基于直射太阳光红外吸收光谱技术的大气中CH4柱浓度遥测研究

为了研究甲烷气体柱浓度探测方法,文中介绍了一种基于直射太阳光红外吸收光谱技术的遥测系统,并利用该系统在合肥地区进行了连续观测。从太阳吸收光谱中实时测量了整层大气透过率;采用逐线积分方法模拟计算了整层大气透过率;基于非线性最小二乘光谱反演算法从实测整层大气透过率中反演了甲烷气体柱浓度和氧气柱浓度,并以氧气柱浓度为内标函数获得了甲烷干空气柱体积混合比,精密度优于2%。将本系统测量的2012年9月25日12时到15时CH4干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星的CH4观测结果进行了比较,两者偏差小于1%。可见,该系统和方法是一种有效的甲烷气体柱浓度探测系统和方法,具有较高精度。     

近红外外差光谱温室气体柱浓度的探测方法

搭建了一套以1.57μm近红外半导体激光器作为本振光源的小型化被动式激光外差探测系统,并将其用于大气环境监测。为对该系统的性能进行评估,以窄线宽近红外外腔激光器岀射的光作为信号光,与本振光混频,得到系统的带宽为0.032 cm~(-1),最小可探测灵敏度为25 pW,为光电探测器暗电流噪声功率的1/68。利用该系统对大气CO_2太阳光谱信号进行测量,并反演了其中两条主要强吸收线所对应的体积分数,结果均约为396×10~(-6),误差为7.6×10~(-6),测量结果与实际整层大气中的CO_2柱浓度一致,验证了该系统的可行性。     

基于M—Z干涉具的激光光谱探测技术研究

为了探测来袭激光光谱信息,设计了一种激光探测与光谱实时测量装置,以相干探测技术和傅里叶光学与光信号处理为基础,进行激光光谱测量.使用实心小型静态马赫-泽德干涉具作为分光元件,有效地抑制背景光,且能探测纳秒级窄脉冲激光信号;用高速DSP芯片和多通道帧减技术实现实时信息处理,达到背景噪声去除、激光探测和光谱测量.测试结果表明,可探测激光脉冲宽度为10 ns,波长测量误差小于10 nm.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的大气水汽检测方法研究

用激光吸收光谱方法对大气水汽浓度检测进行了研究。采用窄线宽的半导体激光器作光源,通过直接吸收光谱技术来反演气体浓度。低阶多项式对直接吸收信号进行基线拟合以消除光强波动获得吸光度曲线,再用非线性拟合Levenberg-Marquardt算法进行线型拟合获取积分吸光度,从而根据HITRAN数据库中或实验室测定的吸收线强和展宽系数等参数来进行水汽浓度的直接反演。选取了1.4 附近的两条水汽吸收线进行了浓度检测验证和分析。     

对流层气溶胶和水汽的车载激光雷达系统的探测

利用研制的一套具备昼夜测量能力的新型车载大气探测激光雷达系统为试验工程和环境监测提供应用研究。该激光雷达系统由水平测量模块和垂直测量模块构成,可通过接收激光与大气中气溶胶粒子、水汽分子、氮气分子作用的米散射和拉曼散射信号,反演大气水平能见度、垂直的气溶胶消光系数和水汽混合比。并可实现昼夜连续观测,实际测量结果与对比实验表明,大气水平能见度的测量误差小于10%, 6 km以下垂直大气气溶胶的测量误差小于10%,水汽的测量误差最大不超过20%,能够满足大气参数测量的实际需求。     

机载大气红外高分辨率光谱的信息量分析

机载红外高分辨率干涉光谱仪（HIS）是遥感大气信息的大气红外背景辐射测量装置。基于HIS红外高光谱大气数据,对大气温度和主要大气吸收气体进行了敏感性分析;并通过引入信息容量的概念,利用一维变分方法,对HIS测量装置遥感探测大气参数的能力进行评估,定量描述了HIS测量的红外光谱反演大气温度和水汽的信息容量、自由度和垂直分辨率等信息,其中温度、水汽的信息容量分别为49.5、25.2;自由度分别为10.5、5.6,温度的平均垂直分辨率为2.2 km,水汽的垂直分辨率为2 km;讨论了HIS的反演精度与仪器测量误差之间的关系,获取了大气温湿廓线的最小可探测精度。     

