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。     

利用无线电掩星观测数据反演大气水汽剖面

准确掌握地球低层大气中的水汽分布，了解水汽变化趋势对天气现象的研究、数值天气预报具有重要的理论研究及实用价值。以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气水汽剖面。详细阐述通过线性迭代方法，反演对流层下部水汽廓线的原理。对常用的掩星数据做了概括性介绍，利用实际掩星数据反演得到了近地面水汽的垂直分布廓线，并给出了反演个例。通过反演的水汽廓线与模式以及实际探空资料进行对比，表明在大多数情况下，由大气折射率反演获取水汽剖面的正确性。针对初始温度和反演上边界的问题进行了研究，分析了不同温度及不同上边界条件下水汽剖面反演可能受到的影响，指出了线性迭代方法反演水汽垂直分布中存在的问题。     

多波长水汽探测激光雷达回波仿真及误差分析

大气水汽含量随海拔升高急剧减小,为准确获得水汽浓度随高度的分布,设计多波长发射水汽探测星载距离分辨差分吸收激光雷达(DIAL)。选取波长相差较小,水汽吸收截面不同的4个发射波长:其中3个吸收截面较大的波长作为信号光束,第4个吸收截面较小的波长作为参考光束,分3组对不同海拔高度处的水汽浓度进行分段探测。对4个发射波长的回波信号进行了仿真模拟,为验证其水汽探测能力,在白天和夜晚对3组波长水汽浓度探测的相对误差进行分析讨论。结果表明,在相对误差小于20%的情况下,该多发射波长星载距离分辨差分吸收激光雷达系统可以实现白天对流层(小于12 km)、夜晚平流层底以下(小于15 km)水汽浓度的探测。理论上初步证实了该多波长星载距离分辨差分吸收激光雷达能全天时精确地探测对流层水汽浓度分布。     

利用掩星弯曲角协方差变换法确定对流层顶

利用气象电离层与气候观测星座（The Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate,COSMIC）任务提供的全球定位系统（Global Positioning System,GPS)无线电掩星观测数据,研究用弯曲角自然对数协方差变换确定对流层顶的方法.对该方法中尺度因子a值的选取原则进行了讨论,发现当a取35 km时,基本能过滤低对流层大气温度和湿度梯度引起的小尺度变化,最易确定对流层顶高度.〖JP2〗将采用该方法确定的对流层顶分别与相应的掩星温度廓线确定的温度最低点对流层顶（Cold Point Tropopause,CPT）和温度递减率对流层顶(Lapse Rate Tropopause,LRT)、以及无线电探空温度廓线确定的CPT和LRT进行了比对,结果表明:直接从弯曲角廓线出发,采用自然对数协方差变换法确定对流层顶是可行的;在某些高纬度地区,弯曲角自然对数协方差变换法比其它方法更加实用.     

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。     

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。     

基于平均探空廓线和地表实测数据构建大气参数廓线的方法研究

许多光学工程都需要掌握实时大气参数廓线,用来预测大气透过率和大气背景辐射,而目前除了无线电探空和大气遥感外,不易获得实时大气参数廓线。利用历年探空站点数据,并根据地面实时大气参数值,构建各高度层比例因子,得到实时大气参数廓线。以厦门地区为例,将模拟构建的实时温度、气压、水汽密度廓线及整层大气可降水量与实际探空廓线进行对比,表明:构造的对流层以下的温度廓线偏差小于2.5 K,气压基本保持不变,水汽密度廓线在晴天条件下与真实廓线吻合较好,水汽总量偏差小于15%。此方法在某些光学工程中有一定的应用价值。     

测量大气气溶胶和水汽的车载式激光雷达系统

为满足国家对大气参数测量的需求,成功研制了新型车载式大气探测激光雷达系统。该激光雷达主要是通过接收激光与大气中气溶胶粒子和水汽以及氮气分子间的米和拉曼散射信号,结合相应的激光雷达方程,反演出大气水平能见度、垂直气溶胶消光系数和水汽混合比。最终的实际测量结果与对比实验显示,该激光雷达可以对对流层的大气气溶胶进行昼夜连续观测,对夜晚8 km高度范围内以及凌晨和傍晚时分边界层内的水汽进行测量。相应大气水平能见度的测量误差小于20%,而垂直大气气溶胶和水汽的测量误差最大不超过30%。     

