双波长双视场米散射激光雷达

介绍了一台双波长双视场米散射激光雷达,采用双接收通道分别用于高低层532nm及1064nm的同时探测,每个通道有各自独立的视场,可以兼顾低层大视场角低探测盲区和高层小视场角高探测高度的要求.该雷达系统能够自动连续探测532nm及1064nm大气气溶胶消光系数的垂直廓线和连续分布,并通过分析能够获得大气气溶胶的各种光学参数.对比验证实验表明,双波长双视场米散射激光雷达数据可靠,性能稳定.     

激光雷达用紫外—可见多波长同时输出的激光系统

报导了同时探测多种大气成分的空间垂直分布的激光雷达用多波长激光光源系统.该系统通过Nd∶YAG激光器选模输出的1064 nm激光经一级放大后,分成两束,其中一束光再通过放大,经过二倍频器及三倍频器后输出532 nm和355 nm激光束,532 nm波长的激光用于探测大气中气溶胶和温度的空间垂直分布;355 nm波长的激光用于探测平流层臭氧的参考光,同时也是使用Raman方法探测水汽混合比分布的激光光源.另一束1064 nm的激光通过放大后,经过二倍频器及四倍频器输出266 nm激光,其用作泵浦高压氘气拉曼(Raman)频移器而输出289 nm波长激光(1阶Stokes),用作探测对流层臭氧的吸收波长.通过同时使用XeCl准分子激光器输出308 nm波长的激光,采用差分吸收方法探测大气臭氧的垂直分布.最后给出了合肥地区一些典型的探测结果,如大气臭氧、气溶胶、水汽及温度等的分布及其特点.(OB19)     

Raman-Mie激光雷达探测对流层气溶胶波长指数

Angstrom波长指数能够很好地反映大气气溶胶粒子的半径大小,而Raman方法测量对流层气溶胶较Mie散射方法假设的参数少,测量精度高.在介绍了一台双波长探测对流层气溶胶光学特性的L625Raman-Mie激光雷达系统及其测量原理的基础上,利用该激光雷达的探测数据,计算并分析了合肥地区对流层气溶胶的波长指数,给出了合肥地区对流层气溶胶光学特性的一些典型特征并讨论了其成因.结果表明L625激光雷达测量对流层气溶胶波长指数是可靠的.     

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。     

全天时多波长激光雷达系统研制与信噪比分析

利用Nd:YAG激光器产生10 Hz的1064、532和355 nm激光束作为光源,研制了用于对流层大气气溶胶探测的全天时多波长激光雷达,实现了溶胶Mie散射信号在紫外、可见和红外三个波段的精细分离和提取。通过小孔光阑和窄带干涉滤光片对背景光的强烈抑制,实现了全天时探测。通过对三波长Mie散射信号日间和夜间探测信噪比数值仿真和实际探测信噪比分析,得出日间探测时532 nm的信噪比最低,夜间探测时355 nm的信噪比最低,这与数值仿真结果一致。通过分析实际探测信噪比为1时的数据,得到该系统日间探测高度可达8~10 km,夜间探测高度可达10~12 km。对西安地区晴天、多云天和雾霾天的初步探测结果表明,该多波长激光雷达的性能完全能够满足对流层内气溶胶粒子的全天时和不同天气情况下的探测要求。     

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。     

微脉冲激光雷达系统实验观测及应用

针对大气气溶胶监测的迫切需要,研制完成了用于大气气溶胶光学特性和水平能见度测量的微脉冲激光雷达系统。本文主要介绍了该激光雷达系统的结构和主要技术参数,发射系统采用重复频率为2.5 kHz、单脉冲能量为6 μJ的半导体泵浦固体激光器,接收系统采用20 cm口径的施密特-卡塞格林式望远镜、0.5 nm的窄带干涉滤光片及光子计数模式的光电倍增管。利用本系统对青岛地区对流层的大气气溶胶进行了观测,观测结果表明,该系统具备连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。     

机载激光雷达探测大气气溶胶时人眼安全的数值分析

采用美国ANSI标准,定量分析了机载环境激光雷达进行气溶胶探测时激光脉冲眼睛安全最大阈值能量、激光束发散角及高度的关系;计算了当1064 nm和532 nm激光脉冲能量相等时不同高度上激光脉冲眼睛安全最大阈值能量;同时模拟计算了激光脉冲眼睛安全系数SL与1064 nm和532 nm的激光脉冲能量、高度的关系,为我国第一台机载大气探测激光雷达探测气溶胶提供了激光脉冲能量设置的理论依据.     

