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。     

碘激光的大气吸收特性

用激光长程吸收光谱方法测量了实际大气的高分辨率吸收光谱,测量了水汽分子的谱线参数.实验表明,水汽分子的吸收是最重要的大气吸收.碘激光波长恰好处在大气微窗口.但是,对于强激光的传输,微弱的吸收也能产生很强的非线性效应.利用自测的谱线参数和HITRAN数据库,采用计算线翼吸收的方法,我们计算了不同模式大气的吸收系数和大气透过率.中纬度夏季海平面的大气分子吸收系数在0.1～0.01 /km量级.由于大气中的水汽浓度(湿度)直接影响碘激光的大气吸收强度,在我国,由南向北,由夏到冬,水汽浓度减少,碘激光的大气吸收率递减.此外,碘激光垂直向上传输比海平面水平传输有利.第三,碘原子的跃迁有6条超精细谱线,碘激光的超精细结构对传输有重要影响,其中3个频率的大气吸收比较小.计算表明,单一最强跃迁频率的碘激光的大气吸收比多谱线的碘激光小,因而更有利于大气传输.在中纬度夏季,它垂直向上全程的大气分子吸收率与多谱线碘激光水平传输1 km相当,为9.0 %.本文介绍测量实验方法和计算分析结果.(OG18)     

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。     

太赫兹波大气衰减的抛物方程模型

抛物方程是一种模拟电波传播特性的高效模型,但目前抛物方程模型在模拟电波传播时,主要考虑大气的折射效应而忽略了其吸收作用,然而太赫兹波的大气衰减较为严重。通过引入大气分子吸收的复折射率,实现了应用抛物方程模型计算太赫兹波的大气衰减。该模型考虑了大气压强、温度和水汽密度等气象参数随高度变化对大气衰减的影响,且能够针对不同地区和季节的气象条件对大气衰减进行计算,与真实环境更加符合。最后利用该模型仿真分析了0.14 THz波的传播特性,给出了传播损耗随距离和高度的变化,并与忽略大气衰减的结果进行了对比,结果表明抛物方程模型能同时体现太赫兹的大气吸收效应和多径传播效应。     

相关k分布法在水汽强吸收带计算中的应用

为了快速计算水汽强吸收带光学透过率,采用相关k分布的方法,对它们在计算水汽强吸收带大气透过率中的应用进行了理论分析和实验验证,设计并开发了相应的计算程序,分别用6种大气模式进行检验,取得了较好的实验数据。并对相关k分布法中求积网格点的选取、非均匀大气吸收系数的插值作了讨论。结果表明,相关k分布法用于宽带强吸收大气透过率计算具有精度高、速度快的优点。这一结果对于将相关k分布法快速高效地用于实际应用是有帮助的。     

相关k分布法在水汽强吸收带计算中的应用

为了快速计算水汽强吸收带光学透过率,采用相关k分布的方法,对它们在计算水汽强吸收带大气透过率中的应用进行了理论分析和实验验证,设计并开发了相应的计算程序,分别用6种大气模式进行检验,取得了较好的实验数据.并对相关k分布法中求积网格点的选取、非均匀大气吸收系数的插值作了讨论.结果表明,相关k分布法用于宽带强吸收大气透过率计算具有精度高、速度快的优点.这一结果对于将相关k分布法快速高效地用于实际应用是有帮助的.     

THz技术在大气探测领域的应用研究进展

THz波的频段范围（0.1~10 THz）及其特性使THz波具有较高的空间分辨率及大气参数灵敏性,同时THz辐射在地球辐射平衡中的重要作用决定了其在大气探测领域有重大的研究价值和广阔的应用前景。介绍了THz技术在大气探测领域的应用现状,重点分析介绍了THz波遥感探测大气水汽廓线、温度廓线、卷云的微物理参数及大气微量气体成分的原理、特性及存在的问题,最后对THz波大气探测技术的研究提出几点建议和展望,并指出了当前THz波大气探测技术的研究前沿和研究热点。     

