大气遥感高光谱分辨率激光雷达研究进展

高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演,在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展,并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。     

基于视场展宽迈克尔孙干涉仪的高光谱分辨率激光雷达滤光器设计研究

提出了用作近红外高光谱分辨率激光雷达(HSRL)光谱滤波器的视场展宽迈克尔孙干涉仪(FWMI)的设计方法。详细给出了FWMI的设计理论和设计指标的确定过程,通过视场补偿及热补偿设计,使FWMI能在一定温度范围内保证较大的入射视场。给出了针对近红外FWMI的设计结果。性能评估表明,所设计的FWMI可接收的视场角大于2°,并在(20±0.5)℃的温度范围内具有几乎不变的工作性能。最后通过容差分析,保证了该设计结果能满足现有的加工工艺。该设计过程和方法对FWMI的设计加工具有一定的指导意义。     

Raman-Mie激光雷达测量对流层大气气溶胶光学特性

为了研究合肥上空对流层大气气溶胶的光学特性,研制了一台Raman-Mie激光雷达,用来测量大气气溶胶的消光系数、后向散射系数和激光雷达比的垂直分布。文中介绍了研制的Raman-Mie激光雷达系统和数据处理方法,并且给出了几个测量结果。在冷锋过境时,激光雷达测量的整层对流层中大气气溶胶的后向散射系数的时空变化表明,大量的气溶胶粒子被冷空气输送到合肥上空,大气气溶胶在4 km以下的垂直分布有剧烈的变化,混合层顶的高度被抬升到了3 km附近。Fernald方法和Raman方法反演的大气气溶胶光学特性的对比结果表明,该激光雷达能够测量合肥上空大气气溶胶层中的消光系数、后向散射系数和激光雷达比廓线。     

合肥地区背景大气气溶胶的偏振激光雷达测量研究

为了研究合肥地区背景大气气溶胶的后向散射特性和偏振特性,利用2007年1月至2009年2月期间无云晴天偏振激光雷达常规测量数据进行统计分析。结果表明：合肥地区对流层中、上部气溶胶散射比和大气退偏振比具有明显的季节变化,其均值春季最大、冬季次之、夏季再次、秋季最小;在春季由于非球形粒子增多,使得其结果明显偏大。数据分析结果为低对流层米散射激光雷达测量数据反演提供参数选取依据,并为特殊天气过程大气气溶胶结构层（沙尘层、污染层等）的深入研究提供有用资料。     

生物战剂/气溶胶激光雷达遥测技术研究

散射、荧光和偏振信息是生物战剂/气溶胶时空观测和识别的有效数据源。对Mie散射、紫外激光诱导荧光和偏振探测激光雷达的原理、数据反演等进行了阐述和讨论,并对消光系数、荧光和退偏振比的探测结果进行了探讨。实验和数据表明,消光系数、退偏振比和荧光的时空分布,用于生物战剂/气溶胶的探测和识别是可行的。     

基于室内高光谱激光雷达的典型树种叶片光谱观测和分类

高光谱激光雷达综合了高光谱和激光雷达特征,可为植被生理生化参数提取提供更加精确的遥感探测,但其应用潜力尚未得到充分挖掘。以北京10个典型树种的单叶为样本,开展室内高光谱激光雷达的叶片观测试验,并进行树种分类研究,为未来高光谱激光雷达的林业应用提供基础。首先进行可调谐高光谱激光雷达(Hyperspectral LiDAR,HSL)叶片高光谱测量,并完成与ASD地物光谱仪所测数据对比实验;其次,应用随机森林方法实现10种叶片的分类研究,其输入的特征指数为融合全部波段、部分敏感波段的光谱指数。结果表明:(a)HSL在波段650～1000 nm (71个通道)内观测的叶片高光谱和ASD光谱一致(R~2=0.9525～0.9932,RMSE=0.0587);(b)只用原始波段反射率分类精度为78.31%,其中分类贡献率最大波段的是650～750 nm,使用此波段进行分类精度为94.18%,表明利用红边波段(650～750nm)进行树种分类是十分有效的;(c)对树种敏感的波段为680 nm、685 nm、690 nm、715 nm、720 nm、725 nm、730 nm;(d)结合敏感波段光谱指数与植被指数分类精度82.65%。该研究结果表明在单叶级别,利用高光谱激光雷达能够准确地反映目标叶片的光谱特征并且能有效进行树种分类;未来将可能在野外应用中精确提取目标的生理生化参数。     

船载激光雷达观测青岛海域气溶胶光学性质实验研究

研制了一套能连续探测海洋大气气溶胶光学性质垂直分布的船载小型米散射激光雷达系统,用该系统于2015年5月和9月在青岛海域开展了海洋大气气溶胶观测实验.以同船搭载的Microtops II型手持式太阳光度计同步测量得到的气溶胶光学厚度作对比数据,比较了两种仪器的气溶胶光学厚度测量结果,得到观测海域柱平均激光雷达比为32.4sr,标准偏差4.6sr.由Fernald方法得到了实验海域夏季15 km以下的气溶胶消光系数廓线.连续观测实验表明研制的船载米散射激光雷达结构紧凑,易于在船载平台操作,能对海洋大气气溶胶的光学特性进行连续有效的高时空分辨率廓线测量.     

