Nd:YAG四倍频激光抽运氘后的拉曼效应及其在激光雷达中的应用

利用 Nd:YAG四倍频激光抽运氘气 (D2 )的受激拉曼效应 ,获得一阶斯托克斯 (Stokes)波长2 89nm。通过改变拉曼介质 D2 气压与抽运光能量 ,获得了一阶斯托克斯输出的较佳条件。该波长与 Xe Cl准分子激光波长 30 8nm采用差分吸收方法 ,建立了用于对流层臭氧探测的激光雷达 ,并初步获得了对流层大气臭氧的垂直分布及其时间变化特征。     

户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达系统研制

激光雷达探测臭氧和气溶胶垂直廓线分布近年来在环境监测领域获得广泛应用。介绍了一套可同时用于探测臭氧和气溶胶浓度的激光雷达系统。采用Nd:YAG激光器,通过二倍频器和四倍频器分别产生532 nm和266 nm激光光源,基于受激拉曼散射原理,在两根拉曼管中分别充有氘气和氢气,产生拉曼频移光289 nm,299 nm,通过差分吸收算法原理反演垂直空间臭氧浓度廓线,通过米散射算法原理来反演气溶胶浓度廓线。水平扫描试验结果显示,雷达系统的探测结果与近地面点式臭氧分析仪测量结果有较好的一致性,相对误差小于10%。在安徽合肥科学岛外场观测结果表明:臭氧探测高度,白天可以达到3 km,晚上可以达到5 km,气溶胶探测高度,白天可以达到10 km,晚上可以达到15 km。     

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。     

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。     

激光雷达用紫外—可见多波长同时输出的激光系统

报导了同时探测多种大气成分的空间垂直分布的激光雷达用多波长激光光源系统.该系统通过Nd∶YAG激光器选模输出的1064 nm激光经一级放大后,分成两束,其中一束光再通过放大,经过二倍频器及三倍频器后输出532 nm和355 nm激光束,532 nm波长的激光用于探测大气中气溶胶和温度的空间垂直分布;355 nm波长的激光用于探测平流层臭氧的参考光,同时也是使用Raman方法探测水汽混合比分布的激光光源.另一束1064 nm的激光通过放大后,经过二倍频器及四倍频器输出266 nm激光,其用作泵浦高压氘气拉曼(Raman)频移器而输出289 nm波长激光(1阶Stokes),用作探测对流层臭氧的吸收波长.通过同时使用XeCl准分子激光器输出308 nm波长的激光,采用差分吸收方法探测大气臭氧的垂直分布.最后给出了合肥地区一些典型的探测结果,如大气臭氧、气溶胶、水汽及温度等的分布及其特点.(OB19)     

差分吸收激光雷达系统探测背景大气SO_2和NO_2

研制了一套可用于探测背景大气SO_2和NO_2的差分吸收激光雷达系统。该系统利用两台Nd…YAG激光器的二倍频和三倍频产生532nm/355nm的激光,分别去抽运四台窄线宽的染料激光器,从而获得测量大气SO_2和NO_2分布所需的两对激光波长300.05nm/301.5nm和446.6nm/448.1nm。实验数据表明,在晴朗的天气条件下,当空间分辨率为15 m且积分时间为30 min时,大气SO_2和NO_2的测量精度分别可达±2.0×10~(-9)和±5.0×10~(-9),激光雷达探测的大气SO_2和NO_2平均浓度与当地气象部门同时间报告的浓度较一致,显示了差分吸收激光雷达技术监测低浓度SO_2和NO_2时空分布的能力。     