基于TDLAS的长光程环境大气痕量CO监测方法研究

CO作为大气中重要的污染物和煤矿、油田等环境的危险气体,CO浓度的实时监测对生产生活安全具有重要意义。筛选出CO位于2334 nm附近的R(6)吸收谱线,搭建了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的长光程开放光路大气CO监测系统。采用直接吸收技术,吸收光程为700 m,借助离轴抛物面镜实现了收发同光路;低功耗、小型化的测量控制系统,在单块电路板上实现了激光器驱动、光谱信号处理等功能,单板体积为120 mm×100 mm×25 mm,功耗小于5 W。上位机对光谱数据进行多峰拟合处理,分离出CO和CH4的吸收光谱,反演CO浓度。通过分析光谱数据标准差可知,在1 s响应时间下的检测限为0.06×10-6。对大气中的CO浓度进行了连续监测,测量结果和CO点式分析仪结果一致性良好,验证了该系统仪器化的可行性。     

空间外差光谱技术及其在大气遥感探测中的应用

基础研究表明大气微量气体成分的精确反演需要超高分辨率光谱数据,空间外差光谱技术是近年来得以迅速发展的新型超光谱分析技术,综合了光栅及傅里叶变换光谱技术的特点。对空间外差光谱技术基本原理进行了分析,阐述了空间外差干涉数据复原光谱信息流程。针对大气主要温室气体CO2开展空间外差光谱技术在大气遥感探测方面的应用研究,通过地基遥感观测实验,分析空间外差光谱系统的探测灵敏度,验证超光谱数据对大气微量气体浓度变化检测能力。实验表明空间外差光谱技术在大气遥感探测尤其是微量气体成份探测中具有针对性和优越性。     

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。     

CO2激光大气传输的一些问题

本文论述了由几个工作人员得到的对CO2激光通讯有用的数据。考虑了三个主要方面：（1)吸收和散射引起的消光;（2)大气湍流引起的闪烁;（3)相位起仗使外差效率下降。除这些数据之外,也报告了我们测量的一些结果。诸如He-Ne激光闪烁和大气湍流的同时测量以及CO2激光的外差探测实验。     

基于QE65000光谱仪和DOAS的大气痕量气体浓度测量

针对QE65000光谱仪低噪声、紫外灵敏度高且尺寸小和重量轻等特点,开发了基于QE65000的差分吸收光谱(DOAS)遥测系统。首先研究了QE65000光谱仪探测器的偏置、暗电流以及暗电流与积分时间的关系,然后利用汞灯标定了光谱仪的波段范围和分辨率,并构建了基于QE65000的DOAS遥测实验装置,给出利用此系统测量的大气痕量气体吸收光谱和氙灯吸收谱,基于差分原理反演了大气中痕量气体的浓度,并给出测量误差和遥测系统探测低限。研究结果表明QE65000光谱仪应用于差分系统,为实现DOAS系统的小型化、便携化提供了可能。     

基于LabVIEW的气体高分辨率光谱探测系统

搭建了一套基于LabVIEW的实时、在线气体高分辨率光谱探测系统,采用离轴入射腔增强吸收光谱技术,将外腔式二极管激光器(ECDL)作为激光光源,实现了粗细两种扫描方式的光谱测量,获得了CO2分子在6358.65cm-1处的弱吸收谱峰、吸收光谱强度、线宽与气体浓度的关系,采用该吸收峰使整个系统的最小探测灵敏度达1.1×10-6 cm-1。在波数为6450～6530cm-1范围内,所获得的CO2分子振动转动光谱与模拟结果基本一致。实验结果表明该系统不仅可行,而且具有较高的探测灵敏度和光谱精度,能满足气体不同光谱的探测需求。     

外差探测激光多普勒雷达系统性能研究

外差探测激光多普勒雷达由于具有测速精度高和可辨别速度方向等优点而广泛应用于测风、流体测速以及着陆导航等方面。对外差激光多普勒雷达的测速原理、误差来源和系统噪声进行了分析,并给出了系统的信噪比和探测精度的仿真结果。搭建了全光纤外差探测激光多普勒系统。用研制的高精度运动目标模拟器开展了相关测速实验。实验结果表明,速度测量精度优于6.7 cm/s,而且与速度大小基本无关,这与仿真分析结果相一致。     

地基多通道微波辐射计在大气遥感中的应用

地基多通道微波辐射计可实时探测大气微波辐射亮温并反演出大气温度、水汽密度、相对湿度和液态水廓线等。本文主要介绍了自主研制的地基多通道微波辐射计以及数据反演方法,同时将微波辐射计反演的大气参数与探空资料对比分析了反演精度,结果表明微波辐射计观测反演大气温度、湿度和液态水廓线具有很好的精度。同时辐射计可实时精确的探测反演大气边界层逆温,能够很好的探测到地表辐射逆温的强度和逆温厚度,这对研究大气边界层有着重要作用。     

合肥地区晴空水汽含量变化特性研究

大气中的水汽对940 nm附近的太阳辐射吸收较强,利用水汽吸收透过率与水汽量的关系可以反演大气柱水汽总量.介绍了基于太阳辐射计反演大气柱水汽总量的方法,并对合肥地区2005年至2006年间的晴空观测数据进行反演,结果表明合肥地区夏季水汽含量最高,冬季水汽含量最低,春夏季水汽含量高于秋冬季;在水汽含量高的7月和含量低的3月,大气垂程水汽总量在一天中的相对标准偏差分别为2.34%和6.27%,表明晴好天气时合肥地区的水汽量日变化不大.     

