扫描式微脉冲激光雷达的研制和应用

详细介绍了最新研制的扫描式微脉冲激光雷达MPL-AS以及它的特点和应用,探讨了微脉冲激光雷达探测大气气溶胶水平消光系数分布的数据处理方法,并给出了实地探测和数据分析结果。另外本文也尝试用消光系数与ρ(PM10)的相关关系,计算获得了ρ(PM10)水平空间分布。实地探测的结果表明:扫描式微脉冲激光雷达不仅可以探测大气气溶胶消光系数廓线和云层结构及其随时间的演变过程,还可用于城市大气环境水平方向空中污染状况的自动化扫描监测,获取感兴趣区域气溶胶的时空分布,是有利于空气环境治理的实用工具。     

微脉冲激光雷达的气象应用

微脉冲激光雷达（MPL）是探测气溶胶、云雾和水平能见度的有效工具,具有性能稳定、结构简单、便于移动、探测数据准确、对人眼安全等特点。主要介绍微脉冲激光雷达的原理,两种激光雷达数据处理的方法（斜率法和Fernald法）,及其在气象领域的应用,主要包括：（1）水平能见度以及大雾监测;（2）精确地探测云高、云厚、云区的消光系数和云的层次等信息;（3）大气气溶胶的垂直分布和演变过程。     

激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度

为丰富整层大气气溶胶光学厚度测量手段,提出了一种综合微脉冲激光雷达与地面能见度测量数据的探测方法。该方法首先利用激光雷达数据反演得到气溶胶垂直消光系数廓线,据此计算出气溶胶标高;再利用能见度和消光系数的关系得到近地面水平方向的消光系数;最后,将近地面消光系数和标高结合,从而得到整层大气气溶胶光学厚度。将该方法应用于合肥地区,成功得到该地区整层大气气溶胶光学厚度的昼夜变化趋势,验证了该方法的可适应性。     

MPL探测气溶胶水平分布数据处理方法研究

微脉冲激光雷达(MPL)是探测大气气溶胶和云的有效工具.为了解气溶胶和污染物在城市近地面范围内的水平分布情况,使用自行研制的MPL开展了气溶胶和污染物水平分布的探测研究.对实测的水平数据,尝试采用分段斜率法和Fernald方法计算气溶胶和污染物消光系数的水平分布.研究表明,运用分段斜率法和Fernald法计算MPL水平数据均是可行的.     

扫描式气溶胶激光雷达研制与观测研究

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义,是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征,山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60J、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据,分析了不同天气条件下的大气水平能见度,验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据,利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数,并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明:扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度,通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。     

激光雷达探测反演PM2.5浓度的精度研究

给出了355nm激光雷达与布设在中国科学院大气物理研究所325m铁塔上的BAM-1020颗粒物监测仪对比观测实验的结果,通过2011年9月21日至10月21日一个月的对比实验发现,激光雷达探测的气溶胶消光系数与实测的PM2.5浓度之间存在较好的相关性。利用线性回归模型建立消光系数与颗粒物浓度之间的关系式,并通过铁塔实测的PM2.5浓度对该关系式在垂直高度上的反演精度进行研究。结果显示,在63,80,120,160m高度处雷达反演的PM2.5与实测值之间的相关系数分别为0.9447,0.9331,0.9284,0.9308,说明激光雷达能有效探测颗粒物的垂直分布状况。激光雷达探测将有利于研究污染物的空间分布状况和污染物跨界输送问题,并为区域大气联防联控制定政策和措施提供数据支持。     

基于1064nm米散射激光雷达的大气消光特性的研究

介绍了一台自行研制的1064nm微脉冲米散射激光雷达的总体结构、技术参数及其工作原理。给出了具体探测的实验结果,推算出系统的几何重叠因子,根据激光雷达方程的反演方法,得出了大气气溶胶消光系数随高度变化的垂直分布廓线图。该激光雷达系统在夜晚的探测高度可达5km左右。通过激光雷达系统的日夜连续监测,可得到消光系数随高度及时间变化的三维分布图,对于进一步研究大气气溶胶的浓度、分布、散射及吸收特性都具有重要的意义。     

