机载双波长米散射激光雷达大气回波信号与信噪比的模拟计算

为了研究机载双波长米散射激光雷达的技术参数对其探测性能的影响,为该激光雷达的设计与研制提供理论分析依据,使用合适的大气消光模式和机载米散射激光雷达方程,对其接收的大气后向散射回波信号以及信噪比进行了模拟计算,讨论了几何重叠因子和不同消光模式对回波信号的作用,分析了激光脉冲能量、累积激光脉冲数、接收视场、滤光片半宽度等技术参数对信噪比的影响.结果表明设计的机载激光雷达完全可以进行10 km高度以下大气气溶胶和云的探测.     

星载大气探测激光雷达探测能力的数值模拟分析

星载大气探测激光雷达的技术参数对其探测性能有重要的影响,本文使用合适的大气模式和星载大气探测激光雷达设计参数,对其接收的大气后向散射回波信号和探测回波信号的信噪比进行了数值模拟计算;同时模拟分析了星载大气探测激光雷达对沙尘和卷云的探测能力。本文结果为该星载大气探测激光雷达的研制提供参数设置的基本依据。     

同轴零盲区米散射激光雷达系统仿真与设计

针对传统米散射激光雷达近距离探测盲区大的缺陷,设计一款同轴的米散射激光雷达气溶胶探测系统。首先,通过美国标准大气模型和激光雷达系统参数对系统回波信噪比进行了数值模拟研究。主要讨论激光脉冲能量、雷达接收口径、脉冲累加数对回波信噪比的影响。仿真结果表明,提高发射激光脉冲能量、增加雷达接收口径、增加脉冲累加数都可以提高回波信噪比,其中,增加雷达接收口径对回波信噪比的提升最为明显。其次,设计平衡探测器对散射回光进行光电转换。最后,基于系统结构搭建了可移动式米散射激光雷达实验平台,对大气气溶胶进行初步探测,试验结果表明：提高发射激光脉冲能量对探测距离的影响不大,该系统的有效探测距离在约10 km;平衡探测法相对于直接探测法信噪比提高了2.7倍;系统的同轴设计使得近距离探测盲区几乎为0,空间分辨率可以达到120 m。     

微脉冲激光雷达探测信号的数值模拟计算

本文对微脉冲激光雷达探测的大气后向散射回波信号进行了数值模拟计算，计算结果得到了实验的验证，并就激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、滤光片半宽度以及接收视场等系统参数对微脉冲激光雷达探测回波信号信噪比的影响进行了较为详细的分析和讨论。     

中高层大气瑞利多普勒测风激光雷达性能分析(英文)

设计了基于Fabry-Perot(FP)标准具的中高层大气(20~60 km)多普勒测风激光雷达(DWL)系统。介绍了激光雷达的多普勒测风基本原理;根据探测指标分别给出了DWL的发射机、接收机、发射接收光学和风场反演等子系统方案,重点对接收机的参数进行了详细的设计与分析;最后对全系统的信号信噪比、探测偏差进行了理论模拟。得出的结论为:当脉冲累计时间为5 min(15 000 shots)时,该系统在晚上60 km高度处的探测偏差为3.6 m/s。     

直接探测激光雷达模型及其性能模拟

讨论了决定直接探测激光雷达性能的信噪比方程和探测概率。开发了基于Monte Carlo方法的激光雷达回波信号模拟软件,给出了典型小脉冲激光雷达性能的模拟结果,表明:在能见度为5km的大气条件下,采用1mJ激光脉冲能量探测距离可达到5km。     

瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算

设计了一台探测大气温度和气溶胶的瑞利-米散射激光雷达。对不同参数的大气后向散射回波信号信噪比进行了数值仿真计算,讨论了激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜口径、空间分辨距离以及窄带干涉滤光片的带宽和透过率对激光雷达回波信号信噪比的影响。根据仿真结果,设计的激光雷达在白天时,气溶胶的米散射信号采用1 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了10.6 km;中层大气温度的瑞利散射信号采用0.2 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了47.1 km。     

对激光雷达特定的发射模块后向散射信号的调制和设计

测云激光雷达具有精度高和稳定性好的特点,是检测云高的有效途径.作为激光雷达系统的一个基本组成部分,脉冲二极管激光器(PLD)需要脉冲信号触发.对激光雷达的发射部分进行了研究,其中包括后向散射信噪比的仿真、脉冲二极管激光器的选择与触发电路、用于驱动综合光学系统的波长为905 nm 的PLD 的电路.触发电路激光脉冲具有可调功率和脉冲宽度功能.用Systemview 软件仿真设计,完成了PCB 版的制作.结果表明:脉冲的任何参数即触发脉冲宽度、上升沿、抖动等均可用于实验中,并具有低成本和使用方便的优点.该发光模块在测云激光雷达中运行良好.     

