双光栅转动拉曼雷达带宽对反演大气温度的影响

介绍了双光栅转动拉曼激光雷达的双光栅单色仪结构,并推导了相应的雷达公式.利用该公式把双光栅单色仪带宽对雷达反演温度带来的影响,简单地转化成双光栅单色仪带宽内包含的转动拉曼谱线对雷达反演温度带来的影响,结果表明多谱线比值反演的温度小于单谱线反演的温度,最大误差达13 K.     

转动拉曼测温激光雷达的双光栅单色仪研究

纯转动拉曼测温激光雷达中采用双光栅单色仪结构的优点是能提供优于10-7的抑制比,能够很好抑制Rayleigh-Mie散射,得到纯度很高的转动拉曼谱,并且能够提高光的透过率,具有长期的稳定性.光纤、透镜、光栅参数的选择及焦板上光斑的精确定位是双光栅单色仪研制成败的关键.在合适的参数下计算出了双光栅单色仪的滤波函数,高低量子数回波信号强度比以及温度随高度的变化,计算出的温度与代入的温度相差约0.3 K,说明此双光栅单色仪的设计是合理的.     

喇曼激光雷达探测云及其附近气溶胶光学参量

为了研究喇曼激光雷达探测云与气溶胶相互作用相关光学参量的可行性,研制了一台607nm喇曼激光雷达。采用适当提高喇曼激光雷达配置的方法,提高了喇曼回波信号信噪比。通过实验取得了晴空少云天气下云和气溶胶的消光系数垂直廓线,给出了喇曼激光雷达观测云与气溶胶相互作用的个例分析,说明利用地基喇曼激光雷达,可以为研究云与气溶胶之间相互作用的物理过程提供基础数据,并指出正在研制的多波长喇曼-偏振激光雷达技术探测云与气溶胶相互作用的技术优势。结果表明,喇曼激光雷达具备定量探测中低自由对流层内薄云层和气溶胶消光系数的能力。     

白天大气测温的转动拉曼激光雷达分光系统

大气测温转动拉曼激光雷达通常采用双光栅单色仪来分离得到拉曼散射信号谱线,然而这种结构存在通带较宽的缺点,以致白天工作时输出信号混合了较强的天空背景干扰,无法准确测量大气温度。Fabry-Perot标准具具有滤波带宽窄、带外抑制比高,以及透射率呈周期性的特点,在光栅单色仪前插入Fabry-Perot标准具,能够有效扣除背景光干扰,同时将氧气的拉曼散射谱线滤除,从而提高了输出拉曼谱线的纯度和输出信号的信噪比,最终可提高温度反演精度并实现日光环境下工作。     

喇曼方法测量激光雷达常数研究

为了标定激光雷达常数,在大气水平分布均匀的天气下,利用激光雷达喇曼散射回波不受大气气溶胶后向散射影响的特点,对其水平方向距离订正回波进行线性拟合,结合N2分子喇曼后向散射截面和分子数密度就可以得到激光雷达常数;同时对这种方法进行了数值模拟,相对误差为4.688%,理论推导和数值模拟均证明该方法是可行的。结果表明,激光雷达常数的获取为激光系统的评估以及激光雷达方程的参量反演将带来便利。     

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。     

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.     

Mie散射激光雷达研究成都地区大气边界层结构

基于Mie散射大气激光雷达,对成都地区大气边界层结构随时间变化的特性进行了研究。首先,应用Klett算法对大气激光雷达回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参量。基于实测数据对成都地区大气回波信号进行了反演,结果表明,成都地区大气边界层混合层高度较低,卷夹层厚度较薄,且随时间变化的趋势较缓慢,这与成都地区特殊的地理状况有关。     

珠海2009年夏季激光雷达探测大气边界层高度数据处理

2009年6月20日~7月20日,中国海洋大学利用研制的可移式多普勒激光雷达系统在珠海市国家气候观象台（N22º 4’54”,E113º 12’50”）进行了为期一月的大气观测实验。报道了可移式多普勒激光雷达系统及观测实验,介绍了大气边界层高度检测原理及应用。利用一阶导数方法,对该系统实测数据进行了大气边界层高度检测和分析,讨论了有云存在时如何同时检测云高和大气边界层高度问题。实验结果表明,该区域和时间周期内的大气边界层高度范围在0.3~1.2km之间,平均高度为0.66km。     

激光雷达探测平流层中上部大气密度和温度

用L625 355 nm和532 nm双通道瑞利(Rayleigh)散射激光雷达,分别观测合肥(31.9°N/117.17°E)地区30～43 km高度范围内的大气密度和温度分布.这些结果与NOAA/NMC和NASA/HALOE相邻地点的密度和温度表现了较好的一致性.一般情况下,在34～43 km高度范围内激光雷达获得的大气密度与NOAA/NMC和NASA/HALOE密度的偏差大约为10%,温度差别小于2 K,而34 km以下温度偏差稍大.     

