激光雷达斜程能见度的一种探测方法及其分析

提出利用激光雷达多仰角探测方法对大气斜程积分能见度测量的方案.该方案以大气光学厚度替代传统的利用大气消光系数分布求解斜程能见度,从而克服了在低能见度下,由于大气多次散射,斜程能见度难以测准的缺点,提高了探测精度,为飞机起飞着陆提供了较为准确的气象参数.利用Monte-Carlo方法模拟计算了3种大气消光分布情况下采用该方法测量的积分能见度.结果表明：在激光探测区域内和垂直高度相同的大气消光分布均匀的假设条件下,只要在设计激光雷达时,恰当选择系统参数（如激光脉冲能量、积分累计时间、窄带滤光片带宽等）使得信噪比满足一定的条件,该方法是可行的,且能见度探测误差不超过4.3%.     

近地双基地激光雷达探测距离预测

获得了双基地激光雷达方程,并利用该方程预测双基地激光雷达的探测距离.根据双基地雷达原理,应用理论分析的方法推导双基地激光雷达方程;应用数值分析的方法预测系统的探测距离.得到了双基地激光雷达方程,及考虑激光的近地斜程大气传输时系统探测距离与接收功率、能见度的关系;最后得到系统的接收功率等值线.激光的斜程近地大气传输衰减对双基地激光雷达探测距离的影响很大.     

激光雷达观测斜程能见度反演方法

目前基于激光雷达测量能见度的反演算法可以较为准确地反演均匀大气条件下的水平能见度,对云雨雾等非均匀大气条件下斜程能见度的准确反演较为困难。为了准确探测复杂大气条件下的斜程能见度,分析了激光雷达探测大气能见度的反演算法,重点针对非均匀大气条件下能见度难以准确反演的问题,提出了一种将Collis斜率法与Klett后向法相结合的能见度反演迭代算法,适用于不同天气条件下不同倾角路径平均能见度的反演。利用车载式激光雷达系统对能见度进行了实际测量,实验表明:在均匀大气条件下,该迭代算法与广泛使用的Collis斜率法和Klett后向法完全吻合;对于非均匀大气条件,该迭代算法也可克服Collis斜率法和Klett后向法的局限,更为快速稳定准确地反演出需要的大气能见度信息。     

含有突变信号的激光雷达能见度反演

激光雷达进行大气能见度探测时,当探测路径上存在云、雾、烟尘或硬目标时,大气消光系数会在局部发生显著变化,表现为激光雷达回波信号在原有衰减趋势上出现突变。受此影响,直接使用现有算法将导致能见度反演精度低或错误反演。为此提出一种将突变点定位、消光系数边界值确定、消光系数迭代反演相结合的能见度反演算法。首先查找、定位突变信号所在位置;然后剔除突变点,利用斜率法得到消光系数边界值;最后基于Fernald法,以迭代方式反演大气消光系数及能见度。对两种典型大气消光模式的仿真实验表明,该算法提高了能见度反演精度,能够获得更为准确的全局能见度。利用自行研制的激光雷达能见度仪实测回波数据也验证了该算法的有效性。     

便携式激光雷达能见度仪的研制

介绍了正在研制的用于较低能见度测量的便携式激光雷达能见度仪,给出了用能见度仪测量斜程能见度的测量原理,并分析了大气气溶胶消光后向散射比对能见度测量的影响。详细描述了便携式激光雷达能见度仪的系统结构和时序控制。便携式激光雷达能见度仪具有体积小,结构紧凑的特点,可用于机场等地斜程能见度的准确测量。     

微脉冲激光雷达测量大气水平能见度

为了改进乃至革新大气能见度的探测技术,探索新型、快速、准确测量大气能见度的方法,采用自行研制的能见度微脉冲激光雷达,进行了水平大气能见度测量实验,并同已经商品化的能见度仪NQ-1进行了同步对比测量。实验结果表明,在水平能见度较差时,微脉冲激光雷达和能见度仪具有很高的相关性,相关系数达到了0.88;在水平能见度较好的时候,相关系数保持在0.73以上。说明能见度微脉冲激光雷达系统可以应用于大气能见度的探测。     

后向散射式激光雷达能见度探测研究

根据大气后向散射原理,设计了一台激光雷达能见度仪.在详细介绍系统结构的基础上,阐述了回波信号的数据校准方法,通过采用一种新的基于Fernald方法的迭代算法反演消光系数,获得了较高的能见度测量精度.与美国Belford能见度仪的外场对比实验表明,该激光雷达能见度仪相对测量误差在20%以内.     

