达探测信号的数值模拟计算

本文对微脉冲激光雷达探测的大气后向散射回波信号进行了数值模拟计算，计算结果得到了实验的验证，并就激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、滤光片半宽度以及接收视场等系统参数对微脉冲激光雷达探测回波信号信噪比的影响进行了较为详细的分析和讨论。     

微脉冲激光雷达对城市大气气溶胶污染过程相关的观测分析

近年来,由于经济的快速发展,引起了人类生产活动的变化,同样也使得因人类活动引起的大气溶胶污染问题变得越来越明显,加之我国的气候特点,在春季受到沙尘气溶胶的影响,使大气环境问题变得越来越严重。通过微脉冲激光雷达探测器能对大气气溶胶的演变规律和垂直分布的特征进行很好地观测,从而为控制城市大气污染提供相应参考。     

微脉冲激光雷达的气象应用

微脉冲激光雷达（MPL）是探测气溶胶、云雾和水平能见度的有效工具,具有性能稳定、结构简单、便于移动、探测数据准确、对人眼安全等特点。主要介绍微脉冲激光雷达的原理,两种激光雷达数据处理的方法（斜率法和Fernald法）,及其在气象领域的应用,主要包括：（1）水平能见度以及大雾监测;（2）精确地探测云高、云厚、云区的消光系数和云的层次等信息;（3）大气气溶胶的垂直分布和演变过程。     

偏振微脉冲激光雷达测量颗粒物污染变化的个例研究

基于背景及原理的介绍,展示了研制的偏振微脉冲激光雷达。具有体积小、造价低、可移动性强、性能稳定等特点。在介绍偏振微脉冲激光雷达的原理、结构和性能参数的基础上,对MPL-TP1于2009年11月23日在广州越秀区一个连续时段的测量结果进行了分析,得到了一次污染的形成过程的一些变化特征。     

微脉冲激光雷达探测大气气溶胶定标反演新方法

利用一种新的自适应定标反演方法在有效探测高度内确定标定值,反演微脉冲激光雷达(MPL)回波信号,并同另外一台激光雷达系统在相同时间、相同地点的探测结果进行了对比。对比结果显示利用该方法得到的结果能够同大气实际情况吻合地较好。应用该算法对连续12h的观测(共25组)数据进行批处理,结果正确反映了当时的天气状况。这说明该算法应用于MPL信号处理时具有很好的稳定性。     

南京北郊气溶胶观测

介绍了南京北郊大气气溶胶观测及其数据分析结果。利用Raman-Rayleigh-Mie激光雷达系统对南京北郊气溶胶进行常规观测,并对观测数据进行反演分析。详细分析了米氏散射气溶胶消光系数的反演结果随边界值变化的灵敏度,提出了较为准确的气溶胶边界值的确定方法,由此得到较为准确的气溶胶光学参数。通过与地面观测结果的比较,说明了Raman-Rayleigh-Mie激光雷达的观测结果具有可比性,其边界值的确定及其反演方法在一定程度上可信,可行。     

船载激光雷达观测青岛海域气溶胶光学性质实验研究

研制了一套能连续探测海洋大气气溶胶光学性质垂直分布的船载小型米散射激光雷达系统,用该系统于2015年5月和9月在青岛海域开展了海洋大气气溶胶观测实验.以同船搭载的Microtops II型手持式太阳光度计同步测量得到的气溶胶光学厚度作对比数据,比较了两种仪器的气溶胶光学厚度测量结果,得到观测海域柱平均激光雷达比为32.4sr,标准偏差4.6sr.由Fernald方法得到了实验海域夏季15 km以下的气溶胶消光系数廓线.连续观测实验表明研制的船载米散射激光雷达结构紧凑,易于在船载平台操作,能对海洋大气气溶胶的光学特性进行连续有效的高时空分辨率廓线测量.     

