粒子退偏比测量拉曼-米偏振激光雷达系统设计与仿真

针对米-偏振激光雷达回波信号受大气分子信号影响而只能测得体退偏比的问题,设计了一种可以测量粒子退偏比的纯转动拉曼-米偏振激光雷达。仿真了其回波信号与信噪比,结果表明系统夜晚最大探测距离可达12 km,验证了系统的可行性。利用拉曼信号校正米-偏振信号得到气溶胶和云的粒子退偏比,通过对比不同天气状况下的退偏比廓线,得出该系统更适用于高空卷云和浓度较小但退偏比较大的气溶胶粒子的退偏比测量。      

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.      

北京地区大气气溶胶的激光雷达观测及反演算法研究

利用微脉冲激光雷达在北京地区的观测,研究两种避开利用高空信号的反演算法。算法一,根据Fernald的反演算法把边界取在混合层中间某处,并结合太阳光度计的观测进行反演。通过激光雷达与同一地点自动气象站的地面观测比较验证了反演结果,表明该方案用于激光雷达的气溶胶消光系数反演是可行的。算法二,由于激光雷达近端处的信号和地面气溶胶消光系数线性相关,从而利用地面气溶胶观测数据反演雷达常数和观测期间气溶胶平均后向散射比,结果与第一种方案一致,表明利用该方法反演是可行的。最后利用这次激光雷达的观测,分析北京地区冬季一次西伯利亚高压过境时的气溶胶演变过程,将激光雷达观测与南郊观测站地面观测进行比较,并验证了激光雷达的反演结果和算法的可靠性。     

北京地区大气气溶胶的激光雷达观测及反演算法研究

利用微脉冲激光雷达在北京地区的观测, 研究两种避开利用高空信号的反演算法。算法一,根据Fernald的反演算法把边界取在混合层中间某处, 并结合太阳光度计的观测进行反演。通过激光雷达与同一地点自动气象站的地面观测比较验证了反演结果, 表明该方案用于激光雷达的气溶胶消光系数反演是可行的。算法二,由于激光雷达近端处的信号和地面气溶胶消光系数线性相关, 从而利用地面气溶胶观测数据反演雷达常数和观测期间气溶胶平均后向散射比, 结果与第一种方案一致, 表明利用该方法反演是可行的。最后利用这次激光雷达的观测, 分析北京地区冬季一次西伯利亚高压过境时的气溶胶演变过程, 将激光雷达观测与南郊观测站地面观测进行比较, 并验证了激光雷达的反演结果和算法的可靠性。     

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.      

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.     

一种基于激光雷达和卫星资料估算地面颗粒物浓度的方法

从2013年5月至11月中筛选激光雷达和MODIS大气光学厚度(AOD)资料,提出一种基于激光雷达反演大气气溶胶消光系数廓线,结合MODIS大气光学厚度资料,估算地面颗粒物质量浓度的方法;将该方法与AOD/大气边界层高度(ABLH)方法进行对比,最后将估算的颗粒物浓度与实测值进行比较。研究表明,该方法估算地面颗粒物浓度效果好于AOD/ABLH方法,与实测PM_(2.5)和PM_(10)浓度相关系数分别达到0.8和0.62。两种方法估算得到的地面颗粒物浓度与实测值比较,新方法估算的结果准确性更好。     

基于OPAC的典型环境中气溶胶组分的光学特性分析

利用基于Mie散射理论的云和气溶胶粒子的光学特性软件(OPAC)在不同激光雷达探测波段对一般大陆(典型气溶胶组分:水溶性、不溶性和烟尘气溶胶)、沙漠(典型气溶胶组分:水溶性、核模态矿物、积聚模态矿物和粗模态矿物气溶胶)和洁净海洋(典型气溶胶组分:水溶性、积聚模态海盐和粗模态海盐)3种环境下的气溶胶光学参数(散射系数、光学厚度和激光雷达比)进行了仿真研究,分析了各环境中光学参数随气溶胶组分数浓度的变化规律以及各组分对光学特性的影响.结果表明消光系数和光学厚度在不同激光波段、不同环境下均随组分数浓度线性递增,在上述环境中对消光系数和光学厚度影响最大的组分依次为水溶性气溶胶、积聚模态矿物气溶胶和积聚模态海盐气溶胶.激光雷达比变化规律十分复杂,受探测波长及气溶胶组分的双重影响,一般大陆环境中非水溶性气溶胶在2个波段上的影响占主导地位;沙漠环境中,不同波段上积聚模态矿物气溶胶对激光雷达比的影响最大;洁净海洋环境中,积聚模态海盐气溶胶对激光雷达比的影响最强.     

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.      

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。     

探测对流层底部CO2廓线振动拉曼激光雷达定标实验

基于振动拉曼散射原理,研制了可探测对流层底部大气CO₂浓度分布的激光雷达系统,结合三维光学扫描系统的使用,该激光雷达具备了三维扫描功能,能够实现大气CO₂浓度的空间分布监测. 结合该激光雷达能够实现三维扫描的特点,提出了振动拉曼激光雷达新的定标方法,开展了激光雷达定标实验,实现了该雷达系统的准确定标,从而获得了合肥地区CO₂廓线结果. 对提出的定标实验结果的不确定性进行分析,得出该方法的不确定度为1%,证明了该定标实验方法的可靠性.      

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.     

拉曼雷达测量大气二氧化碳浓度回波信号误差分析

拉曼雷达探测二氧化碳的后向散射回波信号十分微弱,有效分析信号的误差非常重要. 从理论上分析了拉曼激光雷达探测二氧化碳气体的回波信号误差的计算方法,推导计算了二氧化碳浓度信号的混合比,得到了影响信号误差的3种因素,并对各因素进行了理论计算,从实验上对信号误差进行了数据验证. 将理论值与实验数据进行对比,确定信号采集过程中造成的数据误差小于10%,并随距离的增加而增加;大气透过率相对函数的误差约为2%;标定常数的误差小于5%.      

大气水汽探测拉曼激光雷达系统仿真设计

设计了发射波长为532nm测量大气水汽的拉曼激光雷达系统. 结合系统误差理论分析,验证系统夜间测量水汽的高效性和白天测量水汽的可行性. 通过对比不同发射波长的拉曼激光雷达系统的回波信号与信噪比,得出最优系统参数能够实现白天0~4km、夜间0~9km的探测,该系统探测性能优于266nm或355nm的测量系统,特别是夜间探测大气水汽更为高效. 为实现单波长测量大气参数（温度、气溶胶和水汽）提供了一个可行性设计.