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。     

激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度

为丰富整层大气气溶胶光学厚度测量手段, 提出了一种综合微脉冲激光雷达与地面能见度测量数据的探测 方法。该方法首先利用激光雷达数据反演得到气溶胶垂直消光系数廓线, 据此计算出气溶胶标高; 再利用能见度和 消光系数的关系得到近地面水平方向的消光系数; 最后, 将近地面消光系数和标高结合, 从而得到整层大气气溶胶光 学厚度。将该方法应用于合肥地区, 成功得到该地区整层大气气溶胶光学厚度的昼夜变化趋势, 验证了该方法的可 适应性。     

新型微脉冲激光雷达测量大气水平能见度

重点设计了微脉冲激光雷达(MPL)系统的后继光学单元,是一种新型的设计。使用收发一体Y型光纤束改变传统的激光雷达后继光学结构,实现系统的收发同轴设计。分析了新型微脉冲激光雷达在合肥地区实验观测结果,利用分段斜率法反演气溶胶水平消光系数,获得了大气能见度及变化特征,具有明显的日变化特征,并与HW-N1型前向散射式能见度仪测量结果进行了对比,二者相关系数达到0.81。此外,理论误差分析结果也表明当能见度在10km以下时MPL的测量误差小于20%。说明了该MPL系统能够实现对大气水平能见度的有效测量。     

用于水汽混合比自标定的532 nm/660 nm双波长激光雷达

水汽混合比的标定是水汽拉曼激光雷达的一个重要问题。利用两台输出激光波长分别为532.1 nm和659.7 nm的两台YAG激光器,建立了一台能够实现水汽混合比自标定的双波长激光雷达,并开展了双波长激光雷达的探测性能测试试验。通过分析测量数据表明该激光雷达的探测性能能够满足水汽混合比自标定的要求。根据实测的大气气溶胶垂直分布,在气溶胶散射比大约为1.01的高度范围内,得到了该双波长激光雷达测量氮气混合比的标定常数为0.5450.031,相对误差为5.7%。这是实现水汽混合比自标定的关键一步,为水汽混合比的自标定奠定了基础。     

合肥地区夏季臭氧、温度、水汽、气溶胶、二氧化碳测量与对比分析

为了建立我国的大气模式和制定合适的大气环境保护政策,对大气参数(臭氧浓度,相对湿度,气溶胶后向散射比,温度,二氧化碳浓度等)进行全面测量并分析其基本特性十分重要.多功能性L625激光雷达能够分时测量大气中的臭氧浓度、气溶胶消光系数、散射比、大气温度、二氧化碳混合比、水汽混合比等多种大气参数.对该激光雷达探测的大气参数和其他仪器包括卫星探测器MLS、无线电探空仪、DWL激光雷达、Raman激光雷达进行了对比,验证了L625激光雷达探测结果的可靠性和有效性;并且对测量数据进行了分析,得出了夏季合肥地区臭氧、气溶胶、水汽、温度、二氧化碳的基本特征.     

扫描式气溶胶激光雷达研制与观测研究

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义,是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征,山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60J、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据,分析了不同天气条件下的大气水平能见度,验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据,利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数,并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明:扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度,通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。     

米散射激光雷达探测大气消光特性研究

激光雷达作为一种主动遥感探测工具,广泛用于大气环境等研究领域,特别是探测对流层内大气气溶胶和卷云的光学特性以及大气水平能见度。在阐述大气气溶胶探测原理及信号处理的基础上,提出一种工程可行的米散射激光雷达及数据处理的设计方案,利用此雷达对苏州城区大气气溶胶特性进行测量,并利用Fernald方法反演了其消光特性,通过实验数据分析了苏州城区的重要大气光学特性,充分显示了米散射激光雷达在大气特性探测领域的优越性。     

测污激光雷达探测气溶胶消光特性和?ngstr?m指数

为了研究测污激光雷达对水平能见度和垂直气溶胶消光系数变化趋势的探测,采用污染气体探测激光雷达,以斜率法和Fernald方法,反演了301.5nm和446.6nm在水平及垂直方向的消光系数,以及波长的?ngstr?m指数。结果表明,水平方向上,301.5nm和446.6nm的消光系数和能见度随时间变化均保持一致性;垂直方向上,301.5nm和446.6nm气溶胶消光系数随时空变化趋势相同,?ngstr?m指数随着时间的推移有所变化,但空间变化趋势相同。该结果对分析差分吸收激光雷达修正气溶胶的影响是有所帮助的。     

二氧化碳测量与对比分析

为了建立我国的大气模式和制定合适的大气环境保护政策,对大气参数(臭 氧浓度,相对湿度,气溶胶后向散射比,温度,二氧化碳浓度等)进行全面测 量并分析其基本特性十分重要。多功能性L625激光雷达能够分时测量大气中 的臭氧浓度、气溶胶消光系数、散射比、大气温度、二氧化碳混合比、水汽混合比 等多种大气参数。 对该激光雷达探测的大气参数和其他仪器包括卫星探测器 MLS、无线电探空仪、DWL激光雷达、Raman 激光雷达进行了对比,验证了L625激光 雷达探测结果的可靠性和有效性;并且对测量数据进行了分析,得出了夏季合肥地 区臭氧、气溶胶、水汽、温度、二氧化碳的基本特征。     

