双光栅转动拉曼雷达带宽对反演大气温度的影响

介绍了双光栅转动拉曼激光雷达的双光栅单色仪结构,并推导了相应的雷达公式.利用该公式把双光栅单色仪带宽对雷达反演温度带来的影响,简单地转化成双光栅单色仪带宽内包含的转动拉曼谱线对雷达反演温度带来的影响,结果表明多谱线比值反演的温度小于单谱线反演的温度,最大误差达13 K.     

转动拉曼测温激光雷达的双光栅单色仪研究

纯转动拉曼测温激光雷达中采用双光栅单色仪结构的优点是能提供优于10-7的抑制比,能够很好抑制Rayleigh-Mie散射,得到纯度很高的转动拉曼谱,并且能够提高光的透过率,具有长期的稳定性.光纤、透镜、光栅参数的选择及焦板上光斑的精确定位是双光栅单色仪研制成败的关键.在合适的参数下计算出了双光栅单色仪的滤波函数,高低量子数回波信号强度比以及温度随高度的变化,计算出的温度与代入的温度相差约0.3 K,说明此双光栅单色仪的设计是合理的.     

纯转动拉曼激光雷达反演低层大气折射率廓线

大气折射率是影响光电探测领域测量精度的重要因素.为了提高光电测量精度,提出利用纯转动拉曼激光雷达信号反演低层大气折射率廓线的方法.通过接收N2和O2的纯转动拉曼回波信号,由双光栅单色仪分光后获得高低量子信号.根据高低量子信号的比值反演得出大气温度和大气压强廓线,从而获得大气折射指数垂直分布.通过与折射指数理论模型相比较,表明纯转动拉曼激光雷达反演对流层折射指数有较高的精度.给出了多组折射指数廓线的反演结果,得出多天夜晚不同时刻折射指数的特性.结果表明一天中不同时刻折射指数变化较小,7.5 km内最大相对误差约为0.4%;不同月份之间折射指数波动较为明显,4.5 km内相对误差可达3.5%左右.     

双光栅纯转动拉曼测温激光雷达单色仪的光学设计

纯转动拉曼测温激光雷达中采用双光栅单色仪结构的优点是能提供优于10-7抑制比,能够很好地抑制瑞利-米氏散射,得到纯度很高的转动拉曼谱,并且能够提高光的透射率,具有长期稳定性,但双光栅单色仪的光路结构复杂一直是系统中的难点。首先对两种光栅光路结构进行讨论,得出光纤对称式光栅光路结构对于光栅效率的利用要优于光纤直线排列式光路结构,并通过对光栅公式和转动拉曼光谱公式结合,推导出光栅闪耀级次和衍射角关系方程。当光栅常数为600line/mm时,其第5级为最佳闪耀级次。     

高低空一体化测风激光雷达

高时空分辨率的大气风场探测对提高数值天气预报的准确性、大气动力学过程的研究、气候研究等具有很重要的意义。介绍了基于双Fabry-Perot标准具的直接接收激光多普勒测量原理。提出了40 km的高低空大气风场同时观测的技术方法。给出了利用大气气溶胶和分子散射信号的Mie-Rayleigh多普勒测风激光雷达的系统结构,并分析了工作波长、望远镜口径、扫描天顶角和标准具参数等激光雷达系统参数。研究了扫描角度误差、气溶胶后向散射信号、大气温度对风场探测精度的影响。分析了雷达系统的总体性能,得出在40 km高度处,当距离分辨率为500 m、时间分辨率为30 min时,水平风速探测精度优于6 m/s,可以满足有关应用的要求。     

微机控制的红外光栅单色仪的定标

利用衍射光栅方程,分析可见光谱区标准光源的特征谱线的多级衍射特征,对标准光源的多级衍射进行计算机模拟计算,确定其多级衍射光强分布.测量汞灯特征谱线和He-Ne激光谱线的多级衍射谱分布,确定多级衍射谱的各级级次.对所得数据处理,做出拟合曲线,以多项式拟合方法求得拟合方程.以连续CO2激光器输出激光进行检测,同时以谱线分析仪监测,经过测量其波长,验证红外光栅单色仪定标准确.     

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。     

直接测风激光雷达中F-P标准具的频率动态锁定

直接探测多普勒测风激光雷达中,双边缘技术可分别测量回波信号中大气分子散射和气溶胶散射的成分,因而在保持高测速灵敏度的同时,可以减小瑞利背景噪声的影响.这决定了其在大气对流层风场观测的优势地位.直接探测双边缘技术中,使用双通道Fabry-Perot标准具作为鉴频器,将频率变换转换为信号强度变化.该技术的前提是出射激光频率始终处在双通道标准具透过率曲线的交点频率附近.提出的标准具腔长调制反馈电路方法有效解决了该问题.     