拉曼差分法探测大气中的臭氧

介绍了拉曼差分法测量对流层底部污染物O_3的基本原理。计算和研究了N_2,O_2的拉曼光谱强度分布特征,利用O_3对N_2,O_2紫外波段拉曼散射光的不同吸收特性,推导出O_3浓度反演公式;设计了拉曼差分激光雷达(Raman-DIAL)系统,该系统采用双通道分别接收N_2和O_2对紫外266 nm激光的拉曼散射光,通过拉曼差分法反演大气中O_3浓度。分析了激光雷达系统噪声的来源,对双通道滤光片提出了相应的要求;分析了大气中污染物SO_2,NO_2在紫外波段的吸收特性对拉曼差分法测量O_3的影响及造成的相对误差;利用差分激光雷达AML-2测得的O_3数据模拟了拉曼差分激光雷达系统N_2与O_2的拉曼信号,从而证实了该方法探测对流层底部大气臭氧含量垂直分布的可行性。     

差分像移大气湍流廓线激光雷达的研制

大气折射率结构常数在自适应光学系统、天文观测以及大气湍流模型等研究领域都有着重要的意义。基于差分像移的大气湍流廓线的测量原理,研制了一套距离分辨的大气湍流廓线激光雷达。差分像移湍流廓线激光雷达相比传统湍流测量技术对仪器误差,比如震动和离焦不敏感,可以对目标进行实时的主动探测,并能够得到测路径上随距离分布的大气湍流廓线。介绍了差分像移湍流廓线激光雷达的基本原理与系统结构,利用该湍流廓线激光雷达进行了外场探测实验,探测距离信号发射点200~8 000 m的目标大气,距离分辨率为200~1 000 m,共13个采样点。采用50 Hz帧率的ICCD相机获取信号,每个采样点测量20 s,获得1 000张图像,计算出对应的差分像移,并进一步反演出对应的折射率结构常数,得到了大气湍流的距离分布廓线,最后对实验的结果与过程进行分析,验证了该激光雷达系统的功能性。     

大气压力探测用激光雷达的对称性分析

为了实现世界气象组织对大气压力廓线和地表压力特别高的探测精度,需要消除湍流对距离分辨差分吸收激光雷达和路径积分差分吸收激光雷达的干扰。探测/参考双波束被转换成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光后被同时发射出去,经大气后的回波再被1/4波片、偏振分束片以及两个F-P标准具重新分离而被检测到。差分吸收激光雷达的除法、对数和积分运算由模拟电路进行对称的实时处理,这样有利于减小由双通道差异化带来的误差。差分吸收激光雷达的探测波束脉冲与参考波束脉冲同路径传输、同时发射、同时接收,可抵消大气随机运动等因素对系统的共模干扰。模拟研究结果表明,差分吸收激光雷达采取严格的对称性安排,是一个可提高系统探测精度的十分有益的举措。     

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。     

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.     

差分吸收激光雷达测量对流层臭氧

利用激光雷达对对流层2～4km高度范围的臭氧分布进行了测量.测量结果表明,利用YAG激光器产生的两个波长(266nm和289nm),可以得到比较精确的臭氧分布.     

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。     

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。     

Aerosol Lidar Intercomparison in the Framework of SPALINET—The Spanish Lidar Network: Methodology and Results

A group of eight Spanish lidars was formed in order to extend the European Aerosol Research Lidar Network-Advanced Sustainable Observation System (EARLINET-ASOS) project. This study presents intercomparisons at the hardware and software levels. Results of the system intercomparisons are based on range-square-corrected signals in cases where the lidars viewed the same atmospheres. Comparisons were also made for aerosol backscatter coefficients at 1064 nm (2 systems) and 532 nm (all systems), and for extinction coefficients at 532 nm (2 systems). In total, three field campaigns were carried out between 2006 and 2007. Comparisons were limited to the highest layer found before the free troposphere, i.e., either the atmospheric boundary layer or the aerosol layer just above it. Some groups did not pass the quality assurance criterion on the first attempt. Following modification and improvement to these systems, all systems met the quality criterion. The backscatter algorithm intercomparison consisted of processing lidar signal profiles simulated for two types of atmospheric conditions. Three stages with increasing knowledge of the input parameters were considered. The results showed that all algorithms work well when all inputs are known. They also showed the necessity to perform, when possible, additional measurements to attain better estimation of the lidar ratio, which is the most critical unknown in the elastic lidar inversion.     

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