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。     

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.     

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。     

基于分段式探测的高分辨率沙姆成像激光雷达

为提高沙姆成像激光雷达技术远距离大气探测的距离分辨率(如3 km@54 m, 4 km@96 m, 5 km@148 m),提出了一种基于分段式探测的沙姆成像激光雷达探测方法.该方法在雷达系统的接收端采用2套探测装置，通过设置探测装置的系统参数，包括放置的角度、位置等，对探测路径以距离远近程度进行划分，实现分段大气探测.此系统在保证各分段实现高距离分辨率探测的基础上，实现了全距离范围内大气气溶胶的精细探测，从而提高了沙姆成像激光雷达的远端距离分辨率.反演计算结果表明，此系统的距离分辨率提高显著，同距离处分辨率提高近4倍(3 km@13 m, 4 km@24 m, 5 km@38 m).据此可推断利用三段式及更多段式分段探测能够进一步提高远距离处的分辨率.     

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.     

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。     

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.      

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。     

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。     

微脉冲激光雷达的技术

探讨了用微脉冲激光雷达探测大气分布的原理和技术特点,预测了微脉冲激光雷达的发展方向和应用前     

大气探测激光雷达的进展研究

激光雷达是以光频工作的雷达,与普通雷达相比,它具有较高的速度及角度分辨率、较高的测量精度以及较强的抗干扰能力。文章综述了激光雷达的分类、发展简史、发展动态及其在大气探测领域的应用,并重点介绍了我国大气探测激光雷达系统的应用及研究成果。     

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.     

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.      

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。     

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。     

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.     

基于Licel记录仪的激光雷达数据修正技术研究

作为重要的大气遥感探测仪器,激光雷达在气候和环境监测中扮演越来越重要的角色。Licel数据记录仪是专门针对激光雷达所开发的数据采集仪器,可同时提供模拟探测和光子计数探测模式的数据采集。针对激光雷达模拟数据和光子计数数据的特点,开展了光子计数数据的死区时间校正、模拟数据和光子计数数据的拼接拟合以及二者数据廓线错位的修正技术研究。结果表明,修正后的激光雷达回波具有更高的信噪比和位置精度,能更清晰地归一化表达大气状态信息的变化。     

全光纤分光转动拉曼测温激光雷达探测性能优化

采用光纤Bragg光栅的耦合模理论和转动拉曼激光雷达的温度反演算法,优化全光纤分光转动拉曼测温激光雷达系统的探测性能。以光纤Bragg光栅高斯型谱为基础,构建以光纤Bragg光栅为核心的全光纤分光系统的参数优化模型,以1.5km高度处大气温度的统计误差为优化目标进行仿真分析,得到光纤Bragg光栅的中心波长和半峰值带宽的优化值;为了使均匀光纤Bragg光栅的光谱旁瓣与大气分子的纯转动拉曼谱线匹配,局部优化光纤Bragg光栅的Bragg波长、平均折射率变化和光栅长度等结构参数,以构建光纤Bragg光栅加工系统及设置初始加工参数。结合望远镜耦合效率的仿真结果,分析了全光纤分光转动拉曼激光雷达的探测性能。仿真结果表明,全光纤分光转动拉曼激光雷达系统在高度1.5km处的统计温度误差可达1.3K。     

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.      

天基单光子激光雷达危险空间碎片探测仿真

危险空间碎片的探测与监控一直是空间碎片探测的重点与难点,现有的技术还不能实现对危险空间碎片的有效监测与定轨。针对危险空间碎片的探测,研究了一种主动式天基激光雷达探测方式。该方式采用了天基的单光子探测技术,以期实现对几百公里量级的危险空间碎片进行探测。首先简要分析了点目标激光雷达方程,建立了空间环境的背景光噪声模型,探讨了单光子激光雷达的探测概率与虚警率,对激光的回波信号与探测精度进行了理论分析与仿真,最后分析了不同目标的探测能量需求。由理论分析与仿真结果来看,对500 km处的尺寸为10 cm的目标可以实现精度为0.2 m的有效探测。