基于LED光源的积分浊度仪的系统设计

散射系数是气溶胶光学性质的重要参数之一.为了研究气溶胶光学性质,研制了一种用于测量散射系数的积分浊度仪.介绍了该仪器的工作原理、系统结构设计,对该仪器中最为重要的光学测量腔室和光源给出了最优的设计方案.该仪器与前向散射型能见度仪对比实验结果显示散射系数与能见度的相关系数为0.834,证明了本仪器的可靠性.本仪器光源稳定,整体系统结构简单,成本低廉,有广阔的应用前景.     

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。     

MPL探测气溶胶误差的数值模拟计算研究

微脉冲激光雷达(micropu lse lidar,MPL)是一种新型的激光雷达系统。通过对其探测的大气气溶胶后向散射比和后向散射系数进行误差的数值模拟计算,分析了误差源及其不确定性,给出了误差数值模拟计算的方法。较为详细地分析和讨论了各误差源对大气气溶胶后向散射比和后向散射系数的影响,为进一步提高微脉冲激光雷达的测量精度提供了可靠的理论依据。     

利用大气能见度获取多波长气溶胶光学特性

介绍了一种利用测量得到的大气能见度获取多波长气溶胶光学特性(主要探讨气溶胶的消光系数、散射系数和吸收系数)的新方法。首先,由能见度求出波长0.55 μm的大气消光系数,在减去大气分子的消光系数后得到0.55 μm气溶胶的消光系数,使用Mie散射理论求出气溶胶粒子的数密度;因为同一时间大气状态下气溶胶的数密度是不变的,所以再次使用Mie散射理论即可得到其他波长下气溶胶的光学特性。以1.06、1.536、3.75 μm为例,给出了合肥2003年近地面层的气溶胶光学特性,该方法对于研究大气环境和大气中光传输模式具有重要意义。     

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.     

小型Mie散射激光雷达系统设计与装校

介绍了一台直接探测的用于大气气溶胶测量的1064nm小型Mie散射激光雷达系统,详细论述了系统的设计、加工、建造和系统装配调试过程。解决了信号采集所需要的控制电路,实现了激光雷达的收发同步。实验结果表明:系统的几何重叠因子稳定可靠,校准误差为0. 00143。这同时也说明了系统设计、装校的合理性。     

基于积分球分光与接收的透射式能见度测量系统

介绍了一种新型透射式能见度测量系统,积分球在光源能量监控和光信号接收中起到重要作用。光源采用白色LED,外部高频脉冲调制,信号测量端同步解调,有效消除外界光干扰。积分球分光实时监控光源发射能量的变化,消除光源自身不稳定带来的误差。准直和扩束透镜组将光源发散角控制在1 mrad。反射镜组反射光路实现了有限空间光程的增加,同时增加了采样体积,缩短了透射系统的安装基线。积分球配合望远镜接收光束减小了光路调节的压力。系统研制完成后开展了实验室内模拟能见度测量实验,与现有测量大气散射系数的设备积分浊度计进行对比分析,通过积分浊度计传递定标参数。结果表明:两个系统在1.7~20 km测试区间相对偏差小于4%。     

用后向散射系数计算颗粒物质量浓度的方法研究

从理论上分析气溶胶后向散射系数和质量浓度之间的关系,利用米散射激光雷达和颗粒物质量监测器振荡天平(tapered element oscillating microbalance, TEOM)分别测量了合肥市郊近地面大气气溶胶的后向散射系数和PM10的质量浓度.在分析其相关性的基础上,利用非线性最小二乘法拟合的方法建立了利用后向散射系数获取颗粒物质量浓度的经验公式,并对利用公式反演的结果进行了实验验证.同时还分析了合肥市郊春季气溶胶的日变化特征,以期对合肥市大气污染总量控制方案及对策提供科学依据.     