利用温度权重函数反演大气温度廓线的相关理论研究

要利用温度权重函数反演大气温度廓线,首先要了解相关概念和理论。本文的主要研究内容是地基双通道微波 辐射计在大气温度廓线遥感和反演中的相关理论：5mm频段氧气吸收带的吸收特征;微波遥感大气温度辐射方程特性; 大气透过率和权重函数的计算。得出了上行和下行大气辐射方程温度权重函数的特性、不同观测高度和观测角度的大气 透过率、地基微波辐射计的权重函数。     

用于测量流层水汽的拉曼激光雷达

水汽在大气中含量很少,但变化很大,变化范围在0.1%~4%之间,水汽绝大部分集中在对流层。随着光电探测技术的不断发展,大气衰减对光电探测造成的影响也越来越显著,其中水汽是主要影响因子之一,也是最为不确定参数。光电探测中常用红外波段,但是水汽分子浓度较大,对辐射吸收造成很大的影响。拉曼激光雷达是测量大气水汽的主要技术手段之一。介绍了自行研制的水汽测量拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量。测量结果显示:该激光雷达可以对夜晚8 km高度范围内以及白天边界层内的水汽进行测量。实验数据与当地探空数据进行比对,取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达测量水汽的有效性和可靠性。     

基于平均探空廓线和地表实测数据构建大气参数廓线的方法研究

许多光学工程都需要掌握实时大气参数廓线,用来预测大气透过率和大气背景辐射,而目前除了无线电探空和大气遥感外,不易获得实时大气参数廓线。利用历年探空站点数据,并根据地面实时大气参数值,构建各高度层比例因子,得到实时大气参数廓线。以厦门地区为例,将模拟构建的实时温度、气压、水汽密度廓线及整层大气可降水量与实际探空廓线进行对比,表明:构造的对流层以下的温度廓线偏差小于2.5 K,气压基本保持不变,水汽密度廓线在晴天条件下与真实廓线吻合较好,水汽总量偏差小于15%。此方法在某些光学工程中有一定的应用价值。     

短波红外吸收带林火与背景辐射亮度比较分析

对于短波红外吸收带图像高温目标特征的研究有利于提高红外目标的识别率。短波红外吸收通道可探测的地面高温目标辐射特征除了与目标温度有关,还受到大气参数状况、遥感器参数设置等影响。采用仿真分析方法,较为系统地获得了不同大气条件下林火目标与地面背景辐射数据,分析了二者的特征差异,并仿真分析了波段带宽设置对仪器接收到的辐射能量的影响。研究表明仪器带宽设置对高温目标的探测信噪比起决定作用,其次,大气模式设置不同,在短波红外水体吸收通道,林火与背景的辐射亮度特征差异显著不同。地面背景入瞳处总辐射在4.3 um附近吸收带主要受程辐射影响,在2.7 um附近吸收带主要受水汽含量影响。     

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。     

用CO激光磁共振方法对NO_2分子压力增宽系数的测量

本文叙述了采用激光磁共振光谱方法来测量NO_2分子自增宽系数以及NO_2—N_2,NO_2—He的压力增宽系数,从而计算这些分子间的碰撞截面。 有关NO_2分子谱线位置的测量和谱线标识工作已做了许多,但有关NO_2分子吸收谱线强度的研究工作做得较少;然而这些研究工作又依赖于NO_2分子吸收谱线的线宽、线型的研究     

基于信息容量的FY-4A/GIIRS红外光谱探测能力 研究

利用LBLRTM逐线积分模式开展不同大气状况条件下各大气参数在FY-4A/GIIRS红外通道的光谱敏感性分析,在此基础上,以信息熵和自由度为判据,对FY-4A/GIIRS高光谱探测资料所包含的温度、水汽、臭氧等大气参数信息容量进行定量化描述,从而评估FY-4A/GIIRS对大气参数的可反演能力.研究结果表明:(1) FY-4A/GIIRS长波波段对温度和水汽的敏感度与大气状况相关,而对臭氧的敏感度在不同大气状况条件下差异不大;(2)初步揭示了FY-4A/GIIRS具备大气温湿和臭氧廓线反演的应用潜力,在相同大气条件下,FY-4A/GIIRS红外光谱所包含的温度信息容量最大,水汽其次;(3)在热带大气条件下,FY-4A/GIIRS所包含的温度和水汽信息容量最丰富.     