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。     

Algorithm to Retrieve Aerosol Optical Properties From High-Spectral-Resolution Lidar and Polarization Mie-Scattering Lidar Measurements

We developed an algorithm to estimate the vertical profiles of extinction coefficients at 532 nm for three aerosol types that are water-soluble, soot, and dust particles, using the extinction and backscattering coefficients at 532 nm for total aerosols derived from high-spectral-resolution lidar (HSRL) measurements and the receiving signal at 1064 nm and total depolarization ratio at 532 nm measured with Mie scattering lidar (MSL). The mode radii, standard deviations, and refractive indexes for each aerosol component are prescribed by the optical properties of aerosols and clouds database; the optical properties for each aerosol component are computed from Mie theory on the assumption that their particles are spherical and homogeneous, except for dust. To consider the effect of nonsphericity, the dust lidar ratio at 532 nm is assumed to be 50 sr, the value that is reported for Asian dust from the other observational studies. We performed sensitivity study on retrieval errors. The errors in extinction coefficient for each aerosol component were smaller than 30% and 60% when the measurement errors were $pm$5% and $pm$ 10%. We demonstrated the ability of the algorithm by applying to the $ hbox{HSRL} + hbox{MSL}$ data measured at Tsukuba, Japan. Plumes consisting of water-soluble aerosols, soot, dust, or their mixture were retrieved; these results were consistent with simulation with a global aerosol transport model. Introducing the dust lidar ratio significantly improved a correlation between the retrieved dust concentration and the aerosol depolarization ratio at 532 nm derived from $ hbox{HSRL} + hbox{MSL}$ than the use of spherical dust optical model in the retrieval.      

CALIOP反演海洋颗粒物后向散射方法

云和气溶胶探测激光雷达( Cloud-aerosol lidar with orthogonal polarization, CALIOP)能够发射532 nm 和 1064 nm 两种波长激光脉冲,主要用于大气中云和气溶胶的探测。532 nm激光脉冲在海洋表面有很好的穿透性,能获得海表以下的 后向散射信号。利用CALIOP数据对直接提取水下信号和瞬态响应校正提取水下信号两种方法进行对比研究。首先,反演 得到海洋次表层水下信号,进而反演海洋颗粒物后向散射,并与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)反演的颗粒物后向散射进行对比。颗粒物后向散射差值的均值分别为0.0035、0.0027; 标准偏差分别为0.4004、0.0042。表明校正方法反演的颗粒物后向散射与MODIS反演颗粒物后向散射更为接近。     

人肝病变和热凝固导致组织的光穿透深度变化

为了研究人肝的病变及热凝固导致其对532 nm和1064 nm激光的光穿透深度的变化,采用了双积分球和反向倍增法.实验结果为,肝癌组织对532 nm的光穿透深度显著地较正常肝组织对532 nm的光穿透深度要大(P＜0.05),肝癌组织对1064 nm的光穿透深度却显著地较正常肝组织对1064 nm的光穿透深度要小(P＜0.05),自然的正常肝组织和癌变的肝组织对1064 nm的光穿透深度都分别显著地较其对532 nm的光穿透深度要大(P＜0.05);热凝固的正常肝组织对532 nm和1064 nm的光穿透深度都分别显著地较自然的正常肝组织对相应波长的光穿透深度要小(P＜0.05),热凝固的肝癌组织对532 nm和1064 nm的光穿透深度都分别显著地较自然的肝癌组织对相应波长的光穿透深度要小(P＜0.05),热凝固的正常的肝组织和癌变的肝组织对1064 nm的光穿透深度都分别显著地较其对532 nm的光穿透深度要大(P＜0.05).此研究结果将有助于肝癌的光热治疗.     

