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。     

直接探测激光雷达系统的建模与仿真

从直接探测激光雷达系统的建模、激光雷达仿真系统的研究、计算机仿真实验等方面介绍了进行激光雷达系统仿真设计的理论和实践。从虚警概率、探测概率、信噪比和阈值噪声比决定最大探测距离的这一角度阐述建立直接探测激光雷达模型;假设在直接检测方式下,探测器噪声可以用高斯概率密度函数表示;考虑了大气分子和气溶胶的吸收和散射作用;仿真系统参数输入中尽可能考虑了实际系统的各种参数要求。仿真实验表明仿真软件能够客观地反映直接探测激光雷达在不同条件下应该探测的结果。     

平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。     

悬空波导的激光雷达探测能力个例研究

以无线电探空仪实测的悬空波导为例,开展了激光雷达对其探测能力的仿真研究.通过振-转拉曼散射信号测量大气湿度,纯转动拉曼散射信号测量大气温度.再结合探空仪测量的大气压强,计算得到大气折射率.在拉曼激光雷达系统的四个探测通道中加入了泊松分布的信号起伏,以符合真实测量过程.仿真结果表明:对于较弱的悬空波导,中型激光雷达系统对其具有较好的捕获能力.基于蒙特卡洛方法研究了几种时空分辨率下激光雷达探测该悬空波导的辨识概率、波导层厚度及波导强度.     

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。     

相干光路的直接探测多普勒激光雷达设计

提出了一种能在高海拔区域工作的相干光路的直接探测多普勒激光雷达系统。系统设计借鉴了相干测风激光雷达系统的光路,利用大气分子散射光进行风速测量,采用偏振分光棱镜和1/4波片组成光开关,配合收发合置的望远镜,简化了直接探测系统的光路,提高了光路稳定性;采用腔长固定式的标准具,脉冲激光器波长为可调谐,经优化,调谐范围约10GHz,完成了系统的仿真设计和设备选型工作。     

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。     

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。     

星载海洋激光雷达叶绿素剖面探测能力估算

为了评估和分析星载海洋激光雷达探测全球海洋光学参数的性能，依据激光雷达方程和蒙特卡罗模型结果模拟计算激光传输信号，开发了星载海洋激光雷达仿真模拟系统。仿真模拟系统由正向模拟、数据反演与误差分析三部分组成，能够模拟激光发射、传输和探测的全过程。根据给定的激光雷达参数，模拟了443 nm、486.1 nm和532 nm波长在地中海、印度洋、南大洋与太平洋四个典型海区的探测信号。研究结果表明，443 nm和486 nm波长的探测深度在各个海区均比较接近，并且均比532 nm更深。在给定的激光雷达参数情况下，486.1 nm波长在太平洋和南大洋的探测深度分别为120 m和70 m，在地中海和印度洋的探测深度均为约100 m。叶绿素a浓度在以上海区的探测深度分别约为80 m、50 m和70 m。     

探测气溶胶-水汽的拉曼-米散射激光雷达系统

设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统,用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术,用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑,运输方便,具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测,探测结果表明：在大气气溶胶的探测过程中,在重污染条件下混合层高度较干净天低,在0.5 km以下,而干净天在1 km左右;通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知,重污染条件下,底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主,干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主;在云层中,Angstrom指数明显减小,且出现负值,说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中,采用自标定方法获得系统的标定常数为121,与已标定的激光雷达系统对比,误差在±0.3 g/kg以内;连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求,可广泛运用于大气环境的监测领域中。     

瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算

设计了一台探测大气温度和气溶胶的瑞利-米散射激光雷达。对不同参数的大气后向散射回波信号信噪比进行了数值仿真计算,讨论了激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜口径、空间分辨距离以及窄带干涉滤光片的带宽和透过率对激光雷达回波信号信噪比的影响。根据仿真结果,设计的激光雷达在白天时,气溶胶的米散射信号采用1 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了10.6 km;中层大气温度的瑞利散射信号采用0.2 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了47.1 km。     

瑞利激光雷达超窄带滤光器参数设计及性能分析

白天太阳光背景辐射严重降低雷达系统的信噪比,从而影响探测高度和精度。为实现对中高层大气相关参数的全天时测量,利用Nd:YAG激光器产生的355 nm激光束作为光源,研制了用于全天时的超窄带滤光器。从原理出发,利用FP标准具透过率曲线单支具有超窄带宽的特性,设计了一款用于进行白天观测的级联式超窄带滤光器;给出了该超窄带滤光器近似透过率函数形式,定义了滤光器性能评价函数,给出了设计方法;通过定义的滤光器性能评价函数,对超窄带滤光器主要参数进行了优化设计,给出了各光学部件具体参数,给出了超窄带滤光器的信噪比提升效果;最后,通过具体实验对各标准具及级联状态下的系统透过率进行了标定,经曲线拟合表现出较好的一致性。     

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。     

蓝绿光星载海洋激光雷达全球探测深度估算

为了评估和分析激光雷达探测全球海洋光学参数的性能,根据激光雷达方程和给定的激光雷达参数,使用MODIS Level 3全球年平均的海水吸收系数a（）和后向散射系数bb（）数据作为海水光学参数的参考值,对蓝绿光星载海洋激光雷达在全球海洋的探测深度进行了估算和分析。研究结果表明:星载海洋激光雷达探测深度的分布主要依赖于探测波长和水体光学性质,清洁大洋水的最优探测波长在460 nm左右,白天和夜间的最大探测深度分别为~110 m和~120 m;沿岸浑浊水的最优探测波长多在500 nm以上,最大探测深度只能达到20 m或更浅。探测波长为470~480 nm时,星载海洋激光雷达在全球范围内的平均探测能力最佳。     

用于烟尘监测的偏振激光雷达系统及实验研究

激光雷达具有探测距离远,分辨率高,对气溶胶浓度变化敏感等优势,偏振激光雷达还能够对粒子形态做区分,根据消光系数及退偏比值识别云、雾、烟尘等。利用偏振激光雷达进行扫描观测,可以实现火灾烟尘的快速识别。通过对不同波长的激光雷达探测距离进行仿真,结果表明,波长为1 064 nm的激光雷达探测距离为532 nm波长的1.3～1.4倍。通过优化扫描策略及算法,可剔除固定障碍物及临时移动障碍物的影响。为避开安装点位周边高度相近的障碍物,通常会给激光雷达设置一定仰角,对存在探测仰角时产生的水平距离偏差及垂直高度测量偏差进行计算,当激光雷达探测仰角为2°时,6 km处测量高度偏差为209.397 m。使用高斯烟羽模型对烟尘浓度分布进行仿真,当大气稳定度为B,平均风速为1 m/s时,200 m高度处烟尘浓度分布高值点距地面火点的径向距离≥1 km,为火点准确定位提供了修正依据。分别在辽宁省盘锦市盘山县绕阳湖景区,广东省东莞市观音山森林公园进行外场实验,偏振激光雷达在开阔地带及多障碍物山体地带下,均能够快速识别烟尘。     

ARL-1 Raman激光雷达系统探测大气二氧化碳

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的测量对流层大气二氧化碳的ARI-I Raman激光雷达系统,以Nd:YAG三倍频作为发射光源,接收大气中氮气和二氧化碳的Raman后向散射信号,反演大气中的二氧化碳混合比分布.在ARL-1 Raman激光雷达系统中,设计了测量Raman激光雷达常数的标定装置,实验结果表明,定标光源LED的稳定度可达99.5%.利用该系统对边界层二氧化碳进行了初步定量测量和分析.     

采用温控和碘吸收池技术的发射激光稳频技术

多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明:系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。