获取多波长气溶胶光学特性的方法研究

为了获得多波长气溶胶的垂直消光特性,本文提出了一种综合利用光学粒子计数器、能见度仪和激光雷达获取多波长气溶胶光学特性的新方法。该方法根据光学粒子计数器测量的谱分布、能见度仪测量的能见度和激光雷达测量的消光后向散射比反演出气溶胶粒子(λ=0.532μm)的折射率,作为初始值,根据气溶胶模式提供的折射率随波长的变化关系,确定其他波长上的折射率。再根据气溶胶折射率和谱分布计算不同波长上的消光特性,最后采用激光雷达测量的垂直消光廓线来反演其他波长上的消光廓线。以0.532μm,1.06μm和 10.6μm三波长为例,给出北京2004年8月24日气溶胶在不同波长上的垂直消光廓线。     

Coherent laser radar at 2 μm using solid-state lasers

The development of a coherent laser radar system using 2-μm Tm and Tm, Ho-doped solid-state lasers, which is useful for the remote range-resolved measurement of atmospheric winds, aerosol backscatter, and differential absorption lidar (DIAL) measurements of atmospheric water vapor and CO₂ concentrations, is described. Measurements made with the 2-μm coherent laser radar system, advances in the laser technology, and atmospheric propagation effects on 2-μm coherent lidar performance are discussed. Results include horizontal atmospheric wind measurements to >20 km. vertical wind measurements to >5 km, near-horizontal cloud returns to 100 km, and hard target (mountainside) returns from 145 km     

用于测量流层水汽的拉曼激光雷达

水汽在大气中含量很少,但变化很大,变化范围在0.1%~4%之间,水汽绝大部分集中在对流层。随着光电探测技术的不断发展,大气衰减对光电探测造成的影响也越来越显著,其中水汽是主要影响因子之一,也是最为不确定参数。光电探测中常用红外波段,但是水汽分子浓度较大,对辐射吸收造成很大的影响。拉曼激光雷达是测量大气水汽的主要技术手段之一。介绍了自行研制的水汽测量拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量。测量结果显示:该激光雷达可以对夜晚8 km高度范围内以及白天边界层内的水汽进行测量。实验数据与当地探空数据进行比对,取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达测量水汽的有效性和可靠性。     

单波长发射五通道接收激光雷达系统研制

后向散射激光雷达是探测大气气溶胶参数的有力工具,但它存在盲区和过渡区,且需要假设气溶胶的消光后向散射系数比来反演气溶胶的参数,这些限制了它的探测范围和精度。集侧向散射、后向散射和拉曼散射于一体的单波长发射五通道接收激光雷达系统,克服了上述困难。该激光雷达可以探测气溶胶的退偏比廓线、水汽混合比廓线、后向散射系数廓线和消光系数廓线等。气溶胶后向散射系数和消光系数可从地面到对流层顶进行探测,气溶胶退偏比廓线可以在对流层内进行探测,水汽混合比廓线可以在边界层内进行探测。在硬件条件的基础上,分析了各通道的信噪比和探测结果的随机相对误差。实例探测表明:该激光雷达系统数据可靠,探测范围较广。该系统的建立,为进一步深入研究气溶胶消光系数、水汽时空分布以及它们之间相互关系奠定了坚实的实验基础。     

探测气溶胶-水汽的拉曼-米散射激光雷达系统

设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统,用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术,用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑,运输方便,具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测,探测结果表明：在大气气溶胶的探测过程中,在重污染条件下混合层高度较干净天低,在0.5 km以下,而干净天在1 km左右;通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知,重污染条件下,底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主,干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主;在云层中,Angstrom指数明显减小,且出现负值,说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中,采用自标定方法获得系统的标定常数为121,与已标定的激光雷达系统对比,误差在±0.3 g/kg以内;连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求,可广泛运用于大气环境的监测领域中。     

微脉冲激光雷达的气象应用

微脉冲激光雷达（MPL）是探测气溶胶、云雾和水平能见度的有效工具,具有性能稳定、结构简单、便于移动、探测数据准确、对人眼安全等特点。主要介绍微脉冲激光雷达的原理,两种激光雷达数据处理的方法（斜率法和Fernald法）,及其在气象领域的应用,主要包括：（1）水平能见度以及大雾监测;（2）精确地探测云高、云厚、云区的消光系数和云的层次等信息;（3）大气气溶胶的垂直分布和演变过程。     

Retrievals of profiles of fine and coarse aerosols using lidar and radiometric space measurements

The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) spaceborne lidar, expected to be launched in 2004, will collect profiles of the lidar attenuated backscattering coefficients of aerosol and clouds at 0.53 and 1.06 /spl mu/m. The measurements are sensitive to the vertical distribution of aerosols. However, the information is insufficient to be mapped into unique aerosol physical properties and vertical distribution. Spectral radiances measured by the Moderate Resolution Imaging Spectrometer (MODIS) on the Aqua spacecraft, acquired simultaneously with the CALIPSO observations, can constrain the solutions. The combination of the MODIS and CALIPSO data can be used to derive extinction profiles of the fine and coarse modes of the aerosol size distribution for aerosol optical thickness of 0.1 and larger. Here we describe a new inversion method developed to invert simultaneously MODIS and CALIPSO data over glint-free ocean. The method is applied to aircraft lidar and MODIS data collected over a dust storm off the coast of West Africa during the Saharan Dust Experiment (SHADE). The backscattering-to-extinction ratio (BER) (BER=/spl omega//sub o/P(180)/4/spl pi/) can be retrieved from the synergism between measurements avoiding a priori hypotheses required for inverting lidar measurements alone. For dust, the resultant value of BER =0.016 sr/sup -1/ is over 50% smaller than what is expected using Mie theory, but in good agreement with recent results obtained from Raman lidar observations of dust episodes. The inversion is robust in the presence of 10% and 20% noise in the lidar signal at 0.53 and 1.06 /spl mu/m, respectively. Calibration errors of the lidar of 5% to 10% can cause an error in optical thickness of 20% to 40%, respectively, in the tested cases.