DCIM激光雷达测量湍流廓线反演算法及数值仿真研究

提出了一种基于广义Hufnagel-Valley模型的DCIM激光雷达测量湍流廓线的反演算法,推导了数据平滑处理函数,通过对HV 5/7模型廓线数值仿真得出：真值反演时,反演廓线与理论模型廓线最大相差约0.004个量级,反演廓线计算的r0、整层θ与理论值的相对误差绝对值均在0.5%以下;有10%随机误差时,20km以下反演廓线与理论模型廓线最大相差约0.5个量级,20km以上误差增大,反演廓线计算的r0和整层θ与理论值的相对误差绝对值约在10%和5%以下,满足实际激光大气传输应用;数据平滑处理函数不会影响反演廓线随高度的变化特性。最后仿真验证了反演算法的普适性,可用于DCIM激光雷达测量不同地区的湍流廓线。     

湍流强度廓线激光雷达测量的反演算法研究

湍流强度廓线激光雷达通过测量各层的大气相干长度来获得湍流强度廓线。从测量的大气相干长度直接反演湍流强度廓线会出现很大的噪声增益,因此本文介绍了一种通过求导并结合理查森迭代方法来反演湍流强度廓线,并对这种方法进行了数值模拟实验。文章通过反演两种典型系数下的Hufnagel-Valley(H-V)Cn2模式廓线,两参数下反演廓线和原始廓线的平均相对误差分别为7.8％和10.6％,结果表明该算法具有较高的精度。     

利用激光雷达测量湍流强度廓线的研究

介绍了一种新颖的利用激光雷达测量湍流廓线的原理,通过对经过分层大气湍流的光束波面误差的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用一定的算法反演湍流强度廓线.通过大量的实验,验证了通过测量波面误差获得大气折射率结构常数这种方法的可行性.提出了在一定近似条件下利用平面波积分方程的递推算法反演大气折射率结构常数,获得了较为满意的相似度,并且与球面波算法进行了比较,分析了各自的反演效果.     

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。     

基于拉曼激光雷达的南京上空大气温度廓线观测

介绍了综合使用瑞利、拉曼、米散射三种技术的激光雷达的基本结构与拉曼散射温度反演原理。对其中的拉曼回波信号进行了背景噪声扣除、滑动平均和小波变换降噪,在此基础上分析了气溶胶对拉曼激光雷达温度廓线反演的影响。利用上述激光雷达信号处理方法对南京上空的温度廓线进行观测,反演了2010年11月19日18时53分至19时35分连续观测的数据。反演的温度廓线表明,观测开始至观测结束,5.5 km处的温度变化为2 K的波动变化;对2010年11月整月的观测数据进行分析处理,得到11月份上中下三旬的平均温度廓线。在10 km高度处,下旬温度比上旬温度低4 K,随着入冬的进程,低空段的大气温度递减率有明显增大的趋势;11月的月平均温度在5~10 km处低于模式值4 K左右,并且两者几乎平行,说明11月份5~10 km各高度温度比模式均低4 K左右。     

米-拉曼散射激光雷达反演对流层气溶胶消光系数廓线

介绍了基于米-拉曼散射激光雷达的南京北郊大气气溶胶观测实验,采用小波分析中的软硬阈值方式处理拉曼散射激光雷达回波信号,选取不同的阈值和不同的小波函数处理拉曼散射激光雷达回波信号,得到了平滑的拉曼散射激光雷达信号。根据拉曼散射激光雷达原理反演对流层高空大气气溶胶消光系数廓线,借助弗纳尔德方法并利用米散射激光雷达气溶胶观测数据,反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。实验观测系统中有瑞利、米散射和拉曼散射3个接收通道,重点研究了米散射和拉曼散射通道接收到的观测数据,对南京北郊2011-12-08晚间拉曼散射激光雷达的气溶胶观测数据进行4种不同阈值处理。选择合适的阈值对实验观测数据进行去噪,然后利用反演原理公式并结合距离矫正信号对观测数据进行反演,得到对流层高空大气气溶胶消光系数廓线;利用其中一处的气溶胶消光系数可以反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。利用米-拉曼散射激光雷达联合反演对流层气溶胶消光系数廓线,可以清晰看出气溶胶的分布特征,对流层低空自由大气的气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明对流层低空自由大气比较干净;对流层高空大气气溶胶消光系数在云影响下可达到6km~(-1),无云时气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明高空大气比较干净。     