淮河流域典型农田区气溶胶散射特性的日变化和季节变化研究

利用2019年寿县国家气候观象台气溶胶散射系数、气溶胶质量浓度及相关气象观测数据,统计分析了淮河流域农田区域的气溶胶散射特征及其成因,为该区域气溶胶污染辐射强迫及其对农业生产影响方面的研究提供了定量观测证据。研究表明：该地区气溶胶散射系数具有显著的季节变化规律,冬季最高,夏季最低;三个波长(450、525、635 nm)气溶胶日平均散射系数分别为329.8±180.0、270.2±153.7、214.4±128.4 Mm^-1,并且散射系数日变化与天气要素和大气层结日变化规律具有很好的相关性,且冬季日振幅远小于其他三季;?ngstr?m指数年平均值为1.32,后向散射比年平均值为0.15,气溶胶质量散射系数年平均值为4.83 m²/g,表明淮河流域农田区域的气溶胶以细颗粒为主;气溶胶散射系数大小主要受偏西风调控,散射系数与能见度具有高度的负相关幂函数关系;污染日的气溶胶散射系数远大于清洁日,污染物很大程度上影响了光辐射在大气中的传输能力,污染程度高,大气的散射作用就越强。     

合肥地区PM_(2.5)质量浓度与气溶胶后向散射系数之间吸湿因子的拟合

目前直接探测PM_(2.5)质量浓度高度廓线有一定的困难,但可以通过一定的关系把激光雷达探测出的气溶胶后向散射系数高度廓线转化为PM_(2.5)质量浓度高度廓线。在把气溶胶后向散射系数廓线转化为PM_(2.5)质量浓度的过程中,气溶胶吸湿因子是一个关键的参数。激光雷达系统可探测气溶胶后向散射系数在近地面的高度分布廓线,PM_(2.5)质量探测仪可探测所在处的PM_(2.5)质量浓度和大气相对湿度。将这两种仪器置于同一地点同时进行探测,以获取同一地点同一时间的气溶胶后向散射系数、PM_(2.5)质量浓度和大气相对湿度。在理论的指导下对所探测的数据进行拟合,可得出吸湿因子的表达式。对2016年5月—2017年10月合肥地区仪器所在地的气溶胶后向散射系数、PM_(2.5)质量浓度和大气相对湿度的探测数据进行拟合,获得了PM_(2.5)质量浓度与气溶胶后向散射系数之间吸湿因子的变化规律。     

雾和气溶胶的光学特性对前向散射和总散射能见度仪性能的影响

建立了完整的散射式能见度仪（SVM）探测方程,搜集整理了典型天气条件下雾和气溶胶的观测资料,在此基础上,运用米散射理论计算并分析了雾和气溶胶的光散射特性及其对前向散射能见度仪（FSVM）和总散射能见度仪（TSVM）探测性能的影响。结果表明:大气散射特性显著影响SVM 的探测误差,且FSVM 受影响程度超过TSVM;雾天气下FSVM 与TSVM 的探测误差基本相当,而气溶胶天气下FSVM 探测误差比TSVM 约大6%;相同天气条件下,TSVM 接收的光通量约为FSVM 的7倍,但TSVM 泄露的散射光仍不能忽略,否则将导致较大的系统误差;若不计光通量测量误差,雾天气下FSVM 与TSVM 的探测误差分别为4.06%、5.54%,气溶胶天气下分别为35.80%、30.33%。所得结果可为SVM 的光路设计、误差分析和比对试验等提供支持。     

大气气溶胶污染监测中应用的新型全天时户外型拉曼-米散射激光雷达系统

介绍在大气气溶胶污染监测中应用的新型全天时户外型拉曼-米散射激光雷达系统,主要用于对大气边界层结构、对流层气溶胶和云光学特征及其形态进行自动连续观测。该系统在整体结构方面,运用成熟的米散射、偏振和拉曼激光雷达技术,采用一体化设计,结构紧凑,便于运输,外场试验无需安装和调试;在系统控制方面,采用一键式启动,操作简单,同时具备手动和自动两种工作模式,并具有网络控制和数据传输功能;在数据处理方面,采用自动和人工两套处理软件,前者可根据系统设置自动处理和实时显示测量结果,后者则根据用户设定参数对原始测量数据进行数据反演和显示。该系统真正实现了激光雷达的产品化应用要求,可广泛运用于大气环境监测和大气科学等研究领域。     

大气气溶胶粒子散射相函数的数值计算

大气气溶胶粒子作为大气电磁环境的重要组成成分之一,在紫外、可见到红外波段内严重影响电磁波的传输特性。散射相函数是研究气溶胶中电磁波传输特性的一个重要参量,依据粒子电磁散射理论,数值计算了球形和椭球形气溶胶粒子在红外波段给定波长入射时散射角余弦的一阶矩,给出了气溶胶粒子HG相函数和改进HG*相函数的数值结果,并将球形气溶胶粒子的这两种相函数和Mie散射相函数进行了对比。结果表明:随着波长的增加及气溶胶粒子尺寸参数的减小,HG*相函数能更好地体现红外波段气溶胶粒子的散射特性。相函数的准确计算可为研究气溶胶中红外激光的传输特性奠定基础。     