双波长激光雷达探测典型雾霾气溶胶的光学和吸湿性质

气溶胶的光学和吸湿性质信息对研究雾霾形成的机制至关重要。为了在环境相对湿度背景下研究利用激光雷达方法探测雾霾气溶胶光学和吸湿性质,选择合肥地区两次典型雾霾过程作为个例,利用水平探测的双波长激光雷达获取气溶胶消光系数、能见度、Angstrom波长指数以及消光系数吸湿增长因子。个例研究结果表明,在环境相对湿度变化的背景下,激光雷达可以有效地获取雾霾气溶胶光学参数以及吸湿增长因子随相对湿度的变化规律,且具有探测开放大气和不扰动被测大气的技术优势。     

提高拉曼探测气溶胶消光系数精度的玻-温模式

拉曼雷达反演气溶胶消光系数时通常采用标准模式大气,但由于标准模式大气与探测地大气密度不符会对于探测结果造成一定影响,为减小这种影响提高拉曼雷达探测气溶胶消光系数的精度,采用玻耳兹曼能量分布规律和对流层大气温度线性递减的特征确定大气密度廓线以取代标准模式大气,进行了理论推导和实验验证,结果表明:新模式是可行的而且与标准模式大气相比更加吻合探测地实际大气,因而更能减小误差,建议激光雷达数据处理采用这种新模式。     

单波长发射五通道接收激光雷达系统研制

后向散射激光雷达是探测大气气溶胶参数的有力工具,但它存在盲区和过渡区,且需要假设气溶胶的消光后向散射系数比来反演气溶胶的参数,这些限制了它的探测范围和精度。集侧向散射、后向散射和拉曼散射于一体的单波长发射五通道接收激光雷达系统,克服了上述困难。该激光雷达可以探测气溶胶的退偏比廓线、水汽混合比廓线、后向散射系数廓线和消光系数廓线等。气溶胶后向散射系数和消光系数可从地面到对流层顶进行探测,气溶胶退偏比廓线可以在对流层内进行探测,水汽混合比廓线可以在边界层内进行探测。在硬件条件的基础上,分析了各通道的信噪比和探测结果的随机相对误差。实例探测表明:该激光雷达系统数据可靠,探测范围较广。该系统的建立,为进一步深入研究气溶胶消光系数、水汽时空分布以及它们之间相互关系奠定了坚实的实验基础。     

大气探测激光雷达网络和星载激光雷达技术综述

大气探测激光雷达以精细的时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据获取能力成为大气探测强有力的工具。通过激光雷达观测网络和星载激光雷达, 可以获得大空间尺度持续的四维大气信息,满足环境、气象和气候研究的需要。介绍了目前存在的比较重要的激光雷达网络和航天强国的星载激光雷达计划。主要的激光雷达网络有全球大气成分变化探测网(NDACC)、欧洲气溶胶研究激光雷达观测网(EARLINET)、亚洲沙尘激光雷达观测网(AD-NET)、美国东部激光雷达观测网(REALM)、微脉冲激光雷达网(MPLNET)和独联体激光雷达网(CIS-LINET),分别介绍了它们各自的功能、激光雷达类型和站点、日常观测活动与规范。激光雷达空间技术试验(LITE)开启了星载激光雷达的新纪元,之后美国航空航天局NASA、欧空局ESA和日本宇航局JAXA先后开展了星载激光雷达计划,分别介绍了这些星载激光雷达的科学目标、激光雷达类型及相关参数以及技术原理。中国也正在筹划研制激光雷达卫星载荷,用于探测大气气溶胶、云和二氧化碳。最后总结说明了激光雷达网络化和卫星载荷的优势和应用。     

轻度非球形气溶胶粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶粒子的激光雷达的关键参数-激光雷达比问题进行了讨论,以一种典型的集合状态(一般大陆型气溶胶粒子)为例,分析计算了几种典型湿度下非球形气溶胶粒子在0.532 μm波长上的激光雷达比.发现,粒子的非球形对激光雷达比具有明显的影响.该结果为激光雷达探测对非球形大气气溶胶粒子的测量研究提供了分析依据.     

