合肥地区背景大气气溶胶的偏振激光雷达测量研究

为了研究合肥地区背景大气气溶胶的后向散射特性和偏振特性,利用2007年1月至2009年2月期间无云晴天偏振激光雷达常规测量数据进行统计分析。结果表明：合肥地区对流层中、上部气溶胶散射比和大气退偏振比具有明显的季节变化,其均值春季最大、冬季次之、夏季再次、秋季最小;在春季由于非球形粒子增多,使得其结果明显偏大。数据分析结果为低对流层米散射激光雷达测量数据反演提供参数选取依据,并为特殊天气过程大气气溶胶结构层（沙尘层、污染层等）的深入研究提供有用资料。     

机载双波长偏振激光雷达探测大气气溶胶分布

为了满足在区域尺度上大气气溶胶垂直分布的探测需求,在中国科学院重大科技基础设施项目“航空遥感系统”的资助下,研制了机载双波长偏振激光雷达。本文介绍了该机载激光雷达的主要功能和性能参数,以及在华北地区开展的飞行观测实验,取得的结果表明,该机载激光雷达性能稳定,其探测精度达到设计要求,可以为污染源的识别和传输路径的探测提供高时空分辨率的数据,为认知大气气溶胶的微物理特性和分类提供了重要的机载遥感平台。     

基于高光谱分辨率激光雷达的气溶胶分类方法研究

气溶胶是影响气候变化和空气质量的重要因素,对气溶胶作用的量化分析依赖于气溶胶光学性质及其垂直剖面的精细探测。高光谱分辨率激光雷达利用窄带光学滤波器,可在光谱上实现对分子散射和气溶胶散射的分离,从而在不需假设气溶胶激光雷达比的情况下,独立获取气溶胶消光系数和后向散射系数。文中基于高光谱分辨率激光雷达技术,开展气溶胶分类方法研究。根据已有的气溶胶分类研究结果,给出基于气溶胶光学参数的分类方法,并建立气溶胶分类查找表。利用高光谱分辨率激光雷达于2015年春季在青岛地区测量的气溶胶消光系数、后向散射系数和退偏振比,参照建立的气溶胶分类查找表,实现了对气溶胶的分类识别,并用HYSPLIT轨迹模式、NAAPS气溶胶模式进行了印证。个例研究结果表明该方法能够实现对气溶胶类型的正确识别。     

荧光偏振短距激光雷达测量生物战剂/气溶胶

基于激光诱导荧光（LIF）原理和弹性散射作用于非球形粒子上产生的偏振特性,设计研制了短距测量荧光和偏振激光雷达:采用了三个激光光源、两个接收望远镜、一个退偏组件和一个荧光光谱特征分析光谱仪,设计遥测探测距离为200 m至数千米。荧光测量采用了Nd:YAG激光器的三倍频355 nm和4倍频266 nm输出,激光束脉冲宽度约为6 ns,重复频率为20 Hz,荧光接收光学及光谱分析子系统由25.0 mm口径的f/4牛顿望远镜,车尔尼特纳光谱仪和32通道的光电倍增管（PMT）等组件组成;偏振和弹性散射信号由孔径12.5 mm的卡塞格林望远镜接收。荧光测量的信噪比仿真计算表明:以最小SNR=10作为参照,在1 km距离上,白天探测不到数浓度为10 000个/升的战剂云团,但在夜间则可以获得较好的信号强度;偏振测量结果初步分析表明:（1）退偏比表现出较强的波长依赖性;（2）多波长退偏比测量可以显著提高生物战剂的鉴别能力。     

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。     

探测云和气溶胶的机载双波长偏振激光雷达

针对机载双波长偏振激光雷达的技术特点,结合搭载遥感飞机的基本性能,分析了激光雷达的设计方法;仿真计算了激光雷达的配置参数;解决了激光雷达应用于航空平台的一些关键技术。通过实验取得了初步的结果,地基实验表明,激光雷达达到设计指标要求的探测能力。初步的飞行实验结果表明,激光雷达采用的关键技术符合航空平台关于体积、重量、功耗以及环境适应性的要求。利用激光雷达的主动探测能力,结合机上同时搭载的被动遥感仪器,将实现国家关注的大气成分及其环境要素的科学实验研究目标。     

Raman-Mie激光雷达探测对流层气溶胶波长指数

Angstrom波长指数能够很好地反映大气气溶胶粒子的半径大小,而Raman方法测量对流层气溶胶较Mie散射方法假设的参数少,测量精度高.在介绍了一台双波长探测对流层气溶胶光学特性的L625Raman-Mie激光雷达系统及其测量原理的基础上,利用该激光雷达的探测数据,计算并分析了合肥地区对流层气溶胶的波长指数,给出了合肥地区对流层气溶胶光学特性的一些典型特征并讨论了其成因.结果表明L625激光雷达测量对流层气溶胶波长指数是可靠的.     

