瑞利-拉曼-米氏激光雷达光学接收和信号检测设计

研制了一台探测大气温度、气溶胶、卷云的瑞利-拉曼-米氏激光雷达(RRML),介绍了激光雷达的设计方法,基于单片机实现了光电倍增管门控电路.通过数值模拟计算大气后向散射回波信号,分析仿真信号的特征,作为激光雷达设计的参考.通过设计合理的接收光路,采用极高灵敏度的R4632光电倍增管以及微弱信号光子计数技术,提高瑞利和拉曼微弱信号的信噪比(SNR).为了实现瑞利-拉曼-米氏激光雷达对大气气溶胶和卷云的联合探测,532 am回波信号采取高低分层技术,通过对气溶胶和卷云的回波光加衰减和探测器门控两种手段相结合,保证了R4632光电培增管极高的灵敏度探测器对大气气溶胶和高层卷云回波信号的线性检测,从而实现一台激光雷达对大气温度、气溶胶和卷云的探测.试验表明,信号检测单元的设计满足测量精度的要求.     

遥感试验数据确定大气气溶胶类型的方法研究

以太湖为研究区,通过水面光谱实验采集,地基太阳光度计大气测量,和当天的MODIS遥感影像,联合遥感太湖地区的大气光学特性,提出了一种实验确定气溶胶类型的方法.通过与卫星影像准同步的地面光谱和太阳光度计试验,利用辐射传输模式6S,变化气溶胶类型各组分,建立关于星上辐射的查找表,并利用定义的相对误差参量,在其总误差最小时确定气溶胶类型.将其用于改进后的Mie散射程序来计算大气气溶胶粒子群包括偏振散射相函数等的光学特性,并用于太湖地区大气气溶胶光学厚度的反演中,所得结果参考CE318实测值,反演精度有了较大的提高.该研究方法与结果可为大气气溶胶光学特性计算,大气辐射传输方程,气溶胶光学厚度反演,卫星数据大气校正等遥感应用提供支持.     

反演卷云激光雷达比的新方法

激光雷达比(消光系数与后向散射系数之比)是 卷云的重要光学特性之一,提出了一种通过 Mie散射激光雷达回波信号反演卷云激光雷达比的新方法。以云底气溶胶的消光系数 和卷云的光学 厚度两个参量为约束条件,构建以云顶气溶胶的消光系数和卷云的激光雷达比为未知参量的 非线性方程 组,采用粒子群算法求非线性方程组的数值解,同时获得云顶气溶胶的消光系数和卷云的激 光雷达比。使 用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了实验验证,结果表明,本文方法是有效的,并且具 有迭代次数少、收敛速度快的优点。     

散射能见度仪接收器视场角对测量的影响

散射式能见度仪一般通过透镜限制接收器的视场角,接收光束成张角较大的锥形,测量角度具有不确定性,不符合严格的角散射系数定义.文中提出了使用透镜和阶跃光纤组合方式限制接收器视场角,接收光束为测量角度的入射平行光束,符合严格的角散射系数定义.使用TDA-4B气溶胶发生器产生6种浓度的气溶胶粒子,粒子直径不随浓度变化,对每一种浓度的粒子同时使用透镜和透镜加光纤组合两种限制接收器视场角的方式进行角散射系数的测量实验.通过实验得出,在单分散系条件下接收器的视场角偏大会导致角散射系数测量结果偏大,而通过Koschmieder定律计算得出能见度值会偏小.     

基于内置集成电路总线技术的太阳光度计

提出了一种基于内置集成电路总线技术的太阳光度计,系统采用硅光电二极管组成光电检测电路,可以有效地降低仪器的体积、功耗、价格,从而实现以很高的性价比设立大范围的观测网,同时光度计有很高的观测精度.介绍了系统的探测原理、电子学软硬件系统设计以及实验结果分析.实验结果表明太阳光度计运行可靠,可以满足气溶胶观测的要求.     

DTF型太阳光度计测量大气光学参数的对比验证及误差分析

DTF型系列太阳光度计在合肥地区测量大气气溶胶光学厚度(AOT)和可降水量(PWV),并与其它测量仪器进行对比验证,各仪器之间测量结果日变化趋势具有很好的一致性.对比分析结果显示:太阳光度计之间测量气溶胶光学厚度和可降水量的均方根误差都在8％以内;太阳光度计测量的可降水量与微波辐射计测量的水汽含量进行对比,均方根误差约5％.通过对比验证和误差分析,DTF型太阳光度计测量AOT和PWV具有较高的可靠性.     