大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达的关键参量——激光雷达比问题进行了详细的讨论，利用实际大气气溶胶和云雾粒子的光学特性对0．532μm和l.064μm波长上的激光雷达比进行了计算分析，得到了各种气溶胶粒子组份和典型的集合状态以及云雾粒子的激光雷达比。发现激光雷达比和粒子的物理、光学性质密切相关，不同种类的粒子的激光雷达比有巨大的差异，并且两个波长上激光雷达比的相互关系也不相同，这些结果为激光雷达探测大气气溶胶和云雾粒子提供了依据。     

二氧化碳测量与对比分析

为了建立我国的大气模式和制定合适的大气环境保护政策,对大气参数(臭 氧浓度,相对湿度,气溶胶后向散射比,温度,二氧化碳浓度等)进行全面测 量并分析其基本特性十分重要。多功能性L625激光雷达能够分时测量大气中 的臭氧浓度、气溶胶消光系数、散射比、大气温度、二氧化碳混合比、水汽混合比 等多种大气参数。 对该激光雷达探测的大气参数和其他仪器包括卫星探测器 MLS、无线电探空仪、DWL激光雷达、Raman 激光雷达进行了对比,验证了L625激光 雷达探测结果的可靠性和有效性;并且对测量数据进行了分析,得出了夏季合肥地 区臭氧、气溶胶、水汽、温度、二氧化碳的基本特征。     

合肥地区夏季臭氧、温度、水汽、气溶胶、二氧化碳测量与对比分析

为了建立我国的大气模式和制定合适的大气环境保护政策,对大气参数(臭氧浓度,相对湿度,气溶胶后向散射比,温度,二氧化碳浓度等)进行全面测量并分析其基本特性十分重要.多功能性L625激光雷达能够分时测量大气中的臭氧浓度、气溶胶消光系数、散射比、大气温度、二氧化碳混合比、水汽混合比等多种大气参数.对该激光雷达探测的大气参数和其他仪器包括卫星探测器MLS、无线电探空仪、DWL激光雷达、Raman激光雷达进行了对比,验证了L625激光雷达探测结果的可靠性和有效性;并且对测量数据进行了分析,得出了夏季合肥地区臭氧、气溶胶、水汽、温度、二氧化碳的基本特征.     

用光学粒子计数器测颗粒物质量浓度和能见度

2001年夏季和冬季，在北京市大兴区榆垡镇，利用光学粒子计数器、能见度仪和颗粒物质量监测器对近地面大气气溶胶粒子数密度、大气能见度、颗粒物质量浓度(PM10、PM2．5和PM1．0)等进行了联合观测实验，取得了大量相关资料．本文通过对不同尺寸大气气溶胶粒子的数密度与颗粒物质量浓度及大气能见度的多元线性回归分析，给出了利用粒子数密度计算PM10、PM2．5、PM1．0和大气能见度的经验计算公式．     

大气探测激光雷达技术综述

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。按照激光雷达探测技术分类,有米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等,分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、发展历史及优缺点,以及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。     

基于CCD的侧向激光雷达系统研制及探测个例

后向散射激光雷达技术已广泛应用于大气气溶胶的探测,但由于有盲区和过渡区,限制了它在近距离段的探测范围和精度。侧向散射激光雷达技术没有后向散射激光雷达技术中的上述缺陷,可实现近距离段气溶胶信号的连续探测,且探测精度较高。开发研制了基于CCD的侧向散射激光雷达系统,它由激光发射、光学接收、几何定标及数据采集等子系统组成。与后向散射激光雷达的对比探测个例表明,该激光雷达系统数据可靠,近距离的有效探测范围为0.02~4 km。这一系统的建立为进一步深入研究近地面层的气溶胶时、空分布奠定了坚实的基础。