Rotational Raman lidar to measure the atmospheric temperature fromthe ground to 30 km

A lidar method using the anti-Stokes rotational lines of N₂ and O₂ Raman spectra to determine the temperature of the atmosphere up to 30 km is described. The method uses the variation with the temperature of the envelope of the intensities of the backscattered rotational Raman spectrum. For each temperature of the gas, the ratio of the fluxes through two narrow and close-by filters takes a definite value directly related to the temperature. The difficulty of eliminating the near-by contribution of the Mie backscattering was solved by doubling the filters to produce a rejection factor of 10⁺⁸ at the central wavelength. The validity of the method is illustrated by comparing a number of temperature profiles obtained simultaneously with radiosonde and by this new Raman lidar. The theoretical calculation of the method led to an analytic calibration function which, once adjusted with a radiosonde, can provide the temperature on successive days of measurement in the height range of 50 to 25 km     

拉曼散射激光雷达反演二氧化碳测量结果的可靠性分析

拉曼散射法测量大气二氧化碳（CO2）是一种利用大气中CO2分子和N2分子与激光相互作用产生Raman散射频移来实现探测CO2混合比分布的探测技术。介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所自主研制的拉曼散射激光雷达系统,以及用于大气CO2时空间分布测量的原理和方法。将两台事先校准过的CO2分析仪布置在激光雷达水平光路的发射端和1km位置进行同时测量,实验结果表明:两台分析仪分别与激光雷达近端和远端得到的CO2混合比随时间的变化具有较好的一致性,统计一整夜测量结果的平均值分别相差0.8ppm和3.51ppm;结合激光光路下垫面的不同对近端与远端结果的差异进行了分析说明,充分表明了拉曼散射激光雷达测量结果的可靠性。     

纯转动拉曼测温激光雷达滤光器参数设计

以获得最高的温度测量精度为目的,设计了纯转动拉曼激光雷达的滤光器参数,包括两个接收通道滤光器的中心波长和半高全宽。进一步研究表明:当被探测大气的温度降低时,或当噪声增强时,二号通道中心波长的设计应向发射波长靠近。另外,反演过程中拟合式引入的误差非常小,可忽略不计。必须避免混入的弹性信号增大到一定程度后,而引起测量温度的漂移。     

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。     

全光纤转动拉曼激光雷达光电探测系统设计

针对全光纤转动拉曼激光雷达系统的极微弱光探 测问题,以光电倍增管(PMT)为核心,设计了 一款光子计数的光电探测系统。通过阻抗匹配技术对单光子脉冲进行整形以提高单光子脉冲 稳 定性和甄别计数可靠性,微分法测试脉冲高度分布以优化选择PMT工作高压、甄 别阈 值电平等工作参数,改善光电探测系统信噪比(SNR);以泊 松点过程的脉冲堆积非线性分析模型为 基础,搭建可精确改变相对光强的实验测试系统,测试脉冲堆积效应的作用类型和有效死时 间并进行合理非线性校正以提高其线性度。实验结果表明,设计的光电探测系统可有效探 测光子计 数率低于140MHz的微弱光信号且线性度优于1.0%,提出的优化和实验方案对此类光电探测系统具有重要的借鉴意义。     

小视场大气温湿度探测的拉曼激光雷达的设计与仿真

太阳光背景辐射严重影响拉曼激光雷达白天探测的性能。为提高拉曼激光雷达白天探测的高度和精度,设计了激光波长为354.8 nm的拉曼激光雷达系统,讨论了354.8 nm和532 nm激光光源对拉曼激光雷达探测性能的影响,完成了系统的光路设计。偏振分光棱镜和1/4波片组成的光开关与收发合置的望远镜相结合,减小了系统的接收视场角,优化了白天探测的性能。以最小的温度不确定度为标准,通过仿真分析选取了转动拉曼通道干涉滤光片的各项参数,并对系统的探测性能进行了仿真。仿真过程中激光能量取200 mJ,频率50 Hz,积分时间20 min,距离分辨率105 m。收发合置的拉曼激光雷达系统在考虑退偏的情况下,白天探测的温度不确定度在3180 m以下小于1 K。白天探测水汽混合比的统计误差在2400 m以下,小于0.001 g/kg。仿真结果表明,白天探测的性能得到了一定程度的提高。     

户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达系统研制

激光雷达探测臭氧和气溶胶垂直廓线分布近年来在环境监测领域获得广泛应用。介绍了一套可同时用于探测臭氧和气溶胶浓度的激光雷达系统。采用Nd:YAG激光器,通过二倍频器和四倍频器分别产生532 nm和266 nm激光光源,基于受激拉曼散射原理,在两根拉曼管中分别充有氘气和氢气,产生拉曼频移光289 nm,299 nm,通过差分吸收算法原理反演垂直空间臭氧浓度廓线,通过米散射算法原理来反演气溶胶浓度廓线。水平扫描试验结果显示,雷达系统的探测结果与近地面点式臭氧分析仪测量结果有较好的一致性,相对误差小于10%。在安徽合肥科学岛外场观测结果表明:臭氧探测高度,白天可以达到3 km,晚上可以达到5 km,气溶胶探测高度,白天可以达到10 km,晚上可以达到15 km。