大气CO_2相干探测激光雷达系统性能分析

探测大气CO2浓度对气候环境的研究具有重要意义.采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比.目前1.5 μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5 μm可能成为未来探测大气分子或气溶胶激光雷达的主流波长.阐述了激光雷达相干探测大气CO2的原理,设计了1.5 μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5 μm相干探测CO2是可行的,经过3 min的脉冲积累,在3 km处仍具有高于10的信噪比值.该激光雷达相干探测系统也可用于大气风场探测.     

星载激光雷达探测能力的数值模拟分析

为了研究星载大气探测激光雷达的技术参量对其探测性能的影响,采用合适的大气模式和星载大气探测激光雷达设计参量,对其接收的大气后向散射回波信号和探测回波信号的信噪比进行了数值模拟计算;同时模拟分析了星载大气探测激光雷达对沙尘和卷云的探测能力。结果表明,星载大气探测激光雷达对气溶胶的探测水平分辨率应设置为75km,且仅夜晚的探测能力能够达到信噪比大于10的要求;对卷云和沙尘探测水平分辨率应设为7.5km。该结果为该星载大气探测激光雷达的研制提供参量设置的基本依据。     

船载激光雷达测量水体光学参数的仿真模拟研究

激光雷达能够高效获取海洋光学特性的垂直剖面信息,是海洋光学探测的重要手段之一。利用蒙特卡罗仿真方法,基于Gordon(1982)的机载激光雷达测量水体光学参数模型,研究了船载激光雷达在水中的传输过程和水中光场分布。特别研究考虑了接收视场角和望远镜半径等参数的影响,建立了适用于船载海洋激光雷达的模拟系统。在激光雷达的传输等效为太阳光传输后,该模拟系统与常用的HydroLight的模拟进行了比对印证并获得了一致的结果。在此基础上,通过模拟得到的激光雷达回波信号分析了不同激光雷达测量模式及典型水体条件下激光雷达消光系数α和海水光学参数之间的关系。船载激光雷达结果表明,在窄接收视场角情况下,激光雷达消光系数α趋向于水体光束衰减系数c;在宽接收视场角情况下,α趋近于水体的向下辐照度漫射衰减系数K_d。相比机载观测,船载观测的α趋近K_d的速度变缓。在垂直分层水体中,激光雷达在下层水体中测量的α值会向上层水体的α值偏移。该结果为研究海洋激光雷达测量参数与海洋光学参数之间的关系提供了进一步的认知。     

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。     

考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法

研究了考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法,对反演卷云高度和卷云激光雷达比的方法进行了改进。采用多次散射因子对卷云消光系数曲线进行修正,选取云底及云顶附近高度消光系数变化率的均值求解云层高度修正误差,对微分零交叉法求解得到的卷云高度进行修正,实现了较为精确的激光雷达云层高度反演。采用以边界值处消光系数和卷云光学厚度为约束条件的粒子群算法,求解卷云有效激光雷达比,选用半解析Monte Carlo方法,计算总散射信号与一次散射信号的比值,并结合Platt多次散射因子方程求得多次散射因子,实现了卷云激光雷达比的准确求解。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了验证。结果表明,该改进方法具有较高的精度,更具应用价值。     

含有突变信号的激光雷达能见度反演

激光雷达进行大气能见度探测时,当探测路径上存在云、雾、烟尘或硬目标时,大气消光系数会在局部发生显著变化,表现为激光雷达回波信号在原有衰减趋势上出现突变。受此影响,直接使用现有算法将导致能见度反演精度低或错误反演。为此提出一种将突变点定位、消光系数边界值确定、消光系数迭代反演相结合的能见度反演算法。首先查找、定位突变信号所在位置;然后剔除突变点,利用斜率法得到消光系数边界值;最后基于Fernald法,以迭代方式反演大气消光系数及能见度。对两种典型大气消光模式的仿真实验表明,该算法提高了能见度反演精度,能够获得更为准确的全局能见度。利用自行研制的激光雷达能见度仪实测回波数据也验证了该算法的有效性。     

