激光雷达探测大气参数的可视化反演技术

针对激光雷达探测特点及其探测数据的处理要求,以Visual C 6.0软件为开发平台,利用Kriging方法和颜色映射等数据插补方法,研究精确大气参数的时空变化特性的可视化反演技术.通过对间隔1小时探测得到的24小时激光雷达的测量数据进行可视化反演处理,可直观清晰地观测到24小时内的大气消光系数的变化规律.     

APD光子计数图像的蒙特卡洛仿真与实现

该文应用统计光学理论研究微光成像;结合雪崩光电二极管(APD)光子探测器件的工作特点,采用蒙特卡洛方法模拟光子计数图像的成像过程。结果表明,通过基于器件特性和光子运动统计规律的仿真实验可以获得光子计数图像。以仿真流程为依据搭建了固态APD光子计数成像实验系统。在10-5lx环境照度下,通过对目标扫描得到一系列光子计数值。将光子计数数据进行存储和运算,恢复了光子计数图像。实验证明,基于APD的成像系统可以实现微光环境下目标的二维探测成像。     

拉曼-米激光雷达测温通道残余几何因子修正

拉曼-米激光雷达高低阶拉曼通道的几何因子因不同通道光学器件和探测器的性能差异并非完全一致,会引入近地面温度测量误差,针对这一问题,提出一种修正测温通道残余几何因子的方法. 该方法首先通过探空温度和标定的归一化光谱透过率计算得到高低阶拉曼信号的有效微分散射截面之比,然后从拉曼信号比值中求解出残余几何因子廓线. 利用北京理工大学激光雷达实验室研制的转动拉曼-米激光雷达系统的探测数据,实验验证了该方法的有效性. 结果表明,该方法能较好地修正残余几何因子对温度探测的影响,显著提高近地面1.5 km探测高度内温度反演精度,有助于提高拉曼-米激光雷达对边界层大气的探测能力.      

大气探测激光雷达的分类和特征

激光雷达被广泛地应用于云、气溶胶、大气成分、温度和风速的探测当中.应用于大气探测的激光雷达种类繁多，通常会使用不同的分类方法对激光雷达进行归类，使得同一台激光雷达可能会被赋予不同的名称，而被归类于同一类型的激光雷达之间又可能存在显著差异.按照激光雷达的测量角度和测距方式、光谱特征、探测目标、搭载平台等多种分类方法对现有的大气探测激光雷达进行了归纳，描述了各种不同类型激光雷达的特征，并介绍了不同类别激光雷达之间的联系.在实际科研和业务中，需要结合各种激光雷达的优、缺点，根据探测目标、数据质量要求和预算来选择最适合的激光雷达类型来进行大气探测.     

激光雷达在大气探测中的应用浅析

激光雷达具有波束定向性强、探测波长短、能量密度高等特点,在大气探测中能够发挥空间分辨率高、探测灵敏度高等优点。文章分析了激光雷达大气探测的基本原理,介绍了激光雷达的类型,探讨了激光雷达在大气探测中的具体应用,并提出一些观点以供参考。     

基于ICESat-2/ATLAS数据的近海岸水深提取

水深是表征海洋浅水和海岸环境的重要地形要素,光子计数激光雷达可穿透一定深度的水体,为水深信息提取提供可靠的数据支持。以我国南海岛礁为例,利用目前唯一在轨的星载光子计数激光雷达-ICESat-2/ATLAS数据开展岛礁浅水水深提取及精度评价研究。首先根据置信度参数对原始光子数据进行粗去噪,基于点密度分布差异分离水面和水底光子;然后对水面光子采用区间估计方法精去噪,利用RANSAC算法拟合水面高程;通过改进滤波参数,基于改进OPTICS算法对水底光子进行两次聚类,实现水底光子的精去噪,进而通过折射校正和潮汐校正提取近岸水深;最后利用机载LiDAR测深数据进行验证。实验结果表明,与ATL03高置信度光子数据和AVEBM去噪结果相比,该精去噪算法具有更高的F值,分别提高了约5.87%和3.38%;水深提取结果与机载测深数据的R~2为0.91,均方根误差RMSE为0.53m。     