人肝组织病变及热凝固导致组织光学特性的变化

研究了人肝的病变及热凝固的肝组织对532 nm和1064 nm激光的光学特性的变化。实验采用双积分球测量系统以及运用生物组织的反向倍增(IAD)光学模型。结果表明,正常肝组织对532 nm和1064 nm的吸收系数显著地较肝肿瘤组织要大;正常肝和肝肿瘤组织热凝固后对532 nm的吸收系数都显著地增大,正常肝组织热凝固后对1064 nm的吸收系数显著减小。而肝肿瘤组织热凝固后对1064 nm的吸收系数却显著地增大。正常肝组织对532 nm和1064 nm的散射系数都显著地较肝肿瘤组织要小,正常肝和肝肿瘤组织热凝固后散射系数都显著地增大。正常肝组织对532 nm和1064 nm的各向异性因子都明显地较肝肿瘤组织要大,正常肝和肝肿瘤组织热凝固后其各向异性因子都明显地减小。     

PML偏振激光雷达定标因子实验方法确定

一台532 nm单波长的偏振米散射激光雷达用于测量大气后向散射回波信号和线性退偏振比?。为了准确获得大气气溶胶和云的退偏振特性,两个偏振通道的标定因子k必须精确确定。采用三种不同的实验方法来确定偏振激光雷达的标定因子,详细叙述了测定方法、过程、结果及误差分析。最后,将标定后的激光雷达探测结果与CALIPSO数据进行比较,进一步验证了方法的可行性。     

1064 nm和532 nm激光共同辐照薄膜的损伤

建立了两个不同波长激光同时辐照薄膜的损伤阈值测试装置,实验研究和对比1064 nm激光,532 nm激光,1064 nm和532 nm激光共同作用3种不同方式辐照1064 nm和532 nm增透膜(ARF)的损伤阈值及其损伤形貌.结果表明,1064 nm和532 nm激光共同作用损伤形貌和532 nm激光单独作用下的形貌相似,532 nm激光在诱发薄膜损伤因素中起主导作用.1064 nm激光单独辐照薄膜的损伤阈值高于532 nm激光,而1064 nm和532 nm激光共同作用下薄膜的阈值介于这两者之间.     

星载测风激光雷达系统鉴频器性能模拟比较

模拟了基于355nm波长双边缘FP（Fabry-Perot）鉴频器和基于532nm波长碘分子鉴频器的星载测风激光雷达系统性能。进行的比较和分析主要包括激光出射光子数、大气后向散射强度、探测器、鉴频器及测风灵敏度等。给出了星载平台系统接收后向散射信号的信噪比和测风误差,以评估两种激光雷达系统的性能。结果表明,在距地面0-5km高度范围,532nm碘分子鉴频器系统测风误差低于355nm 双边缘FP系统,而对于距地面5km以上大气范围,FP系统风速误差比碘分子鉴频器系统低25%。     

LBO晶体上1064 nm,532 nm二倍频增透膜的设计及误差分析

采用矢量合成法设计了LiB3O5(LBO)晶体上1064 nm,532 nm二倍频增透膜,在1064 nm处的反射率为0.0014%,532 nm处的反射率为0.0004%。根据误差分析,薄膜制备时沉积速率精度控制在 6.5%时,1064 nm处的反射率增加至0.22%,532 nm处增加至0.87%。材料折射率的变化控制在 3%时,1064 nm处的反射率达0.24%,532 nm处达0.22%。沉积速率和折射率控制的负变化不增大特定波长处的剩余反射率。与膜层折射率相比,薄膜物理厚度对剩余反射率的影响小。低折射率膜层的厚度变化对特定波长处的剩余反射率影响最明显,即为该膜系的敏感层。为改善膜基之间的附着力,选择Y2O3或SiO2作为过渡层,从过渡层的厚度匹配和膜层的折射率匹配两方面进行了相应的膜系匹配设计。