拉曼-米激光雷达污染环境下气溶胶散射系数反演

提出一种针对雾霾等大气污染环境下近地面区域气溶胶后向散射系数的修正反演方法.针对大气污染环境下近地面气溶胶含量激增导致弹性信号强度超过激光雷达抑制比而引发弹性信号泄漏,进而造成转动拉曼信号发生畸变,提出一种拉曼回波信号修正方法;同时考虑了大气温度对大气分子散射应用于气溶胶反演的影响.实验表明,相比经典Raman-Mie气溶胶反演方法,修正算法反演近地面稳定气溶胶层内气溶胶后向散射系数精度可提高约20%,有助于改善拉曼-米雷达在污染环境下的总体探测性能.      

基于转动拉曼-米激光雷达拟合大气边界层内气溶胶光学厚度与PM2.5

提出一种利用转动拉曼-米散射激光雷达米弹性散射信号与转动拉曼散射信号比值来拟合大气边界层1 km以内气溶胶光学厚度与PM_2.5值的方法. 该方法消除了几何因子对近地面探测过渡区所带来的误差,而且消除了近地面大气湿度的影响,能够获得高精度的气溶胶后向散射系数,并在此基础上推导了气溶胶光学厚度（AOD）的计算方法,最后利用实验室转动拉曼-米激光雷达系统测量的2013年北京地区气溶胶数据,拟合获得了2013年北京地区冬夏两季AOD-PM_2.5经验公式.      

基于CALIPSO和转动拉曼-米散射激光雷达研究北京地区大气气溶胶特性

为提高大气气溶胶参数反演结果的准确性,结合实验室研制的转动拉曼-米散射激光雷达和NASA的CALIPSO,仅用2个激光雷达的弹性后向散射信号,无需对激光雷达比进行假设,反演出了2012年春季北京上空晴天、雨后、阴霾天气的气溶胶光学参数的垂直分布. 结果表明:此方法可有效地获取气溶胶消光系数和后向散射系数的垂直分布;气溶胶的消光系数值在阴霾天气最高,晴天次之,雨后最低.      

大气气溶胶光学参数的高光谱分辨率激光雷达探测研究

系统地介绍了国内第一台基于碘吸收滤波器的高光谱分辨率激光雷达系统,及有关的数据处理和测量结果．该系统以种子激光注入的窄带Nd：YAG激光器作为发射光源,利用碘吸收滤波器作为高光谱分辨率滤光器件,将接收到的激光后向散射信号分成能量监测和光谱监测两个探测通道,实现对大气气溶胶散射和分子散射的光谱分离．在没有其他假设、仅利用标准大气模型计算结果的情况下,直接测量得到气溶胶后向散射比、后向散射系数．与以往米散射激光雷达大气气溶胶参数提取方法如Klett方法相比,该测量方式无须激光雷达比即气溶胶消光系数对后向散射系数之比的假设．     

旋光退偏器用于星载光栅成像光谱仪分析

对紫外-可见光谱区星载光栅光谱仪的响应偏振敏感性的问题,采用加入退偏器的方法来消除仪器的偏振响应,保证成像光谱仪测量结果的准确性.退偏器根据大气偏振的特点采用简单双光楔结构旋光退偏器,给出了其退偏度理论表达式,计算分析了系统的线性偏振敏感度.采用矩阵计算法推导分析了退偏器的偏振像差矩阵和光学传递矩阵,重点分析了退偏器引入的双像对成像光谱仪像质的影响.分析结果表明,加入退偏器后,仪器偏振响应敏感度小于1%,系统MTF下降小于1.5%,像质满足使用要求,完全可应用于星载光栅成像光谱仪.     

侧向散射激光雷达反演气溶胶后向散射系数误差分析

气溶胶的光学特性是大气探测的一个重要部分,侧向散射激光雷达很适合于探测近地面大气气溶胶光学特性。在侧向散射激光雷达的反演公式中,气溶胶后向散射系数对各直接测量量偏导数的解析表达式是求不出的,传统的误差传递公式难以发挥作用。而直接误差传递的方法,适应于这种情况。用直接误差传递方法估算参考点气溶胶后向散射系数、大气后向散射系数、气溶胶消光后向散射系数比、测量信号、大气分子和气溶胶比相函数分别独立变化时引起后向散射系数误差的大小及总误差的大小。     