光子计数激光测距技术研究

光子计数激光雷达采用了灵敏度极高的单光子探测器,能够将激光雷达系统的灵敏度提高2—3个数量级,具有极大的发展潜力和技术优势。介绍和分析了光子计数激光测距技术的基本原理和优点。设计了光子计数激光雷达实验系统,采用盖革模式的雪崩二极管(Geiger-mode APD),开展了测距验证实验。实验结果表明,采用光子计数激光测距能够在单光子灵敏度和强噪声背景条件下,获取目标的距离信息,距离测量精度达到6.23 cm。     

钠激光雷达对中间层顶大气温度和风场的探测

中高层大气温度和风场是研究中高层大气波动的重要参数.钠高光谱分辨率激光雷达能够对中间层顶(80-105km)大气温度和风场进行高精度观测.2011年中国科学技术大学成功研制了我国首台高光谱分辨率钠测温测风激光雷达系统.文中对该激光雷达系统进行了详细介绍,其中包括探测的基本原理,发射机,接收机和采集控制部分的设计.给出了钠测温测风激光雷达于2011年12月9日晚同时探测的大气温度、纬向风、经向风和钠原子密度的结果.结果发现中间层顶区域大气温度、纬向风、经向风变化范围较大,分别是175K~235K,-70~60m/s,-100~110m/s,有明显的半日或周日潮汐振荡的成分.探测结果表明中国科学技术大学钠测温测风激光雷达可对中间层顶区域温度和大气风场进行高时空分辨率的探测,其探测数据对于研究中高层大气动力学具有重要的意义.     

一种探测大气的激光雷达研究

本文主要介绍用于探测大气光学参数的激光雷达基本工作原理及其主要技术指标，并对大气探测激光雷达的探测精度简要分析。与其他测量手段相比，大气探测激光雷达具有测量范围大，空间和时间分辨率高，测量精度高，实时性强等优点。尤其是它能够直接测量可见或红外波长的大气水平能见度和透过率。     

关键词

大气探测激光雷达 近日记者从中国科学院获悉,为突破激光雷达时空连续性限制,该院武汉物理与数学研究所激光雷达研究团队已成功研发出一种新型的全高程、全天时大气探测激光雷达,实现从近地面直到约110公里的全高程探测,并实现对部分低中层和全部高层的全天时（昼夜连续）探测。     

激光雷达回波信号及处理方法分析

本论文针对大气探测激光雷达的数字信号处理,进行了研究。通过分析大气探测激光雷达回波信号,回波信号中的噪声主要包括背景噪声、电噪声以及大气扰动噪声等,并对部分噪声的抑制提出了降噪方案。通过距离校正,得到探测距离。使用MTI法去除物理杂波噪声。设计滤波器,选取合适的截止频率,消除由接收系统各环节电子器件引起的高频电噪声。     

拉曼激光雷达探测对流层二氧化碳浓度分布

为了预测大气中二氧化碳对气候变化的影响,准确可靠的监测对流层二氧化碳浓度分布变得非常重要。拉曼激光雷达是探测大气二氧化碳浓度分布的一种先进的工具。本文介绍了拉曼激光雷达探测大气二氧化碳浓度的原理和方法;中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的L625拉曼激光雷达增加了测量对流层二氧化碳浓度分布的功能,对该雷达的重要器件和参数进行了简要介绍;分析了L625拉曼激光雷达探测对流层大气二氧化碳浓度的测量精度;得到了对流层2-7.5 km高度上二氧化碳浓度分布的初步测量结果。由测量结果可以看出合肥地区夜晚二氧化碳垂直方向浓度变化很小,在380 ppmv左右有轻微变化。实验验证了L625拉曼激光雷达探测二氧化碳浓度分布是可行的,并且能够达到较高的测量精度,具有较好的稳定性。     