船载太阳光度计图像跟踪系统

传统太阳光度计在海上移动平台上不能精准跟踪太阳。为了解决船舶在移动过程当中实现对太阳高精度跟踪的问题,利用鱼眼镜头、陀螺稳定平台、小视场CCD图像传感器等构建了船载型太阳光度计的图像跟踪系统。文中详细地描述了图像跟踪系统的整体结构和单臂探头的光路设计,介绍了时钟法与鱼眼成像系统相结合的方式在全天空大视场范围下进行太阳的粗跟踪,然后通过小视场的CCD图像处理技术来提高跟踪精度。此外,给出了系统的软件跟踪算法和流程,分析了系统跟踪的可靠性。该系统实现了在海上移动平台下的全自动跟踪测量,综合跟踪精度优于1′。与日本POM-01MKⅢ船用太阳光度计进行透过率与水汽的数据对比表明:在940 nm波段的大气透过率最大相对误差不超过7.6%,水汽含量最大相对误差不超过6.1%。该系统可以应用于船载太阳光度计测量海上整层大气透过率以及水汽数据,也可应用于其他对移动非稳定平台下太阳的跟踪。     

基于MAX-DOAS的对流层NO2和气溶胶光学厚度遥测反演

随着全球工业化速度加快和人口的增多,大气环境问题日益突出,NO2和气溶胶在大气化学中扮演着重要的角色。地基多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）基于被动DOAS原理,近年来已成功应用于大气痕量气体柱浓度和气溶胶光学厚度（AOD）测量方面。本文基于被动DOAS算法对合肥秸秆燃烧期间NO2柱浓度以及气溶胶光学厚度进行了观测,并把对流层柱浓度和臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument, OMI)结果进行对比;测量的气溶胶光学厚度和太阳光度计（CE318）进行了对比。结果表明,MAX-DOAS测量结果要高于卫星值,11月6日MAX-DOAS测量NO2柱浓度日均值为OMI的1.9倍;二者在无云条件下一致性较好;MAX-DOAS反演AOD和太阳光度计结果相关性在0.9以上。     

气溶胶单粒子的偏振散射特性研究

建立了气溶胶单粒子的偏振散射实验装置,采用T-matrix方法模拟球形粒子和长形粒子的光散射计算, 讨论了偏振强度因子(Pf)和穆勒矩阵元素(Z11、Z12)随粒径、形状的变化关系,结果表明,球形粒子和杆状粒子的Pf和Z12随着粒径的增大存在明显差异。通过对单分散的气溶胶颗粒物样品的实验测量,得到不同样品的Pf值和Z12。实验结果表明,以油酸粒子的Z12为基准, 差值△Z12=12可以作为球形的油酸粒子和长形的核黄素以及石棉纤维的区分阈值, △Z12 介于12~41主要为核黄素粒子, △Z12达到59时粒子可被认为是长形的石棉纤维粒子, 而立方形的NaCl气溶胶粒子的△Z12与油酸粒子非常接近,难以区分。初步实验表明,穆勒矩阵元素Z12可以用于识别长形粒子,该研究为颗粒物形态的偏振测量提供依据。     

干涉粒子成像技术可测粒径上限分析

从实验上研究了干涉粒子成像技术（IPI）的最大可测粒子尺寸。分析了同一视场中不同物面导致的物距变化对IPI最大可测粒径的影响。搭建了单光束照射的IPI实验系统，对粒子直径为51μm和110μm的聚苯乙烯混合粒子场进行测量，分析了同一视场内不同采集区域的最大可测粒径。实验结果表明，IPI技术最大可测粒径受实验系统物距影响，对于一固定参数的实验系统，同一视场内不同采集区域的最大可测粒径不同。     

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。     

基于颗粒物光学检测技术的大气沙尘气溶胶 形貌、混合态研究进展

大气中的沙尘气溶胶颗粒物会通过与太阳辐射相互作用、参与云的形成过程等, 对气候系统产生强烈影响。 对流层中的沙尘气溶胶通常是含有各种粒子成分的不均匀混合物, 只有通过详细了解单个沙尘粒子的理化特性才能 充分认识其对气候的影响效应。基于此, 对过去 20 年基于光学方法对大气沙尘气溶胶观测分析的研究进行了全面的 综述。回顾了利用电子显微镜、激光雷达以及单颗粒质谱等光学技术的研究成果, 简要介绍了基于扫描电镜和能谱、 偏光特性、非对称因子等的观测分析技术, 并讨论其优缺点; 总结了沙尘气溶胶形貌、混合态特征研究, 讨论其参与大 气物理化学过程的主要方式; 讨论了污染沙尘的光学性质、吸湿特性及成核能力, 这些特性都对气候变化和预测有重 要影响。大气中的沙尘气溶胶是复杂多样的, 如何将精确的单粒子分析技术和快速响应的在线检测技术结合将是未 来大气探测的研究重点, 这些研究成果也将进一步扩展到气溶胶的环境和气候影响研究, 以及人类健康风险评估中。     