非视线光散射通信的大气传输模型

利用大气对光的散射作用可以实现非视线通信.在单次散射假定下,研究了非视线光散射通信系统的大气传输模型.利用该模型分析了光源发散角、接收视场和收发仰角等系统几何参数与接收散射光能量之间的关系;重点讨论了大气分子散射和气溶胶散射各自对接收散射光能量的贡献.结果表明当系统的收发仰角较大时,接收光能量主要来自大气分子散射;反之,气溶胶散射则成为接收光能量的主要部分.对于工作在日盲紫外光谱区的非视线通信系统,增加接收视场可以有效地增大系统的信噪比.发现在两种典型的收发仰角情况下,接收散射光能量随光源发散角的变化趋势是相反的,这说明光源发散角要根据实际的应用场合设计确定.     

海洋气溶胶红外偏振散射特性及校正研究

红外偏振系统探测远距离海面目标时,海洋气溶胶的散射使得成像质量退化严重,由于散射作用导致目标与背景难以区分。本文针对气溶胶散射对红外偏振光退偏特性问题,以气溶胶Mie散射模型为基础,推导得到散射退偏模型。然后,根据不同气溶胶的粒子谱分布,在对大气透过率和红外偏振系统同时校正的基础上,建立散射退偏校正模型,研究了气溶胶散射对不同尺度因子,不同散射角和不同散射光矢量的影响。根据对实验图像分析,在经过本文所提出的经散射校正和红外偏振系统校正后图像的质量有了明显提高,该方法能够较好的校正大气气溶胶散射对红外偏振光所带来的影响,更准确反映出目标与背景的偏振特性,对于红外偏振目标检测与识别具有重要意义。     

基于Monte Carlo大气辐射传输模型的Ring效应模拟

Ring效应描述了由于大气的转动Raman散射导致的太阳夫琅禾费线变弱的现象,这种现象受气溶胶光学性质的影响,因此可以通过模拟Ring效应反映气溶胶状况。采用合适的大气参数带入模型,计算总光子中发生转动Raman散射的光子数的概率来衡量Ring效应的强度,并将模拟计算的Ring强度结果和MAX-DOAS系统实测的Ring效应强度进行对比,得到了较好的一致性。结果表明,通过大气辐射传输模型模拟计算Ring效应具有快速特点,在未来的工作中将结合MAX-DOAS技术,利用Ring效应模拟反演大气气溶胶状况。     

Atmospheric correction for ocean color remote sensing: opticalproperties of aerosols derived from CZCS imagery

A procedure for an accurate atmospheric correction for ocean color remote sensing is described. It is shown that an appropriate aerosol model is the key factor for pursuing the atmospheric correction, including multiple scattering light in the atmosphere-ocean system. An algorithm for estimating the aerosol models suitable for the Nimbus-7 CZCS image of interest is proposed. As a result, phytoplankton pigment concentration near the sea surface is derived through the atmospheric correction and biooptical algorithms. The treatment is found to provide an improved pigment map of the sea surface near Japan     

微脉冲米散射激光雷达系统的产品化研发及实验观测研究

采用模拟探测技术研发了具有三维扫描功能的微脉冲米散射激光雷达产品,用于高密度气溶胶聚集地区的大气气溶胶光学特性及云的精确探测。详细的介绍了该系统的整体结构、系统控制和数据采集处理软件。利用该系统对西安地区气溶胶及城市边界层特性进行观测研究,实验结果表明：在激光脉冲能量为50μJ,望远镜接收孔径为254mm,信号平均时间40s及距离分辨率为7.5m的条件下,系统测量气溶胶的有效距离可达到白天5公里左右,夜晚15公里。系统可以为研究大气变化,特别是为研究颗粒污染物的产生,传输和扩散的特性提供科学的测量数据。     

现代大气光学及其应用

简要介绍了现代大气光学的概念和内容,从大气分子吸收、大气气溶胶粒子光散射、大气湍流光学特性等方面阐述了现代大气光学的研究和应用状况。