用超荧光光源实现HCN分子2v3带红外振转谱测量

采用超荧光光源(SFS)搭建了一个新型的气体吸收谱线测量装置,成功实现了对13.332 kPa气压下H13C14N(HCN)气体分子2v3振动带精细结构的准确测量.分析了双程后向(DPB)结构的SFS和HCN分子的结构及振动转动模式,所采用的SFS在2 mW输出功率下,激发了2V3振动带J=0～27的转动能级,输出谱在波长1525.3～1560.3 nm之间平坦度小于1 dBm,可以直接覆盖测量50多条振转谱线,无需多次扫描和数据拟合.利用了SFS高亮度和宽谱的特性,与常用的窄线宽可调谐激光器扫描法和经典吸收法比较,结构简单,成本低,可以很方便地实现实验室条件下气体分子精细结构的研究.     

横向泵浦脉冲染料激光的偏振

偏振是激光束的一个重要参数,能对激光与物质相互作用的物理过程和化学过程产生影响。染料激光器能提供高功率、窄谱线线宽的可调谐光束,在研究和开发中应用广泛。但是,有机染料溶液内激活分子的光学各向异性会使激光具有偏振或部分偏振特性,这一事实在器件和使用中必须注意。     

红外大气透过率的计算模式

建立了一套具有自主知识产权的红外大气透过率模式(IATM),光谱分辨率为1 cm-1,可较快速地计算空间任意两点的红外大气光谱透过率.大气分子吸收计算是采用基于精确的LBLRTM逐线积分算法而提出的一种非线性拟合算法,结合了最新的HITRAN2004数据库中的分子吸收线参数,除了保留MODTRAN中的几种气溶胶衰减的计...     

红外窗的大气衰减

前言大气中即使没有霾、雾、尘埃或其他微粒杂质,也没有所谓完全透明的大气红外窗。由于窗口中的许多很弱的吸收线和有其中心处于窗口外边的很强吸收线的外翼,因而产生大气气体的吸收。在可见光和接近18微米之间的大部分吸收线是由吸收分子的振动和转动能级的共振跃迁所造成的。在较长的波长中,大部分吸收线属于纯转动的。在接近8微米的短波长中,出现某些纯转动的H_2O线(参考1)。给出了实验室研究的大气和大气气体的光谱曲线。验证了引起吸收的给定气体和说明了     

中波红外大气透过率特性分析

大气透过率是影响太阳辐射以及地表热辐射的一个重要参量。利用MODTRAN辐射传输模型,对中波红外波段(3~5 μm)处的大气透过率以及其影响因子的贡献进行了详细的分析。在此基础上,结合MODIS在该谱区设置的6个通道,分别讨论了各吸收气体对通道透过率的影响。结论表明,水汽和混合气体是造成中波红外波段大气透过率衰减最重要的影响因子。MODIS通道透过率与通道光谱响应函数的宽度和气体分子的吸收带位置有关。     

通用大气辐射传输软件(CART)分子吸收和热辐射计算精度验证

为检验通用大气辐射传输软件CART分子吸收和热辐射的计算精度,利用精确的逐线积分法（LBLRTM）和广泛使用的中分辨率大气传输模式（MODTRAN4.0）,就CART软件计算的晴空大气分子吸收透过率和热辐射进行对比验证。模拟了水平距离、观测天顶角和观测点高度对光电工程各观测波段内平均大气透过率和积分辐射的影响特性。结果表明:CART软件分子吸收的计算精度优于MODTRAN4.0软件,大气热辐射的计算精度和MODTRAN4.0相当。