非线性方程法确定低空探测机载激光雷达消光系数边界值

提出了机载激光雷达进行低空探测时确定消光系数边界值的非线性方程法。首先根据机载激光雷达方程推导出消光系数边界值与机载激光雷达回波信号之间的函数关系,构建一个以消光系数边界值为变量的非线性方程。然后采用改进Jarratt法求此非线性方程的数值解,得到消光系数边界值。使用地基激光雷达真实回波信号数据模拟得到的机载激光雷达回波信号,进行了实验验证,并与斜坡法进行了比较。结果表明,本方法确定边界值的相对误差比斜坡法减小5.9%,由于其具有六阶的收敛特性,迭代次数仅为3次。该方法不需辅助测量设备,精度较高,收敛速度快,迭代次数少,具有良好的应用前景。     

B/S架构激光雷达数据采集及远程监控系统设计

为了实现对大气气溶胶时空变化信息全天时实时监测,设计了一种B/S模式的Mie散射大气激光雷达的数据采集及远程监控系统。设计中利用ARM—Linux平台搭建的嵌入式系统实现了对大气回波信号的实时采集,根据Fernald方法即时处理回波信号并显示消光系数曲线与时间高度回波强度显示图（THI）。由于本设计是基于B/S架构的远程监控系统,具有监控平台无关和监控地点无关等特性,使工作人员更加方便直观的了解Mie散射大气激光雷达全天时连续探测得到的大气气溶胶时空变化信息。实验表明本系统不仅能够对消光系数曲线与THI图进行实时显示,而且还具有良好的准确性。     

最小二乘法拟合大气激光雷达回波信号估算消光系数边界值

报道了一种使用最小二乘法拟合大气激光雷达回波信号，计算消光系数边界值的算法。对于无云层天气条件，利用最小二乘法对回波信号全程拟合获得大气消光系数边界值，在有云层天气下，先将激光雷达信号在大气中的传输光路分解为云层区和非云层区，忽略回波信号中的云层信息，并假设在非云层区大气近似均匀，利用最小二乘法拟合获得大气消光系数边界值。最后利用消光系数边界值求解激光雷达方程，反演获得大气消光系数，实际计算证明，用此算法可获得与实际更为接近的大气消光系数反演结果。     

基于Mie散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法

Mie散射激光雷达在探测气溶胶光学特性方面应用极其广泛,但在确定气溶胶消光系数边界值、后向散射消光对数比等方面缺乏精准性。基于Klett后向积分模型,提出了一种利用Mie散射激光雷达反演气溶胶消光系数的方法。首先,通过构建非线性方程,利用Steffensen迭代法获得气溶胶消光系数边界值。其次,借助差分吸收激光雷达函数模型推导气溶胶后向散射消光对数比。最后,引入反馈系统,不断修正边界值,减小气溶胶消光系数反演的误差。实验结果表明,该算法能够更快速地获取消光系数边界值并反演出高精度的气溶胶消光系数,平均相对误差低于10 %,在气溶胶探测中应具有广阔的应用前景。     

改进的牛顿法确定大气消光系数边界值

在用激光雷达方程反演大气消光系数时,大气消光系数边界值对反演精度影响较大,而在低层大气中该值较难确定。文中提出了一种基于改进牛顿法的大气消光系数边界值确定方法,其核心思想是,把确定大气消光系数边界值的问题转化为求非线性方程的数值解。首先,根据大气消光系数边界值与激光雷达回波信号功率以及大气光学厚度之间的关系,假设大气消光系数边界值为x,构建一个非线性方程。其次,采用改进的牛顿法求非线性方程的数值解,得到大气消光系数边界值。使用香港天文台装置在香港国际机场的多普勒激光雷达回波信号数据,对该方法的可行性和可靠性进行了验证。结果表明:利用该方法确定边界值,可以较为准确地反演出低层大气消光系数。该方法收敛速度快,迭代次数少,并且不需要计算导数值,极大地减少了运算量,具有较强的实际应用价值。     

气溶胶质量浓度空间垂直分布的反演方法

用激光雷达反演气溶胶质量浓度的空间垂直分布是环境监测领域的重点研究内容之一.利用激光雷达测量得到的地面消光系数和振荡天平获得的地面质量浓度,建立起质量浓度与消光系数之间的关联,再通过消光系数的垂直分布反演质量浓度的垂直分布.基于这一思想,采用两种模型进行了拟合和相关性分析.实验表明用这两种模型反演的质量浓度空间分布相关性好,数据量级与实际相符,具有一定的可信度.模型易于实现,计算简单,可实现在线实时检测.