快速腔长扫描光腔衰荡光谱仪及其中痕量气体测量中的应用

基于PZT快速腔长扫描技术和可调谐连续DFB激光器,搭建了一套快速腔长扫描光腔衰荡光谱探测装置,通过PZT快速腔长扫描实现激光单纵模与光腔纵模的模式匹配与破坏,以完成腔内光信号的独立衰减以及对此衰减过程快慢的测量。实验表明该装置不仅测量灵敏度高达10^-9量级,而且稳定性强,装置简单且易于操作。通过对CH₄气体在1653.72 nm 附近的吸收光谱测量,并用HITRAN数据库模拟校准,验证了该装置的定量测量能力。利用该装置通过固定激光波长测量吸收峰中心值方法对大气中CH4气体含量变化进行了探测。     

单频激光宽频段频率和强度噪声测量技术

报道了一种mHz至MHz宽频段激光噪声的规范测量技术。通过研制基于迈克耳孙光纤干涉仪的相关延时自外差频率噪声测量装置和具有定标功能的光外差拍频测量装置,结合频谱分析仪和快速傅里叶变换分析仪等标准仪器,规范地测量出了单频激光在mHz至MHz宽频段内的频率和强度噪声特性,并验证了测量结果的准确性。该测量技术有望应用于引力波探测和精密测量等应用中的激光噪声评估。     

激光掩星探测大气水汽的阿贝尔变换

对流层顶-平流层下区域(UTLS)的水汽分子密度对于研究全球变化、大气物质能量交换具有十分重要的意义,激光掩星技术可能是 一种探测该区域水汽的有效手段。掩星对于大气探测的核心思想源于阿贝尔(Abel)变换。GPS掩星的阿贝尔积分变换表达的是 连线的折射角与切点处折射率之间的关系,而与GPS掩星的阿贝尔积分变换不同的是,激光掩星的阿贝尔积分变换建立的是全路 径大气光学厚度与切点处大气消光系数之间的关系。从光线的程函方程出发,通过变量替换、坐标置换,从而建立起 大气光学厚度与大气消光系数之间的关系。由于光在切点处大气的消光系数和该处大气的水汽浓度成正比,因此分别在微 卫星和微卫星之间发射、接收0.935 $\mu$m掩星激光脉冲,连接两者之间的光束穿过大气层,计算积分路径上其水汽双波长 差分光学厚度,由阿贝尔积分变换反演即可获得光束路径切点处水汽浓度。随着掩星连线的上下移动,连线切点高度随着卫星 相向或背向而行而变化形成水汽浓度廓线。由于激光束发散角小,因此由激光掩星方法获得的水汽廓线高程精度高, 水汽的吸收消光可以直接得到水汽的分子密度,优于GPS掩星的相位延迟间接方法,可以更直接精确地探测大气对流层顶-平 流层下区域的水汽分子密度。此外,研究表明激光掩星方法的光谱分辨率优于太阳掩星方法的光谱分辨率。     

激光外差实验研究

利用激光外差探测原理实现综合孔径激光雷达探测越来越受到关注。通过二极管泵浦固体激光外差探测实验,实现了实验平台上接受目标反射微弱回波信号的外差探测,得到了信号光功率与本振光功率之间数量级差别的阈值范围,总结了实现激光外差探测应用于综合孔径激光雷达领域的条件。     

NH3的腔增强吸收光谱检测技术

为了研究腔增强吸收光谱技术是否能用于NH₃气体浓度的检测,采用扫描腔长的方法,以分布反馈式可调谐半导体激光器作光源,用两块高反射率平凹透镜（反射率约为99.9%,曲率半径约为1m）组成的光学谐振腔作吸收池,搭建腔增强吸收光谱装置。在34cm长的吸收池内测量NH₃气体分子在1.5μm附近的弱吸收谱线;通过不断增加NH₃气体浓度来改变腔内压强,每充入一次NH₃都测量并保存一次吸收光谱。通过数据处理,分析谱线宽度随气体浓度变化的关系以及吸收度随腔内压强增加的变化情况,发现都能呈现出良好的线性关系,并对残差噪声进行统计分析,得到了3.3×10-8cm-1的最小探测灵敏度。结果表明,高探测灵敏度的腔增强吸收光谱技术,可以实现NH₃气体浓度的测量,并能得到较好的探测精度。