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。     

获取多波长气溶胶光学特性的方法研究

为了获得多波长气溶胶的垂直消光特性,本文提出了一种综合利用光学粒子计数器、能见度仪和激光雷达获取多波长气溶胶光学特性的新方法。该方法根据光学粒子计数器测量的谱分布、能见度仪测量的能见度和激光雷达测量的消光后向散射比反演出气溶胶粒子(λ=0.532μm)的折射率,作为初始值,根据气溶胶模式提供的折射率随波长的变化关系,确定其他波长上的折射率。再根据气溶胶折射率和谱分布计算不同波长上的消光特性,最后采用激光雷达测量的垂直消光廓线来反演其他波长上的消光廓线。以0.532μm,1.06μm和 10.6μm三波长为例,给出北京2004年8月24日气溶胶在不同波长上的垂直消光廓线。     

钠多普勒激光雷达大气参数反演方法

钠多普勒激光雷达以75～110 km大气层中的Na原子为示踪物,由接收到的共振荧光散射回波光子数反演该高度范围内大气温度、风场及钠原子数密度廓线.研究钠激光雷达大气风场和温度反演的方法,分析激光雷达光子计数中的脉冲堆积效应和钠层吸收对反演结果的影响,并提出改正方法.将该方法用于美国伊利诺斯大学激光雷达实测数据的反演,反演结果与该大学的结果相符合,验证了反演方法的正确性.最后对测量数据进行了误差分析,给出噪声光子数引起的误差剖面及实验测量精度.     

拉曼散射激光雷达反演平流层气溶胶消光系数廓线

介绍了位于南京北郊的拉曼散射激光雷达的基本结构,描述了使用拉曼散射激光雷达反演平流层大气气溶胶消光系数廓线的数据处理方法。重点研究了南京北郊2011-12-08与2011-12-09晚间平流层气溶胶观测数据,对拉曼散射激光雷达距离矫正信号进行4种不同阈值的小波去噪,选择出合适的阈值,然后利用反演原理公式,得到平流层大气气溶胶消光系数廓线,分析了平流层大气气溶胶消光系数的变化特征。     

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。     

自适应滤波在拉曼激光雷达数据处理中的应用

在拉曼(Raman)激光雷达探测CO2实验中所采集的拉曼回波信号具有比较大的统计误差,有效减小统计误差,获得较高的探测精度是非常重要的工作.利用自适应滤波器对拉曼回波信号分段进行数据处理,可得到在分段的各个空间间隔内的随距离几乎不变的CO2混合比统计误差,经过自适应滤波器对信号进行处理后,Raman激光雷达对合肥地区夜晚CO2气体浓度探测达到比较高的测量精度,在1.5～5 km高度范围内,CO2浓度统计误差最大为2.5%,5～8 km统计误差最大为5%,8～10 km统计误差最大为10%.利用此技术也可以量化估计在较高的空间分辨率下满足探测精度要求的激光脉冲数.     

拉曼激光雷达测量大气二氧化碳不确定性分析

中科院安徽光机所研制了一台ARL-1二氧化碳拉曼激光雷达,本文结合实际大气条件,利用拉曼激光雷达的观测例子和分析仪观测结果,分析拉曼激光雷达测量大气二氧化碳的不确定性。分析结果表明,拉曼激光雷达在对流层低层具有良好的稳定性和较高的测量精度,在较好的天气条件下,1km高度范围内,ARL-1拉曼激光雷达的测量不确定性可控制在1.2ppm内,在2km高度范围内可控制在2.5ppm内。     