地基离轴拉曼-米激光雷达几何因子校正

提出一种提高地基离轴拉曼-米激光雷达系统几何因子校准精度的纯气溶胶校正算法.理论分析了算法的解析表达式和误差影响因素,并与Raman-Klett迭代校正算法进行了对比分析.实验表明算法对激光雷达比估计误差具有不敏感特性.同时讨论了算法得到的几何因子廓线对反演气溶胶消光系数的影响,结果表明在同等激光雷达比估计误差下,纯气溶胶校正算法比Raman-Klett迭代校正算法反演得到的几何因子廓线精度高约2倍以上,并能更好地体现与人类活动密切相关的近地面气溶胶分布情况.      

利用微脉冲激光雷达识别过冷水云层

在已有的云识别算法基础上, 利用微脉冲激光雷达后向散射信号区分云和气溶胶。按照云粒子的退偏振比, 区分冰云、水云、混合云以及水平导向的冰晶云。结合大气温度廓线, 对过冷水云层进行有效的识别。利用观测点上空持续一年的观测资料, 统计各种云出现的高度及比例的逐月变化, 结果显示, 过冷水云出现的时间占有云时间的9.84%, 对于0~−40℃的云层, 过冷水云出现的时间占11.99%。     

小型气溶胶激光雷达水平大气回波信号分析

介绍了一台用于大气气溶胶和云层测量的小型激光雷达系统,阐述了其系统结构和工作原理.对该激光雷达的水平大气回波信号进行了分析处理,得到了此系统的几何重叠因子及一段时间内的水平大气消光系数和对应的水平大气能见度等数据.     

激光探测蒸发波导的原理与实验分析

从海洋人气相对湿度的角度建立了大气折射率变化与气溶胶激光散射特性的理论联系．在实验室条件下,分别模拟了烟、水云、尘、雾、霾等类型粒子群的蒸发波导环境,采用波长为1．06μm的激光雷达对在不同温度和湿度条件下半径范围为0．1～100μm的气溶胶粒子群进行了探测实验,并对不同气溶胶粒子群的激光后向散射回波信号特征做了对比分析,实验结果进一步验证了激光蒸发波导的可行性和有效性．     

相干测风激光雷达带通采样方法的仿真研究

根据相干测风雷达回波信号载频高、带宽窄的特点,尤其星载相干测风雷达回波信号数千兆赫兹,采用传统采样方式对采集卡的采样率要求很高.鉴于采集卡的采样率和分辨力互相制约,提出将带通采样引入到相干测风雷达系统.本文以1.5 μm全光纤相干测风激光雷达的实测数据作为仿真输入,经Simulink滤波、带通采样,结果表明,在对探测距离影响不大的情况下,与低通采样方式相比径向风速反演结果最大相差0.5 μm/s;数据处理的时间复杂度降低,其下降值是带通采样频率与低通采样频率的比值;但信噪比会恶化,其下降值介于1~3 dB.      

大气中气溶胶颗粒对红外激光的散射特性研究

在利用红外激光雷达探测大气中各种成分浓度时,研究大气中气溶胶颗粒在该红外波段的光学散射特性有重要意义.特别是大气中气溶胶颗粒的散射系数和后向散射率是基于红外激光雷达探测大气后向散射回波信号的重要参量,直接影响探测系统的测量精度和有效探测距离.根据等效球的米氏散射理论,分析大气气溶胶颗粒在该波段的散射效率因子和散射相函数,可准确计算出不同半径和不同密度时大气气溶胶颗粒的散射系数和后向散射率大小.利用仿真模型计算得出,当大气气溶胶颗粒的半径增加时,其散射效率因子的数值振荡衰减,最终稳定于2.04处;而当入射激光波长不变时,大气气溶胶颗粒的后向散射率数值与其半径的变化呈反比.     