大气海洋高光谱分辨率激光雷达鉴频特性研究

统一分析大气海洋高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的鉴频性能,能够为大气海洋的联合探测研究提供帮助。 提出了一种基于视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)鉴频器的大气海洋HSRL系统和算法,用于反演海水和 大气颗粒的180°体积散射系数。该系统的核心在于采用混合-分子双通道接收信号,其中分子通道 利用FWMI鉴频器滤除颗粒信号,透过分子信号。研究表明,反演误差会随着颗粒散射比(总180°体积散射 系数与分子180°体积散射系数之比)增大而线性增大,而光谱分离比(分子与颗粒透过率之比)的提高能够显 著抑制误差的增长趋势。因为海洋的分子散射与颗粒散射在光谱上更加分离,因此FWMI在海洋HSRL上的鉴频 能力高于大气HSRL。所提的基于FWMI的HSRL系统能够工作于水体和大气中,对大气海洋激光雷达的性能提升有重要的意义。     

基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线反演算法研究

星载Mie散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而,大气气溶胶类型多样,通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验,从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线,但这一定程度上会影响反演精度的进一步提升。鉴于此,提出了一种基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线的迭代反演优化算法。该方法首先在给定的先验气溶胶模式下获得初始消光-后向散射比（即激光雷达比）,并基于此分别反演两个通道的气溶胶消光系数和光学厚度。同时借助构建的气溶胶光学厚度与气溶胶质量柱总量之间的关系,得到两通道独立估计的大气气溶胶质量柱总量。最后以两通道大气气溶胶质量柱总量相同为约束,实现仅依赖激光雷达数据的激光雷达比及气溶胶相关光学参数的迭代优化。由于双通道激光雷达观测的限制,该方法适用于两种类型气溶胶混合下的反演,利用内蒙古包头地区的多年气溶胶背景场,对反演模型的精度和适用性进行了评估。与采用经验估算激光雷达比的Fernald方法反演结果相比,所提算法反演的气溶胶消光系数廓线在532 nm和1064 nm通道的平均精度分别提高了21.16%和3.00%。此外,还将该方法应用在CALI...     

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。     

高光谱分辨率激光雷达测量低层大气温度

基于碘分子滤波器对大气气溶胶散射的强吸收特性,滤除低层大气中气溶胶散射的影响,从而利用分子瑞利后向散射信号强度反演低层大气温度.激光雷达低层大气温度测量结果与探空数据进行了对比,显示出较好的一致性,温度偏差在9 km内不大于3 K.讨论了激光雷达测得的大气温度与探空数据对比结果之间存在的系统偏差和由于参考高度温度初始值引起的激光雷达温度反演结果的变化.     

基于Fernald方法532nm激光雷达气溶胶探测试验

大气气溶胶浓度变化和迁移输送直接影响到人们的健康和生存环境,同时对许多大气物理过程都产生重要影响.基于对连续探测不同高度上气溶胶的分布,且时间和空间分辨率相对较高,以及观察大气气溶胶对流层的细化结构和变化过程的目的,研制一台532nm小型微脉冲米散射激光雷达,于2013年4月1日夜间进行观测实验获取数据,后期利用Fernald方法对探测数据进行反演分析,观测到北京夜间气溶胶的变化过程.     

基于REAL气溶胶激光雷达在站比对标定技术研究

年3月—11月,利用经过欧洲激光雷达标校中心认证的移动REAL 标准气溶胶激 光雷达,开展了迄今为止国内最大规模的激光雷达在站比对标定。本文首先介绍了一种组网 激光雷达在站比对标定方法,然后将REAL雷达与北京、上海、广州3个城市相关站点的12 部气溶胶激光雷达在532 nm波长下开展了首次在站比对标定。根据预 先设定的指标对其中按照 气象探测中心(meteorological observation center,MOC)要求完成软硬件标定的11部雷达进行了定量评估。结果表明11部雷达基本满 足指标要求,其中9部雷达P/S通道2—5 km系统偏差(system deviation,SD)均在±20%以内,超过50%的被标雷达P 通道0.5—2 km系统偏差基本满足±10%以内。 通过在站比对标定技术可以有效识别P/S通道 串扰、探测器饱和等问题,确 定了超大城市试验中被标雷达可信数据的范围,为气溶胶激光 雷达业务化定量应用提供了技术支撑。     

一种新型的抗干扰高精度混沌激光雷达

提出并研究了一种新型的具有天然抗干扰能力的,高精度混沌激光雷达.此激光雷达基于光反馈半导体激光器的连续波混沌激光的相关特性探测目标距离.数值分析了混沌状态和相关时间对混沌激光δ线型相关曲线特性的影响,表明高维、频谱平滑的混沌激光是理想的雷达光信号.实验验证了基于光反馈半导体激光器的混沌激光雷达测距及其高抗干扰能力,并获得了与测量距离无关且优于9 cm的测量分辨率.     