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。     

低层大气折射对下视雷达临界俯角的影响

下视雷达的射线路径与临界视在俯角有关,而临界视在俯角又与低层大气折射剖面有关。文中利用实测低层大气折射指数剖面与全国平均大气模型对下视雷达的临界俯角与高度的关系进行分析,并利用实测地面大气折射率通过指数大气模型对下视雷达的临界视在俯角进行预测,同时也给出预测精度。     

合肥钠测温测风激光雷达与武汉流星雷达水平风场的对比研究

中间层顶区域大气温度和风场是研究中高层大气动力学的重要参量。简要介绍中国科学技术大学钠测温测风激光雷达系统。其可用于高分辨率探测中间层顶区域（80~105 km）大气温度和风场。给出了该激光雷达测量大气温度和风场的基本原理,对系统的发射部分、接收部分和光电探测采集及时序控制部分进行简要介绍,给出了该系统探测的大气温度和风场的结果。温度和风场结果分别与TIMED/SABER卫星仪器和武汉地基流星雷达观测结果进行了对比。     

纯转动拉曼激光雷达探测北京地区近地面大气温度

对流层大气温度的垂直分布特征直接关联天气现象和大气污染物扩散,一直是气象和环境部门的重点观测对象。当前激光雷达技术已经成为探测对流层大气温度垂直分布和时间演变的有效手段。然而由于对流层中含有大量的气溶胶粒子,因此利用传统的振动拉曼和瑞利散射激光雷达技术测量大气温度具有一定的局限性,尤其是边界层内存在高浓度的气溶胶粒子会严重降低大气温度测量精度。采用纯转动拉曼激光雷达技术可有效降低气溶胶粒子对测量温度精度的影响。纯转动拉曼测温激光雷达的核心是分光单元设计,国内外研究普遍使用基于双光栅干涉仪的分光方法。文中将采用基于滤光片法的纯转动拉曼信号分光设计,相比而言该方法具有更高的分光效率,并且能够通过调节滤光片的角度改变激光雷达系统的灵敏度,操作更为简单。在中国科学院大气灰霾追因与控制先导专项支持下,该激光雷达与2014年11月安置在中国科学技术大学超级大气观测站。在亚太经济合作组织北京会议期间,展开大气环境测量试验。激光紫外波段能量约为200 mJ,频率为20 Hz,激光脉冲数为5 000发,空间分辨率为7.5 m。实验结果表明,在晴朗无云气溶胶浓度较小的天气条件下温度测量统计误差小于1.5 K,测量高度可达10 km,在7.5 km以下统计误差小于1 K;在有薄云或者轻度雾霾天气条件下,温度测量统计误差在3 K左右,测量有效高度通常在6~8 km,在4.8 km以下统计误差小于1 K。     

白天大气测温的转动拉曼激光雷达分光系统

大气测温转动拉曼激光雷达通常采用双光栅单色仪来分离得到拉曼散射信号谱线,然而这种结构存在通带较宽的缺点,以致白天工作时输出信号混合了较强的天空背景干扰,无法准确测量大气温度。Fabry-Perot标准具具有滤波带宽窄、带外抑制比高,以及透射率呈周期性的特点,在光栅单色仪前插入Fabry-Perot标准具,能够有效扣除背景光干扰,同时将氧气的拉曼散射谱线滤除,从而提高了输出拉曼谱线的纯度和输出信号的信噪比,最终可提高温度反演精度并实现日光环境下工作。     

基于多波长激光探测海洋大气波导机理及实验研究

海洋大气波导是能够影响侦察预警探测装设备和常用民用航型保障设备的重要大气环境因素。本文采用一种基于激光探测遥感探测大气波导的技术,通过分析计算典型海洋大气多波长激光传输特性、光波波段折射率结构常数与激光探测大气波导机理模型。同时通过自主研制的激光雷达在三亚等地进行大量实践大气波导探测,并同步开展探空气球探测低空100m范围内的温度和湿度剖面,采用温度和湿度剖面获取折射率剖面和激光传输的消光系数垂直分布以及光波段的折射率结构常数分布,实验分析初步表明用激光探测大气波导尤其是海上大气波导尤其是蒸发波导的可行性。