海洋激光雷达测量水体剖面偏振信号的仿真模拟

基于蒙特卡洛模拟方法,建立了一个水中激光偏振辐射传输模型,用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波,分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层,其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m3、1 mg/m3和10 mg/m3。模拟了激光发射波长为532 nm,接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号,并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明,由于激光在水中的多次散射过程,随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大,激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低,导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例,中浓度散射层情况下,在散射层上（0~10 m）、散射层中（10~30 m）和散射层下（30~40 m）的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%;在散射层中,低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时,退偏振比相对误差逐渐增大,在中浓度散射层情况下,其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明,偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时,由于多次散射过程的影响,传统的退偏振比算法会引入较大误差,有必要在反演算法中对其进行校正,以提高激光雷达的探测精度。     

生物战剂/气溶胶激光雷达遥测技术研究

散射、荧光和偏振信息是生物战剂/气溶胶时空观测和识别的有效数据源。对Mie散射、紫外激光诱导荧光和偏振探测激光雷达的原理、数据反演等进行了阐述和讨论,并对消光系数、荧光和退偏振比的探测结果进行了探讨。实验和数据表明,消光系数、退偏振比和荧光的时空分布,用于生物战剂/气溶胶的探测和识别是可行的。     

生物气溶胶的激光光谱识别研究

生物气溶胶对人类的健康、动植物的生长可构成很大的威胁。生物气溶胶的激光光谱识别和荧光雷达探测研究有利于人类与传染疾病作斗争。有条件采样单位于生物气溶胶荧光光谱分析仪在荧光收集系统之后巧妙地把粒子的弹性散射光和未经色散的荧光按产生的时间先后分成两个部分。光谱仪有条件采样过程可降低数据采集和数据处理速率，提高信噪比。有条件触发单粒子生物气溶胶荧光光谱分析仪的光源为一台连续的Ar＋激光器和一台四倍频Nd：YAG激光器，可得到紫外荧光信息，扩大了应用范围。该仪器必须满足严格的时序条件和逻辑条件。利用紫外激光诱导荧光雷达探测技术可进行生物气溶胶及生物战剂的识别研究。一台紫外－荧光雷达系统，当探测距离为3000m时，浓度探测极限为500mg／m3。一种长距离生物传感探测系统可对正在运动中的气溶胶云团进行测距、探测和跟踪，跟踪高度可达30km。     

激光雷达常数的测量研究

提出了一种新的激光雷达常数的确定方法.利用在大气气溶胶水平分布均匀的天气条件下,在无几何因子影响的区域通过激光雷达消光后向散射比和美国大气模式的数值计算得到激光雷达常数.理论上分析了误差来源,由激光雷达消光后向散射比引起最大的误差小于12.27%.最后根据测量信号计算得到本系统激光雷达常数为600668.2 sr·km3,其标准偏差小于13%.不同时刻的测量结果显示了很好的一致性,表明该方法是可行的.激光雷达常数的获取为评估激光系统以及激光雷达方程的参数反演带来的便利.     

合肥春季气溶胶结构层探测研究

为了分析造成合肥上空春季自由对流层气溶胶浓度分布高于其他季节的原因,本文对偏振激光雷达2005-2008年期间春季常规测量和加密测量的数据结果进行再分析,从中提取了137组气溶胶结构层进行统计研究,并对2008年3月2日的观测结果作了个例分析。结果表明,特殊气溶胶结构层大多源于沙尘源区气溶胶粒子的远距离传输,其影响高度70%分布在2~4km范围内,退偏振比大于0.1的结构层占据85%,这些结果可用于解释合肥春季自由对流层的气溶胶浓度分布偏高的原因。     

卷云消光后向散射比的激光雷达测量

高层卷云对天气和气候有着重要的影响,其消光后向散射比是它的一个重要光学特性.假设卷云上方和下方没有气溶胶,只有大气分子,由激光雷达信号就可反演出卷云的透过率和光学厚度,进而算出卷云的消光后向散射比.对美国汉普顿大学的532 nm通道激光雷达测量的卷云数据进行了分析,数据采集期间从2007年1月至10月,共选取了光学厚度在0.08～1.5之间的798组卷云数据.计算结果表明:卷云高度主要分布在7～13.5 km之间;卷云消光后向散射比平均值为21.4 sr,月季特征并不很明显,概率分布呈现出正态分布特征;光学厚度的概率分布函数说明大部分为薄卷云.     

PML大气探测可靠性验证及探测结果分析

介绍了一台新型偏振-米散射激光雷达用于探测大气气溶胶和卷云的消光特性及偏振特性。为了验证激光雷达探测性能可靠性,采用了3种方法:一是对偏振-米散射激光雷达主要性能参量指标的测定;二是偏振-米散射激光雷达与同类激光雷达对比实验;三是偏振-米散射激光雷达与太阳辐射计探测光学厚度对比实验。实验验证了该系统性能稳定,对比实验探测结果基本一致,探测数据可靠。2007-02~2007-05,利用偏振-米散射激光雷达取得了合肥地区卷云退偏振比的观测结果。结果表明,卷云的退偏振比随高度增加而呈现上升趋势,在7km~12km高度范围内,退偏比在0.2~0.5之间,其平均值为0.36±0.06。     

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。     

使用DSP鉴相器的激光雷达测距系统

为了提高红外激光雷达测距系统的测量精度和可靠性，设计并实现了基于高速模数转换器和数字信号处理（DSP）技术的DSP鉴相器。使激光雷达测距系统在2km测程内的测量精度达到3mm。     

窄脉冲CO2相干激光成像雷达目标距离测量研究

较详细地研究了窄脉冲外差体制CO2 激光成像雷达的目标距离测量 ,指出了影响单个光脉冲测距精度的随机误差和系统误差的主要来源 ,并利用现有的实验装置进行远目标测距对比实验 ,观测到CO2 激光器所发射的窄脉冲和 2 35 5m目标回波波形 ,精确地测量出光脉冲飞行的往返时间 ,该方法可以用作系统误差校准和补偿标准