相干激光测风雷达高分辨距离门自适应技术研究

脉冲相干激光测风雷达的信号处理通常采用固定长度距离门来划分时域信号,并对每个距离门做频谱计算得到风速度信息。固定距离门的时域信号划分存在中频信号的非整周期截断问题,导致频谱计算时出现频谱泄露而产生误差,使信噪比降低。文中提出一种基于整周期搜索的自适应距离门划分方法,距离门长度与中频信号频率自适应,可实现对信号的整周期分割,避免了频谱处理中的频谱泄漏问题,提高频率估计精度。采用加噪信号对两种处理方法进行仿真分析,结果表明:自适应距离门方法可实现距离门长度与中频信号的自适应,在信噪比小于1 dB时,该方法得到的中频估计误差是固定距离门方法的38%~62%。应用自适应距离门方法处理激光测风雷达系统获取的转盘和风场回波信号,与使用固定距离门方法的激光测风雷达测量结果进行对比。结果表明:自适应距离门划分方法对转盘速度测量的均方根误差为0.19 m/s,大气风速度测量的距离分辨率在7~11 m之间变化,均优于固定距离门方法,实现了激光测风雷达的距离分辨率和测量精度的提升。     

低空高分辨率激光雷达光学系统设计

针对“低慢小”目标光学成像识别能力差、复杂背景下信噪比低等问题，设计了一款低空高空间分辨率激光雷达光学系统。发射光学系统扫描器件采用MEMS反射镜，设计了专用扩束光学系统保证不同扫描角度发射激光的光束质量；接收光学系统采用物镜、数字微反射镜器件结合偏振器件，可同时实现激光回波接收与可见光成像，相较于采用单点探测器接收的激光接收系统，具有背景噪声低的优势。给出了光学系统的性能参数，利用光学设计软件设计了光学系统，该系统空间分辨率为0.5 mrad/pixel，扫描点阵列规模为200×200。模拟结果表明设计方法可行，计算其在大气中的探测距离可达到1000 m，背景噪声相较于单点探测器接收系统可降低约22162倍。     

基于贪婪算法的高分辨信号源DOA估计

确定辐射源的来波方向(DOA)是阵列信号处理的重要研究内容,已经广泛应用于雷达、声纳和无线通信等领域。本文研究了远场窄带信号源的DOA高分辨估计问题。利用信号来波方向在空域具有稀疏性的特点,建立了远场窄带信号源的稀疏表示模型。根据协方差矩阵的特征值分解和贪婪匹配追踪算法原理提出了一种基于特征值分解的多重正交匹配追踪算法（EIG MOMP）。首先,利用特征值分解对阵列接收数据进行降维处理。这一降维操作使得问题转化为了一个具有多重观测向量（MMV）的欠定方程求解问题。接着利用MOMP算法对降维后的数据进行处理,最终得到信号的DOA估计值。该算法实现了在低信噪比下远场窄带信号源的高分辨DOA估计,并具有较低的运算复杂度。将本文提出的算法与传统的Capon算法、多重信号分类算法（MUSIC）以及正交匹配追踪算法（OMP）进行了对比。结果证明,该算法在低信噪比下能取得较好的DOA估计效果,可以针对任意的相干信号源,并且具有高分辨率的优点。      

Context-driven fusion of high spatial and spectral resolution images based on oversampled multiresolution analysis

This paper compares two general and formal solutions to the problem of fusion of multispectral images with high-resolution panchromatic observations. The former exploits the undecimated discrete wavelet transform, which is an octave bandpass representation achieved from a conventional discrete wavelet transform by omitting all decimators and upsampling the wavelet filter bank. The latter relies on the generalized Laplacian pyramid, which is another oversampled structure obtained by recursively subtracting from an image an expanded decimated lowpass version. Both the methods selectively perform spatial-frequencies spectrum substitution from an image to another. In both schemes, context dependency is exploited by thresholding the local correlation coefficient between the images to be merged, to avoid injection of spatial details that are not likely to occur in the target image. Unlike other multiscale fusion schemes, both the present decompositions are not critically subsampled, thus avoiding possible impairments in the fused images, due to missing cancellation of aliasing terms. Results are presented and discussed on SPOT data.     

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺 陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过 改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功 率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据 反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s−1。在此基 础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对 近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3∼18 m·s−1, 风场测量位置 2∼30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。