用F-P标准具研究室温选支CO激光器的某些光谱特性

利用红外F—P标准具测量了室温选支CO激光器的输出光谱,研究了放电电流、气压、光栅调谐角对输出谱线的影响。     

一种高线色散率测温激光雷达双光栅光谱仪

与目前广泛应用的532nm波段的发射波长相比,采用355nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高,分光光谱仪的线色散率要达到0.1nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪,通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计,模拟分析结果显示:间隔0.1nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1mm,满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比,验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。     

小视场大气温湿度探测的拉曼激光雷达的设计与仿真

太阳光背景辐射严重影响拉曼激光雷达白天探测的性能。为提高拉曼激光雷达白天探测的高度和精度,设计了激光波长为354.8 nm的拉曼激光雷达系统,讨论了354.8 nm和532 nm激光光源对拉曼激光雷达探测性能的影响,完成了系统的光路设计。偏振分光棱镜和1/4波片组成的光开关与收发合置的望远镜相结合,减小了系统的接收视场角,优化了白天探测的性能。以最小的温度不确定度为标准,通过仿真分析选取了转动拉曼通道干涉滤光片的各项参数,并对系统的探测性能进行了仿真。仿真过程中激光能量取200 mJ,频率50 Hz,积分时间20 min,距离分辨率105 m。收发合置的拉曼激光雷达系统在考虑退偏的情况下,白天探测的温度不确定度在3180 m以下小于1 K。白天探测水汽混合比的统计误差在2400 m以下,小于0.001 g/kg。仿真结果表明,白天探测的性能得到了一定程度的提高。     

转动喇曼雷达双光栅单色仪透过率函数的算法

双光栅单色仪的透过率函数对转动喇曼激光雷达回波信号的模拟计算、温度反演灵敏度的分析、温度反演公式的选择等具有重要作用。为了研究双光栅单色仪透过率函数的算法,采用一个变量把衍射光斑占出射光纤横截面积的比表示出来,然后利用光斑与光纤横截面是相离、相交还是相切的关系给出了透过率函数,对532nm的双光栅单色仪的透过率函数进行了理论分析与实验研究。结果表明,532nm双光栅单色仪的透过率曲线的中心波长分别为529.0nm,530.3nm,533.8nm和535.1nm,带宽为0.48nm,模拟的回波信号与实测回波信号基本重合,双光栅单色仪透过率函数的计算方法是正确的。     

采用原子滤光的激光雷达白天探测技术

在已有的双波长高空探测激光雷达的基础上,通过采用钠原子滤光器技术以及配合相应的关键技术,使得其中的钠层荧光通道具有了白天探测能力。由于钠原子滤光器极窄的滤光带宽和极强的带外抑制,使得即使在中午太阳背景光最强的时段,也能以光子计数方式探测到80～110 km高空钠层的微弱回波信号。实验观测结果表明,该技术已具备了对高空钠层的全时段探测能力,从而使利用激光雷达对我国高层大气进行24 h连续探测研究成为可能。     

白天天空背景光变化特性的理论计算与实验测量

通过理论推导得到了竖直方向上白天天空背景光光强计算公式。根据激光雷达30km处的瑞利数据反演了30km以下的大气透过率,利用反演出的大气透过率和推导的背景光计算公式,计算了天空背景光的白天变化,与实测数据符合较好。同时也说明了白天用FADOT窄带激光雷达探测有限距离大气透过率的可行性。     

瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算

设计了一台探测大气温度和气溶胶的瑞利-米散射激光雷达。对不同参数的大气后向散射回波信号信噪比进行了数值仿真计算,讨论了激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜口径、空间分辨距离以及窄带干涉滤光片的带宽和透过率对激光雷达回波信号信噪比的影响。根据仿真结果,设计的激光雷达在白天时,气溶胶的米散射信号采用1 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了10.6 km;中层大气温度的瑞利散射信号采用0.2 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了47.1 km。     

Daytime observation technology of a lidar using an atomic filter

Based on the dual-wavelength high altitude detecting lidar we developed, daytime observation capability was realized in its sodium fluorescence channel by employing a Na (sodium) atomic filter and other relevant technologies. Because of the very narrow passband and very high out-of-band suppression of the Na atomic filter, the lidar echo at an 80-110 km altitude can be obtained even at noontime when background light from the sun is very strong. The capability for a 24-h continuous observation of the lidar system has been demonstrated by the preliminary observation result. This development makes the constant detection and investigation of high altitude atmosphere over the country possible.