海上激光斜程传输的大气透过率研究

为了确定激光器的发射功率,研究了海上激光斜程传输的大气透过率.通过对海上激光大气衰减的分析,推导并计算了1.06μm激光斜程传输的大气透过率,绘出了10.6μm激光大气透过率与能见度及传输距离的关系图.最后得出了一些关于1.06μm和10.6μm激光海上斜程大气传输的数据和结论.这对激光武器的研究有一定参考价值.     

考虑多次散射影响的斜程能见度反演方法研究

提出了一种在低能见度天气条件下考虑多次散射影响时激光雷达反演斜程能见度的组合算法。首先,根据Koschmieder定律构建能见度方程,确定斜程能见度与大气光学厚度的依赖关系;其次,根据多次散射激光雷达方程采用双仰角法反演大气光学厚度,并采用半解析Monte Carlo法计算多次散射对单次散射比值;最后,求出考虑多次散射影响时的斜程能见度。使用地基激光雷达垂直探测进行斜程分解的回波信号数据,进行了实验验证。结果表明,在能见度小于1km时,考虑与未考虑多次散射影响的斜程能见度相对误差达9%,并且随着能见度的降低,多次散射对单次散射比值逐渐增大,多次散射作用增强。因此,研究低能见度天气条件下,多次散射的影响是非常必要的。     

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.     

基于光散射技术的两种能见度探测方法的比较分析

为了提高大气能见度的仪器探测水平,并验证自行研制的车载式拉曼激光雷达探测大气水平能见度的可靠性,使用1种基于可见光波段的前向散射能见度仪,与基于后向散射原理的拉曼激光雷达进行了联合试验,对两者测量结果,进行了分析和讨论,结果表明这两种探测手段具有较高的相关性.同时,通过对前向散射原理的探讨,为能见度仪的国产化提供了参考,也检验了国内首台车载式拉曼激光雷达在测量能见度方面的可靠性,扩展了它的应用领域.     

基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

大气湍流广泛存在于大气中, 其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相 干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据, 另一方面基于Kolmogorov 局地均匀各项同性理论, 即在惯 性子区内湍流的特征只与湍能耗散率 ε 有关, 将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中, 通过实测 数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合, 从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数 (径向风速 方差、湍流积分尺度和 ε 等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征, 给出大气湍流参数的斜程空间分布图, 并与 同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析, 发现两者具有较好的一致性, 证实了斜程湍流参数反演方 法的可靠性。     

1.5微米大气探测激光雷达研究进展（特邀）

激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点,是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达,1.5 μm大气探测激光雷达有独特优势,包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年,世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生,实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后,1.5 μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分,1.5 μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶（云）、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水（雨滴谱）,并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。     

一种新的大气消光系数边界值确定方法

本文以激光雷达测量机场跑道斜程能见度为应用背景,提出了一种基于不动点原理的大气消光系数边界值确定方法,将确定消光系数边界值的问题转化为求解函数不动点。首先在边界层底部选取参考点,假设一个消光系数边界值,在Klett反演算法的基础上,构建消光系数均值与边界值之间的函数关系。然后依据函数不动点存在性和唯一性的条件判断不动点...     

成像激光雷达测量大气能见度实验研究

针对传统的后向散射激光雷达系统结构复杂和需要几何因子矫正的情况,研制了一套可以全天候测量的成像激光雷达用以克服这些缺陷。采用基于求解消光系数分布的方法反演能见度,提出一种Klett后向积分法与遗传算法相结合的改进的迭代算法,同时用传统的斜率法和权重拟合法求得能见度。选取比较有代表性的四种天气,多云、阴天、晴天和雨天的数据进行处理,得到这四种天气情况下的能见度。将这四组能见度数据与能见度仪器Belfort 6230A在这四天同时测得的能见度数据进行对比,结果表明,在不同的天气情况下,两种仪器测得的数据趋势相同,相关系数均在0.67以上,具有较强的相关性。可以得出结论:研制的成像激光雷达系统可用于探测大气的能见度。     

对流层气溶胶和水汽的车载激光雷达系统的探测

利用研制的一套具备昼夜测量能力的新型车载大气探测激光雷达系统为试验工程和环境监测提供应用研究。该激光雷达系统由水平测量模块和垂直测量模块构成,可通过接收激光与大气中气溶胶粒子、水汽分子、氮气分子作用的米散射和拉曼散射信号,反演大气水平能见度、垂直的气溶胶消光系数和水汽混合比。并可实现昼夜连续观测,实际测量结果与对比实验表明,大气水平能见度的测量误差小于10%, 6 km以下垂直大气气溶胶的测量误差小于10%,水汽的测量误差最大不超过20%,能够满足大气参数测量的实际需求。