米-拉曼散射激光雷达反演对流层气溶胶消光系数廓线

介绍了基于米-拉曼散射激光雷达的南京北郊大气气溶胶观测实验,采用小波分析中的软硬阈值方式处理拉曼散射激光雷达回波信号,选取不同的阈值和不同的小波函数处理拉曼散射激光雷达回波信号,得到了平滑的拉曼散射激光雷达信号。根据拉曼散射激光雷达原理反演对流层高空大气气溶胶消光系数廓线,借助弗纳尔德方法并利用米散射激光雷达气溶胶观测数据,反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。实验观测系统中有瑞利、米散射和拉曼散射3个接收通道,重点研究了米散射和拉曼散射通道接收到的观测数据,对南京北郊2011-12-08晚间拉曼散射激光雷达的气溶胶观测数据进行4种不同阈值处理。选择合适的阈值对实验观测数据进行去噪,然后利用反演原理公式并结合距离矫正信号对观测数据进行反演,得到对流层高空大气气溶胶消光系数廓线;利用其中一处的气溶胶消光系数可以反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。利用米-拉曼散射激光雷达联合反演对流层气溶胶消光系数廓线,可以清晰看出气溶胶的分布特征,对流层低空自由大气的气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明对流层低空自由大气比较干净;对流层高空大气气溶胶消光系数在云影响下可达到6km~(-1),无云时气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明高空大气比较干净。     

探测气溶胶消光特性的双波长米散射激光雷达

研制了一台双波长米散射激光雷达,用来探测对流层大气气溶胶532nm和1064nm两个波段的消光特性及其时空分布.该雷达系统采用四个通道分别用于对流层下部和中上部532nm及1064nm的大气回波信号,并采用窄带滤光片.借助小孔光阑,有效压制背景,以提高系统白天探测能力.描述了该雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法.给出了合肥地区(N31°54',E117°10')对流层大气气溶胶532nm及1064nm大气气溶胶消光系数的垂直廓线及其时空分布的典型探测结果,分析了气溶胶的波长依赖指数和532nm波段的光学厚度.观测和分析结果表明,双波长具备昼夜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.     

山基无线电掩星模拟

利用3维射线追踪技术模拟山基(或机载)无线电掩星,研究掩星事件出现的时间、方位角和掩星事件持续时间;详细研究了大气边界层水汽和温度变化对掩星观测高度、相位时延的影响;从CHAMP掩星观测结果分析,得到了地形对掩星观测高度有重要影响的新结论.研究结果对于解释大气边界层掩星观测信号中断和掩星观测高度变化是非常有益的.     

激光雷达斜程能见度的一种探测方法及其分析

提出利用激光雷达多仰角探测方法对大气斜程积分能见度测量的方案.该方案以大气光学厚度替代传统的利用大气消光系数分布求解斜程能见度,从而克服了在低能见度下,由于大气多次散射,斜程能见度难以测准的缺点,提高了探测精度,为飞机起飞着陆提供了较为准确的气象参数.利用Monte-Carlo方法模拟计算了3种大气消光分布情况下采用该方法测量的积分能见度.结果表明：在激光探测区域内和垂直高度相同的大气消光分布均匀的假设条件下,只要在设计激光雷达时,恰当选择系统参数（如激光脉冲能量、积分累计时间、窄带滤光片带宽等）使得信噪比满足一定的条件,该方法是可行的,且能见度探测误差不超过4.3%.     

