基于布里渊激光雷达测量大气声速误差分析

为了对大气声速误差进行分析,利用布里渊散射信号激光雷达对大气声速进行了测量,分析了大气声速与大气布里渊频移、大气折射率和入射激光波长的具体关系,利用该方法测量了大气声速的精度,并进行了数值分析.结果表明,在标准大气条件下,0km～86km海拔高度范围内大气声速测量的不确定度小于0.269m/s.该误差的分析对激光雷达的设计具有参考价值.     

拉曼激光雷达测量水汽误差源分析研究

水汽与人类的生活息息相关。常规手段测量水汽的时空分辨率较低有效提高局地短期天气预报的可信度。为加强拉曼激光雷达在气象预报中的应用,有必要对其水汽测量误差进行分析研究。通过自研的拉曼激光雷达测量数据,依据误差传递理论,分析水汽混合比的误差。同时,利用无线电探空仪与拉曼激光雷达对比。分析结果表明：激光雷达测量水汽主要包括标定常数、大气透过率修正和测量信号三个误差源。其中,定标常数误差随高度不变约为4%,是1.5 km以下误差的主要来源;大气透过率修正误差随高度升高而增加,洁净天气下对误差的影响小于4%;测量信号误差在洁净天气下3 km高度以内一般小于20%,在3 km高度以上,成为误差的主要来源。比对结果显示：激光雷达计算误差和比对误差一致性较好。上述分析结果对于提高激光雷达在气象预报中的应用起到很好的辅助作用。     

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.     

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.     

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。     

激光雷达探测大气边界层高度分布的梯度法应用研究

为了研究合肥地区大气边界层结构变化特征,利用偏振拉曼-米散射激光雷达进行了连续探测.首先介绍利用激光雷达回波信号提取大气边界层高度的梯度法,并分析该方法的优缺点.然后对梯度法进行修正,给出具体的实例分析及对比结果.最后利用修正后的梯度法对激光雷达连续测量数据进行大气边界层高度提取,得到合肥地区观测站上空大气边界层的高度分布及时间变化特征.结果表明,实验期间合肥地区的大气边界层高度主要分布在1～1.5 km范围内,平均高度约为(1.28±0.2) km.     

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。     

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。     

激光雷达测量大气气溶胶光学厚度方法研究

介绍一种激光雷达常数标定和气溶胶光学厚度(AOD)测量的新方法.利用太阳辐射计,获得大气气溶胶的光学厚度,激光雷达可以获得35～40 km高度的回波信号,在这一高度区间可忽略气溶胶的存在,大气模式可以提供大气分子散射系数,根据激光雷达方程计算出激光雷达常数.反之,标定激光雷达常数后,根据激光雷达方程,以激光雷达35～40 km的大气分子后向散射回波信号来确定气溶胶的光学厚度.激光雷达测量结果与太阳辐射计的测量结果一致性较好,说明该方法是可行的.这种新方法既可以用于白天的气溶胶光学厚度测量,也可以用于夜间测量.     

瑞利激光雷达探测大气温度算法分析

介绍了瑞利激光雷达的基本结构,描述了使用瑞利散射激光雷达探测平流层和中间层低部大气温度的数据处理方法,构建同时包含标准大气模式温度信息和实际探测背景噪声的模拟数据,对此模拟数据进行背景扣除、平滑去噪、参考点选取等计算分析,探讨提高温度反演精度的实用算法。并应用此数据处理方法对瑞利激光雷达的实际测量数据进行了计算处理,将计算结果与模式CIRA86、HALOE卫星数据进行对比分析,反演高度30～45km时误差1～3K,45～65km误差大约在2～5K,65～70km误差＜10K。     

激光雷达对大气风场的光束扫描及风场反演

用激光雷达通过多普勒频移来确定激光束视线方向上的大气风场的速度矢量。通过这些测得的矢量来反演观测视场的大气风场群速的速度矢量是激光雷达的一个重要应用 ,采用 Edge技术的多普勒激光雷达是一种非常重要和有效的工具。本文中将对利用此项技术的激光雷达测得的数据进行分析处理     

随机噪声对海洋布里渊激光雷达测量的影响

为了分析激光雷达系统中随机噪声对海水布里渊散射谱以及温度反演精度的影响,依据布里渊散射理论及系统噪声特性,对带噪布里渊散射频谱进行了理论分析,并进行了信噪比从1dB~100dB的仿真实验。结果表明,当信噪比大于16dB时,频移和线宽的平均误差和不确定度能够控制在兆赫兹量级,温度误差和不确定度能够控制在0.2℃以内;采用实际应用中多次测量取平均的方法,10次平均能够保证0.2℃的测量精度对信噪比的要求下降到7dB。这为激光雷达在海水高精度遥感提供了指导。     