基于激光雷达的无人机违规航行轨迹数据自动捕获方法

为了解决传统方法对无人机违规航行轨迹数据捕获的精度和实时性低的问题,通过激光雷达研究了一种新的无人机违规航行轨迹数据自动捕获方法。建立激光雷达信号和目标场景作用过程模型,将每束激光在目标场景表面的映射部分当成激光脚印,完成对激光束相应激光脚印的响应函数和激光雷达发射信号的时间分布函数的卷积计算,获取激光脚印相应目标区域和激光雷达信号作用后反馈的回波信号。依据反馈的回波信号建立单次成像回波峰值点轨迹分布模型,获取无人机航行轨迹数据。针对无人机实际航行轨迹和预定义航行轨迹,采用优化的修正豪斯多夫距离公式(MHD)进行轨迹数据匹配程度衡量,按照经验设定阈值,若匹配度超过阈值,则认为实际轨迹与预设定无人机航行轨迹不匹配,将相应实际轨迹当成无人机违规航行轨迹,对违规航行轨迹数据进行捕获。结果表明:所提方法可及时检测处无人机违规航迹,报警时间比其他方法时效性高;所提方法捕获的无人机违规航行轨迹数据与真实数据偏差小。可见所提方法实时性与精度均较高。     

用于激光雷达回波平滑的半步长插值迭代法

由于大气扰动和探测器件噪声的影响,大气探测激光雷达回波信号中搀杂了大量的随机噪声,因此需要对直接探测信号进行平滑处理.作者提出一种基于插值的半步长迭代平滑方法.利用半步长插值对数据进行重构,重复这个过程直至原数据列与新数据列相似度达一定标准为止,由此迭代过程生成的新数据列即为平滑结果.实验结果表明,该算法可以有效地提高信号平滑度并且自适应地保留重要的信号波动.     

小型米散射激光雷达系统设计

为了探测对流层内大气气溶胶和卷云的光学特性以及大气水平能见度等,在阐述了大气气溶胶探测原理及信号处理方法的基础上,利用二极管激光泵浦的Nd:YAG固体激光器的二倍频波长(532 nm)激光为光源,设计了一台小型微脉冲米散射激光雷达,并利用标准大气模型对系统进行了仿真计算。仿真结果表明,在探测误差小于10%条件下,系统在白天和夜晚的探测高度分别为6 km和13 km。该系统还具有对人眼安全、能全方位扫描探测等特点,可应用于城市及特定场合(如厂区,大型公共场所)的大气环境监测,也可用于沙尘暴探测及其预警预报技术的研究。     

星载CO2探测频率步进扫描IPDA激光雷达回波信号反演及误差分析

设计了星载CO₂探测频率步进扫描积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达,弥补了欧洲航天局A-SCOPE项目单波长CO₂探测IPDA激光雷达对波长依赖性较强等不足.仿真计算了一个扫描周期内的激光雷达回波信号和系统的相对随机误差、大气压强不确定性误差以及频率不稳定性误差.当频率步进扫描到on-line波长为6 361.235 0 cm-1时,在海面反射率为0.035 sr-1、大气压强不确定性为0.001以及激光频率不稳定性为0.3 MHz条件下,系统综合相对误差为0.084 2%.结果表明,采用频率步进扫描方法结合IPDA激光雷达技术探测大气CO₂浓度不仅可以观察到相对误差随on-line波长变化的关系,而且可以有效地减小测量误差,使其小于0.5×10-6.      

海面浮油探测荧光激光雷达系统仿真

建立了海面浮油探测荧光激光雷达的系统模型,根据浮油探测的特点,给出了荧光激光雷达回波信号方程.以此方程为基础,结合石油的消光系数及荧光光谱转换效率数据,对模型的回波信号强度进行仿真,得到了该模型探测不同类型石油时的荧光回波光子数.为进一步计算该模型的信噪比,分析了海洋浮油探测背景噪声的特点,得到海水黄色物质产生的背景噪声.通过信噪比公式计算了荧光激光雷达模型的信噪比,计算结果表明,该系统模型能够满足机载海面浮油探测要求.      

夹杂对铁电颗粒畴结构及性能的影响

采用相场方法模拟了内含夹杂的铁电颗粒的畴结构演化, 研究了夹杂对铁电颗粒畴结构和性能的影响. 研究发现, 铁电极化电荷在夹杂表面的聚集可导致电势的局部升高或降低,改变退极化电场, 影响夹杂边界区域的极化矢量的生长和偏转, 会增加畴结构的无序度; 该影响在夹杂数量较多以及尺寸较大时尤为明显. 最后, 通过模拟电滞回线发现了颗粒的铁电性随夹杂的增加显著减弱的现象. 因此, 在微型电子器件的应用中应尽量避免在铁电颗粒中出现夹杂.