基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法

提出了一种基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法,其核心思想是将确定大气气溶胶消光系数边界值的问题转化为求解函数不动点。首先建立大气消光系数边界值与大气光学厚度和激光雷达回波信号之间的函数关系;其次依据函数不动点存在性和唯一性的条件估计不动点的存在,通过不动点迭代求得大气消光系数边界值,并由此值来确定大气气溶胶消光系数边界值。将本方法应用于实际激光雷达回波信号的反演中,得到低层大气气溶胶消光系数垂直廓线,并与在对流层顶使用洁净层法确定边界值所得的结果进行了对比。结果表明,利用本方法确定边界值,可以较为准确地反演出低层大气气溶胶消光系数。本方法可以预先估计不动点的存在区间、合理选取迭代初始值,具有收敛速度快、迭代次数少的优点,实际应用价值较强。     

大气光学特性对激光工程影响的概率分析

大气光学特性具有复杂的空间和时间变化特性，它对激光工程的影响不能简单地评价。要透彻地了解激光工程系统在使用地区受大气影响的全貌，必须全面地分析各种可能的大气状态下激光传输的效果，使用概率进行评价。以合肥骆岗机场近地面0.946 μm的激光水平传输2 km为例，在全年大气条件下从大气分子吸收、大气气溶胶粒子消光和大气湍流效应各方面详细分析了传输效果，得到了传输效果的概率分布特征，说明了大气对激光工程影响的复杂性，为相关应用分析提供了示范。     

海面大气边界层内多波段激光传输效应研究

在沿海某地区的海面大气边界层中进行了距离分别为0.5 km、1.0 km和3.0 km的激光大气传输效应研究,通过对可见光(0.473 μm、0.532 μm和0.671 μm)和中红外(3.8 μm)波段激光传输实验测量,得到了海面大气边界层内多波段激光传输的光强起伏、光束漂移和大气衰减,此外,光传输光强起伏的频谱分析进一步揭示了不同波段的激光在海面上传输的独特性.     

基于多波长激光探测海洋大气波导机理及实验研究

海洋大气波导是能够影响侦察预警探测装设备和常用民用航型保障设备的重要大气环境因素.本文采用一种基于激光探测遥感探测大气波导的技术,通过分析计算典型海洋大气多波长激光传输特性、光波波段折射率结构常数与激光探测大气波导机理模型.同时通过自主研制的激光雷达在三亚等地进行大量实践大气波导探测,并同步开展探空气球探测低空100 ...     

对流层气溶胶和水汽的车载激光雷达系统的探测

利用研制的一套具备昼夜测量能力的新型车载大气探测激光雷达系统为试验工程和环境监测提供应用研究。该激光雷达系统由水平测量模块和垂直测量模块构成,可通过接收激光与大气中气溶胶粒子、水汽分子、氮气分子作用的米散射和拉曼散射信号,反演大气水平能见度、垂直的气溶胶消光系数和水汽混合比。并可实现昼夜连续观测,实际测量结果与对比实验表明,大气水平能见度的测量误差小于10%, 6 km以下垂直大气气溶胶的测量误差小于10%,水汽的测量误差最大不超过20%,能够满足大气参数测量的实际需求。     

水下激光光束空间分布特性的实验研究

对高斯光束在不同水体中的传输特性进行了初步实验研究,分析了水体衰减系数对传输特性的影响。实验结果显示,高斯光束在水中不同传输距离处横截面上的光强径向分布仍然可以用高斯函数来描述;高斯光束在水中的光斑半径大于在空气中的,而且水体衰减系数越大,光斑半径扩展得越大;高斯光束在水中的光斑中心光强比空气中的衰减得严重,而且水体衰减系数越大,衰减得越快;高斯光束在大约2～3个衰减长度处光斑光强近似均匀分布。     

大气折射对空地卫星光通信链路影响的研究

卫星光通信被认为是解决卫星通信高码率“瓶颈”问题的唯一途径。但是在空地光通信系统中 ,由于大气温度与大气压强的随机变化 ,导致大气折射率不再是常数。当激光在大气中传输时 ,由于折射的影响 ,光束不再沿直线传播 ,而是按折射定律产生折射效应。这就使得光束到达卫星站 (或地球站 )时偏离了原来的位置 ,影响系统的通信性能。同时由于湍流的存在 ,它又会产生一些湍流效应。本文在此基础上给出了大气折射率模型 ,并由大气光路方程得出在空地卫星通信系统中 ,光束在整个大气中的传输特性。它是研究空地卫星光通信中的大气折射的重要课题