北京市大气SO2、NO2和O3的激光雷达监测实验

目前监测网中大部分SO2、NO2和O3监测设备为地基点式仪器.该种设备不能获得大气SO2、NO2和O3的空间分布信息.SO2、NO2和O3的空间分布数据在习惯上一般是通过球载探测仪来获取.但通过球载仪获得的数据时间和空间分辨率都较差.中科院安徽光机所已开发研制完成了车载测污激光雷达系统.该系统能进行大气SO2、NO2和O3进行三维空间扫描测量.利用该系统2001年12月27日至2002年1月27日期间于北京市进行了大气SO2、NO2和O3的监测实验,首次给出了北京市近地面层大气SO2、NO2和O3的激光雷达测量数据.测量数据与地面仪器的监测数据进行了比较,结果表明车载测污激光雷达系统的测量数据是合理可靠的.     

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     

用车载差分吸收激光雷达系统遥测二氧化硫

介绍了自行研制的车载差分吸收激光雷达系统，此台雷达被用于监测大气污染如二氧化硫等。利用此台雷达在北京和合肥进行了实地测量，给出了对二氧化硫测量的典型结果并进行讨论分析。     

差分吸收激光雷达测量环境SO2

提出了一种新的差分吸收激光雷达(DIAL)技术探测大气环境SO2。利用Nd：YAG激光器的四倍频266．0nm抽运甲烷和氘气，可以获得它们的一级斯托克斯拉曼频移波长288．38nm和289．04nm。SO2对波长为289．04nm的激光吸收较强，对288．38nm的激光吸收较弱，波长对288．38nm和289．04nm可用于大气SO2的测量。利用这种技术，建立了一台测量大气SO2的差分吸收激光雷达，并进行了实际测量和初步研究，对激光雷达测量SO2误差的主要来源进行了分析．并估计了测量误差的大小。差分吸收激光雷达的测量结果与仪器测量结果相比具有可比性。     

车载差分吸收激光雷达对SO2的测量

介绍了自行研制的车载差分吸收激光雷达(DIAL)的系统结构和测量原理.利用可调谐激光器输出波长为286.3 nm和286.9 nm的激光测量SO2,测量范围为500m～3 km.该雷达在北京和合肥对SO2进行了实地测量,给出实测的部分典型结果,测量结果与地面仪器定点测量的结果一致.分析了误差的几种影响因素,总的测量误差在距离分别率为300m时小于7×10-9.     

化学气体CO2差分吸收激光雷达告警技术的研究

为了对大气中化学污染物实时检测,采用差分吸收技术,研制出了CO2激光差分吸收雷达原理样机,介绍了CO2激光差分吸收雷达技术,阐述了差分吸收雷达的基本工作原理,并对激光雷达系统各分系统及工作流程作了描述,对雷达系统的实物仿真及系统联调进行了模拟试验,完成系统的多项功能的实际检测。试验结果表明,激光器光源的光束特性(激光束输出模式及吸收峰和吸收谷支线的光束相互指向稳定性等)对雷达系统的作用距离及侦测误报率及漏报率的影响非常大。     

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。     

车载测污激光雷达探测近地面层臭氧

介绍了运用差分吸收激光雷达技术探测臭氧的原理,给出了车载测污激光雷达(AML-2)的系统结构,从垂直、水平、二维扫描等方面分别给出了AML-2探测近地面层臭氧的典型结果和时空分布图,并对其进行了分析.对研究近地面层臭氧时空分布规律和环境污染监测有着重要的意义.     

基于深度学习的机载激光海洋测深海陆波形分类

机载激光雷达的海陆波形分类对于沿海地区及其变化性质的研究至关重要。提出了一种在原始的机载激光雷达回波上使用深度学习进行分类的方法。构建全连接神经网络和一维卷积神经网络（CNN）,在一个测量海域的数据集上进行训练和测试,最优模型获得了99.6%的分类精度。该最优模型对来自不同测量海域的数据进行分类,分类精度达到了95.6%,相比支持向量机方法,处理速度提高了约52%。结果表明:深度学习方法对机载激光雷达回波波形的分类具有较高的精度和速度,它可以进一步作为通过机载激光测深技术对海底种类进行分类的候选方法。     

机载激光雷达测量二氧化碳浓度误差分析

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化碳浓度的有效手段。研究了机载路径积分差分吸收激光雷达测量二氧化碳柱线浓度的主要误差项,分析了这些误差项导致的二氧化碳柱线浓度反演误差。介绍了机载差分吸收激光雷达基本工作原理,并理论分析了大气温度、压强和水汽不确定性误差,激光频率稳定性和飞机姿态速度测量不确定性等系统误差,以及不同地表反射率产生的随机误差。分析结果表明:在二氧化碳浓度380 ppm(1 ppm=10-6)时,机载激光雷达二氧化碳柱线浓度综合测量误差约为0.71 ppm,满足1 ppm的二氧化碳柱线浓度高精度测量需求。     

差分吸收相干激光雷达中偏振分集技术研究

为减小差分吸收相干激光雷达(DIAL)中偏振衰落对 回波信号功率反演精度影响,研究了偏振分集技术(PDT)在相干DIAL中 的作用,构建了利用STM32控制的双光束切换DIAL实验装置。依托构 建的装置,利用平衡探 测,分别采用PDT和一般外差探测完成多组次实验,应用单频检测方法得到20m光程下吸收 气体不同浓度下相干中频信号的振 幅值,并由此求解出on光和off光回波信号功率。对回波信号功率值差分信息与由HITRAN得 到的参考差分信息比较 发现:应用PDT能使探测分辨率提高4倍,对应到2km距离内,可以探测到3.5×10－6ppm的CO₂浓度变化,满足了 气候研究所需的优于1％的精度要求,验证了PDT消除偏振衰落以及提高相干DIAL分辨精度的 作用。     