水中布里渊散射的边缘探测方法

提出了一种测量水中布里渊散射的新方法——边缘探测技术。分析了这种方法的原理。结合布里渊散射激光雷达在海洋监测中的应用,给出了一个基于溴和碘分子吸收池的实际探测系统,并给出了系统的响应函数。最后,讨论了边缘探测技术的特点     

布里渊激光雷达系统中的关键因素研究

基于德拜热运动的弹性波理论,考虑激光雷达的光散射效应,提出了布里渊激光雷达系统中的布里渊线宽的选择方法,并推导出散射光谱中的斯托克斯线和反斯托克斯线两条伴线的相对频移公式;分析指出,在介质中,由于弹性波总是有衰减,所以,布里渊谱线的线宽不为零;建立了布里渊激光雷达系统实验模型,通过选取适当的参数进行模拟计算,进一步讨论了布里渊线宽与海水温度的关系;得到了不同海水温度下的布里渊线宽曲线,从而清晰的表明,在激光雷达系统中,布里渊线宽并不是一个常值,在其他参量不变的情况下,随着海水温度的升高,布里渊线宽会逐渐变窄。     

基于多普勒测风激光雷达的锁频系统与激光测速系统的设计与实现

在非相干多普勒测风激光雷达系统中,激光的线宽与频率的稳定性是影响测量结果准确性的两个重要因素。研制的激光雷达系统采用种子注入方法产生窄线宽脉冲激光,采用碘分子饱和吸收稳频的方法,利用VB语言基于PID算法编写仪器控制程序,将种子激光器的频率锁定在碘分子吸收线1 109线的高波数边缘上,长时间(4 h)锁频的精度0.5 MHz,频率的长期稳定度为3.5510-9。设计了连续光测速系统,得出多普勒频移测得的实验值与实际斩波盘的速度值曲线,速度误差小于0.4 m/s。由此也说明,所设计的连续光测速系统可以对整个锁频系统进行校准。该实验也为测风激光雷达的建设提供指导意义。     

基于线性调频脉冲压缩的激光相干探测技术研究

针对现有的单频率脉冲相干探测激光雷达的高精度测量矛盾,研究采用线性调频脉冲压缩的方式实现相干激光雷达对目标的高精度测距和测速.文中介绍了线性调频脉冲压缩的原理并给出了仿真结果,并结合相干激光雷达系统的特点,并对系统的实现方式问题进行了探讨.     

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。     

影响分布式布里渊阈值功率的多参数分析

分析和讨论了分布式光纤布里渊散射阈值的多参数理论分析模型,定量研究并得到了主要参数(光纤长度、光纤纤芯芯径、泵浦光线宽、布里渊频移等)对单模光纤布里渊散射阈值的影响变化关系,其中布里渊频移对阈值的影响变化规律具有重要应用价值.最后,基于布里渊阈值实验测试系统测量了3种不同单模光纤的布里渊散射阈值,实验结果与理论分析计算预测值吻合.     

波长扫描型布里渊光时域反射仪

布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种具有广泛应用前景的分布式光纤传感器。对于特定的入射波长,自发布里渊散射光的布里渊频移与温度和应变成线性关系,通过测量光纤沿线布里渊频移分布可实现温度或应变的分布式传感。布里渊功率谱扫描是BOTDR获取布里渊频移的常用手段,已有光频差扫描与电频扫描两种方式。基于布里渊频移对波长的依赖性,提出一种波长扫描型BOTDR。采用可调谐激光器作为光源,通过扫描入射光波长,来获取布里渊功率谱,该方法兼具光频差扫描与电频扫描的优点。实验证明了该方法的可行性,对23.4km光纤进行测量,实现了5m的空间分辨率与2.2℃的温度测量精度。     

双波长高空探测激光雷达技术

在原有瑞利散射和钠层荧光激光雷达的基础上,通过采用二次倍频余光复用和双光纤焦面分光等关键技术,将上述两种高空探测机制融入一台激光雷达中,实现了对30~80 km瑞利散射和80~110 km钠层荧光回波的同时探测,从而达到了利用一台激光雷达对30~110 km这一宽广的大气段进行连通性探测的目的,为中高层大气的探测研究提供了一种更为有效的手段。主要报道双波长高空探测激光雷达的基本原理、关键技术及目前所达到的探测性能。