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。     

基于1064nm米散射激光雷达的大气消光特性的研究

介绍了一台自行研制的1064nm微脉冲米散射激光雷达的总体结构、技术参数及其工作原理。给出了具体探测的实验结果,推算出系统的几何重叠因子,根据激光雷达方程的反演方法,得出了大气气溶胶消光系数随高度变化的垂直分布廓线图。该激光雷达系统在夜晚的探测高度可达5km左右。通过激光雷达系统的日夜连续监测,可得到消光系数随高度及时间变化的三维分布图,对于进一步研究大气气溶胶的浓度、分布、散射及吸收特性都具有重要的意义。     

Raman-Mie激光雷达测量对流层大气气溶胶光学特性

为了研究合肥上空对流层大气气溶胶的光学特性,研制了一台Raman-Mie激光雷达,用来测量大气气溶胶的消光系数、后向散射系数和激光雷达比的垂直分布。文中介绍了研制的Raman-Mie激光雷达系统和数据处理方法,并且给出了几个测量结果。在冷锋过境时,激光雷达测量的整层对流层中大气气溶胶的后向散射系数的时空变化表明,大量的气溶胶粒子被冷空气输送到合肥上空,大气气溶胶在4 km以下的垂直分布有剧烈的变化,混合层顶的高度被抬升到了3 km附近。Fernald方法和Raman方法反演的大气气溶胶光学特性的对比结果表明,该激光雷达能够测量合肥上空大气气溶胶层中的消光系数、后向散射系数和激光雷达比廓线。     

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.     

船载激光雷达测量水体光学参数的仿真模拟研究

激光雷达能够高效获取海洋光学特性的垂直剖面信息,是海洋光学探测的重要手段之一。利用蒙特卡罗仿真方法,基于Gordon(1982)的机载激光雷达测量水体光学参数模型,研究了船载激光雷达在水中的传输过程和水中光场分布。特别研究考虑了接收视场角和望远镜半径等参数的影响,建立了适用于船载海洋激光雷达的模拟系统。在激光雷达的传输等效为太阳光传输后,该模拟系统与常用的HydroLight的模拟进行了比对印证并获得了一致的结果。在此基础上,通过模拟得到的激光雷达回波信号分析了不同激光雷达测量模式及典型水体条件下激光雷达消光系数α和海水光学参数之间的关系。船载激光雷达结果表明,在窄接收视场角情况下,激光雷达消光系数α趋向于水体光束衰减系数c;在宽接收视场角情况下,α趋近于水体的向下辐照度漫射衰减系数K_d。相比机载观测,船载观测的α趋近K_d的速度变缓。在垂直分层水体中,激光雷达在下层水体中测量的α值会向上层水体的α值偏移。该结果为研究海洋激光雷达测量参数与海洋光学参数之间的关系提供了进一步的认知。     

对激光雷达几何因子的分析与测量

为了实现激光雷达对近场的测量,必须获得激光雷达系统几何因子。采用理论分析计算和实验测量两个步骤确定了几何因子性质及廓线。首先,通过分析平行轴和共轴激光雷达接收、发射系统的结构,引入了可完全聚焦填充系数,从几何光学角度推导了两种填充系数的表达式,从而界定了几何因子值的理论范围。其次,介绍了采用对远场回波信号拟合的方法反演近场信号,从而获得几何因子廓线。以中科院AML-2共轴激光雷达为例,采用该方法测量了几何因子廓线,结果验证了对几何因子的理论分析。     

差分吸收激光雷达几何因子实验确定方法

差分吸收激光雷达发射光束与接收视场的重叠区域用几何因子函数来描述,几何因子是差分吸收激光雷达的重要参数。提出了一种实验方法,实验使用米散射激光雷达和差分吸收激光雷达同时测量信号,通过对比分析两台激光雷达采集信号计算得到的气溶胶散射比廓线,获得差分吸收激光雷达的几何因子。该方法的优点在于不需要预先得到精确度高的激光雷达参数,比如望远镜直径,光束发散角,望远镜接收视场角等。该方法的应用有利于减少近地面差分吸收激光雷达测量臭氧廓线的误差,提高差分吸收激光雷达的探测性能,有助于研究近地面层的臭氧时空分布特征。