全波形机载激光雷达数据处理技术的研究进展

全波形机载激光雷达可以直接快速获取地面特征点的3维空间位置,相比于其它测绘方法,全波形机载激光雷达在一定程度上性能更优。首先介绍了全波形机载激光雷达激光测距的工作原理,随后讨论了全波形机载激光雷达数据处理的一般性方法,并总结了其数据处理技术国内外研究现状的主要进展,最后归纳了全波形激光雷达数据处理研究中的关键问题,在此基础上对其数据处理的研究前景进行了展望。     

Modeling lidar returns from forest canopies

Remote sensing techniques that utilize light detection and ranging (lidar) provide unique data on canopy geometry and subcanopy topography. This type of information will lead to improved understanding of important structures and processes of Earth's vegetation cover. To understand the relation between canopy structure and the lidar return waveform, a three-dimensional (3D) model was developed and implemented. Detailed field measurements and forest growth model simulations of forest stands were used to parameterize this vegetation lidar waveform model. In the model, the crown shape of trees determines the vertical distribution of plant material and the corresponding lidar waveforms. Preliminary comparisons of averaged waveforms from an airborne lidar and model simulations shows that the shape of the measured waveform was more similar to simulations using an ellipsoid or hemi-ellipsoid shape. The observed slower decay of the airborne lidar waveforms than the simulated waveforms may indicate the existence of the understories and may also suggest that higher order scattering from the upper canopy may contribute to the lidar signals. The lidar waveforms from stands simulated from a forest growth model show the dependence of the waveform on stand structure.     

大气探测激光雷达技术综述

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。按照激光雷达探测技术分类,有米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等,分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、发展历史及优缺点,以及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。     

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.     

小波变换与匹配滤波耦合的激光雷达弱信号处理

远距离激光雷达回波信号弱,干扰强,处理比较困难。距离越远,得到的有用信号就越弱。为了提高激光雷达检测距离,对弱信号进行数字信号处理就显得很重要。采用一般方法常将干扰信号判断成有用信号,从而影响了激光雷达的工作能力。夺文采用小波变换和匹配滤波耦合的方法对激光雷达弱信号进行处理,既能从强噪声中提取有用信号,又能有效的去掉强干扰信号。采用一台TEA—CO2激光器进行实验,当采样速率达到200MHz时,对于信噪比大于1．2的含噪信号能有效地去掉噪声和强干扰信号,在保持原信号特征的情况下,准确地提取出有效的弱信号。这就有效地提高了激光雷达的工作能力。     

Multiple scattering simulations for the Japanese space lidarproject ELISE

Spaceborne lidar observations have a great potential to improve our knowledge of the atmosphere. However, contrary to ground-based or airborne lidar measurements in observations from space multiple scattering (MS) has to be accounted for under all atmospheric conditions. A simple way to achieve this is to introduce the approximative MS factor F in the single scattering lidar equation. We determined F for measurements of aerosols, ice and water clouds as they were planned with the Japanese space lidar ELISE. We found that F is almost constant in cirrus clouds and in water clouds which are penetrable by lidar. In aerosol layers F depends on penetration depth, extinction coefficient and aerosol type. In comparison to LITE the MS factor is smaller (for aerosols and water clouds) or almost equal (cirrus)     

单波长与双波长探测平流层臭氧的比较

本文利用安微光机的多波长紫外差分吸收激光雷达∧［1］的探测结果,在平流层背景气溶胶情况下,比较单波长（308nm）距离差分方法和双波长（308-355nm）差分方法受气溶胶和温度影响的结果,比较结果表明：单波长距离差分方法受温度变化和气溶胶的不均匀影响较大,双波长差分方法受影响较小,两种方法的处理结果有明显差异,30天的平均结果表明,在19km以下,单波长结果与双波长结果相差较大;在19～35km高度区间,单波长结果与双波长结果的相对误差小于12%。     

机载多普勒激光雷达指向影响分析及定标

通过分析机载多普勒激光雷达测量模式特征,考虑飞机姿态测量精度的影响,仿真分析了径向速度误差,以及多视线反演水平风场的反演精度,按照文中仿真系统的输入参数,不考虑雷达系统频率检测误差,风速测量误差小于0.3 m/s。该结果为机载多普勒激光雷达平台设计和测量模式的选择提供了参考。在此基础上,提出了一种基于地面散射信号测量的激光指向定标方法,并通过激光雷达实测数据进行验证,指向定标精度优于0.2°。     

窄脉冲宽调谐调Q Cr:LiSAF激光器及其应用研究

研究了窄脉冲宽调谐调 QCr:Li SAF激光器的输出特性 ,在峰值波长 850 nm附近获得了单脉冲能量为 2 1 4 m J,脉宽为 2 0 ns的稳定调 Q输出 ,线宽小于 0 .2 nm。分析了 Cr:Li SAF激光器中影响调 Q的因素和晶体损伤问题 ,研究了基于 Cr:Li SAF的双波长可调谐激光器在差分吸收激光雷达中的应用