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。     

基于MODIS云参数的卷云反射率计算研究

卷云反射率是天气、气候和地球能量平衡研究中关注的重要参数。卷云反射率的快速算法在遥感反演卷云特性参数中具有重要应用。依据卷云反射率随卷云光学厚度、有效尺度、太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角等参数的变化,利用离散坐标法（Discrete Ordinate Radiative Transfer method,DISORT）计算卷云反射率,预先建立卷云反射率随相关参数变化的快速查找表,以此建立了卷云反射率的快速算法。将MODIS卫星探测的卷云光学厚度、太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角等因素作为输入参数,计算得到了卷云反射率,比较了计算的卷云反射率和MODIS实际测量的卷云反射率值,相关系数达到0.94,平均偏差小于18.5%,说明了卷云快速算法计算合理可行。     

星载对地观测偏振传感器及其大气遥感应用

偏振反映电磁波的方向特性,是除强度之外电磁波的另一维度的信息。在电磁波与大气颗粒物的相互作用中,偏振由于其对颗粒物物理特征的高敏感性, 可以有效提高卫星遥感探测的丰度和精度,改善对大气中特性复杂的气溶胶和云等成分的探测能力。首次综合介绍了我国研制的4种类型星载 对地观测偏振传感器,包括多角度偏振相机、推扫式偏振成像仪、摆扫式偏振仪、多通道偏振辐射计,并分析了代表性的国产偏振传感器 的指标参数,总结了各类载荷的探测能力。在此基础上,介绍了星载偏振传感器的主要定标方法,包括发射前实验室定标、星上定标和在轨定标。 偏振载荷具有增加卫星观测维度和精度、对大气颗粒物粒径和形状特征敏感、改善弱信号探测等方面的综合优势,能够获取全球范围内 高精度的大气气溶胶和云参数。星载对地观测偏振传感器具有广阔的大气遥感应用空间和潜力,可在细颗粒物PM2.5卫星遥感、关键气候 因子观测及评估、极端环境事件监测、气溶胶生态效应评估、对地观测高精度大气校正等多个领域发挥作用。     

大气同步校正仪卷云识别波段稳定性测试方法

大气同步校正仪（Synchronous Monitoring Atmospheric Corrector, SMAC）是高分辨率多模综合成像卫星的业务载荷之一,为卫星主相机提供时空一致的大气观测数据,实现基于辐射传输模型的高分辨率遥感图像大气校正。SMAC设置了专用于卷云识别的水汽强吸收波段,该波段特点使其稳定性测试极易受到实验室水汽波动影响,难以真实反映该波段性能。采用水汽波动控制、探测器同步监测等措施抑制水汽波动对测试数据的影响,结果显示采取措施后SMAC的稳定性误差由4.08%降低至0.23%,表明SMAC卷云识别波段稳定性测试方法合理有效,能够体现产品自身稳定性能,对后续同类产品的稳定性测试具有重要的参考价值。     

典型滤波器对星载高光谱分辨率激光雷达532 nm通道回波信号的影响

高光谱分辨率激光雷达（High Spectral Resolution Lidar,HSRL）系统利用窄带滤波器将激光雷达回波信号中的大气粒子（云或气溶胶）散射和分子散射成分分开,提升了云或气溶胶光学特性的反演质量。提出了一种基于HSRL探测原理的HSRL回波信号模拟方法,其原理是利用CALIPSO云/气溶胶消光系数产品和数值天气预报数据被用来仿真星载HSRL 532 nm回波信号。两种典型的窄带光谱滤波器:FPI（Fabry-Prot Interferometer）和碘吸收滤波器,作为分子通道滤波器的性能通过仿真的星载HSRL回波信号进行分析。对三种典型:晴空、卷云、气溶胶（两层厚云）的HSRL回波廓线进行详细的敏感分析表明碘分子吸收滤波器的性能明显优于FPI滤波器,其中碘吸收滤波能保持可以忽略不计的相对偏差（4.010-3%）,这是由低光学厚度（1.0）的粒子后向散射效应引起的。但是,如果FPI滤波器的粒子后向散射透过率能保持在10-3水平以下,其仍不失为是一个好的选择。     

船载激光雷达观测青岛海域气溶胶光学性质实验研究

研制了一套能连续探测海洋大气气溶胶光学性质垂直分布的船载小型米散射激光雷达系统,用该系统于2015年5月和9月在青岛海域开展了海洋大气气溶胶观测实验.以同船搭载的Microtops II型手持式太阳光度计同步测量得到的气溶胶光学厚度作对比数据,比较了两种仪器的气溶胶光学厚度测量结果,得到观测海域柱平均激光雷达比为32.4sr,标准偏差4.6sr.由Fernald方法得到了实验海域夏季15 km以下的气溶胶消光系数廓线.连续观测实验表明研制的船载米散射激光雷达结构紧凑,易于在船载平台操作,能对海洋大气气溶胶的光学特性进行连续有效的高时空分辨率廓线测量.     

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。     

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。