基于CALIOP数据的气溶胶光学厚度反演研究

星载激光雷达在大气气溶胶探测上具有观测范围大、精度高以及连续测量等优点,对于大气污染监测和气候变化研究具有重要意义.以星载激光雷达CALIOP L1b数据为基础,利用Fernald近端分析法反演了整层大气柱上气溶胶消光系数及其光学厚度.选择武汉市为试验区域,计算了2007年8月至12月期间武汉上空的气溶胶光学厚度,与地面光度计的实测数据比较表明,CALIOP反演的AOD精度较高.     

构建以激光雷达为核心的区域污染立体监测体系

提出建立以大气颗粒物监测激光雷达、大气臭氧探测激光雷达等地基遥感监测仪器设备为核心的区域污染立体监测体系,重点介绍了颗粒态污染物、气态污染物和气象场垂直探测的方法和原理。基于该监测体系,能够准确解析从近地面至高空颗粒态污染物(尤其是细粒子)和大气氧化剂的时空分布规律,结合近地面数据、卫星探测结果,建立剖析污染物的垂直分布特征的方法,准确判识污染团的外来输送过程和局地形成过程,为进一步采取防控、预警措施提供有力的数据支撑。     

一种基于变换矩阵的激光雷达数据无量纲统一化转换方法

激光雷达观测数据的特点是单点测量、数据格式与数值量纲不统一、结构多样。这种数据特点给数据之间的共享与分析利用带来困难。本文针对大气激光雷达数据的异构性,结合大气激光雷达数据的二维结构,将大气激光雷达观测数据处理方式转换为矩阵的运算,借鉴变换矩阵的基本思想,结合线性插值法填补缺失数据,并利用归一化方法对数据进行无量纲处理,给出激光雷达数据统一化转换模型,实现了数据无量纲统一化。     

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.      

光子噪声受限的波前传感器的实验研究

以自适应塑远镜技术中应用最广的哈特曼(Hartmsnn)型波前传感器为例,利用光子计数技术对单孔径望远镜在光子噪声受限条件下所能探测到的目标星等极限、探测灵敏度极限以及探测速率极限等基本问题作了实验和理论研究。结果表明,利用文中所述的刀口式哈特曼波前传感器,在光子噪声受限条件下,在1ms探测时间内,在波前误差探测灵敏度为十分之一波长的情况下,可探测到八等星目标。为了在光子计数技术基础上准确标定实验目标的星等,研究分析了进入波前传感器的光通量与探测到的对应光电子通量之间的关系,给出了计算模式、计算机模拟结果和实验结果。     

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.      

激光雷达在大气探测中的应用研究进展

激光雷达具有高方向性、相干性、单色性以及体积小等特点,在大气探测、气象监测领域得到了广泛的应用。本文综述了激光雷达在大气探测中的最新研究进展和应用现状,认为激光雷达技术在该领域目前存在的主要问题是易受环境变化的影响,该技术未来将向着高精度、高性能和智能化方向发展。     

机载激光雷达多脉冲探测模式在大高差地形测绘中的应用分析

阐述了LIDAR多脉冲探测模式原理及影响因素。通过飞行实验对比了单脉冲与多脉冲探测模式在大高差地形区域的探测效率及相关问题。大高差地形测绘中,单脉冲模式只能采用低激光频率,造成点密度稀疏,难以满足高精度制图需求;多脉冲模式虽然具有作业效率高等优势,可以获取点密度更高的数据,如何规避大气边缘区的影响是必须考虑的问题。在西北某测区通过合理设计,采用多脉冲模式完成了机载激光雷达数据采集,获得了较好效果。未来采用LIDAR多脉冲探测模式可以在我国西部大高差区域地形测绘工作中发挥重要作用。