差分吸收激光雷达探测大气CO_2精度分析

为减小距离差分吸收激光雷达探测大气CO2浓度的探测误差,理论分析了探测精度,对差分吸收探测系统误差进行了数值分析,对基于1.6 μm光纤激光器相干探测CO2系统进行了仿真计算.结果表明:差分吸收截面越大,空间分辨率越低,回波信噪比越高,气体浓度的探测误差越小.当大气CO2的差分吸收光学厚度т为0.55时,相干探测系统具有最小误差变化百分比,此时探测精度最高.随着探测高度增大, 1.6 μm光纤激光相干探测系统精度逐渐降低,在1 km高度以内可以探测到34 ppm的大气CO2变化.     

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.     

拉曼散射激光雷达反演二氧化碳测量结果的可靠性分析

拉曼散射法测量大气二氧化碳（CO2）是一种利用大气中CO2分子和N2分子与激光相互作用产生Raman散射频移来实现探测CO2混合比分布的探测技术。介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所自主研制的拉曼散射激光雷达系统,以及用于大气CO2时空间分布测量的原理和方法。将两台事先校准过的CO2分析仪布置在激光雷达水平光路的发射端和1km位置进行同时测量,实验结果表明:两台分析仪分别与激光雷达近端和远端得到的CO2混合比随时间的变化具有较好的一致性,统计一整夜测量结果的平均值分别相差0.8ppm和3.51ppm;结合激光光路下垫面的不同对近端与远端结果的差异进行了分析说明,充分表明了拉曼散射激光雷达测量结果的可靠性。     

大气CO2 Raman后向散射的探测与可靠性分析

研究和设计了探测大气CO2浓度的Raman激光雷达,其发射机采用Nd:YAG激光的三倍频354.7 nm作为工作波长,发射的单脉冲能量60 mJ,重复频率20 Hz;接收机采用了光电倍增管(量子效率25%)和光子计数器(计数速率200MHz),探测CO2的Raman散射371.66 nm(频移1285 cm-1)信号,采用组合滤光片来抑制强的354.7 nm Mie-Rayleigh后向散射和氧气Raman后向散射375.4 nm对信号的严重干扰.主要采取排除法,检验其他波段的辐射是否被截止,实验证明回波主要是371.66 nm辐射.O2的干扰大约为CO2信号的1%.     

基于OPO激光器探测低空CO2激光雷达系统性能研究

阐述了差分吸收激光雷达探测低空CO2浓度的原理,分析了系统的信噪比,对一种DS系列的OPO激光器用于探测低空CO2进行了仿真.激光脉冲能量为2ml,重复频率为10KHz,5×104(5Sec)个脉冲积累,探测器采用InCaAs/InP - APD,量子效率大于10%,得出结论:不考虑背景噪声情况下(夜间工作),在高度10km处信噪比约为10:1,因此夜间可探测10km以下的CO2浓度;考虑背景噪声情况下(白天工作),采用1.5nm的窄带滤波器,在高度6.7km处信噪比约为10:1,因此白天可探测6.7km以下的CO2浓度.从仿真结果看,该系统探测距离远,所需积累时间短,有利于激光雷达探测低空CO2性能的提高.     

纯转动拉曼激光雷达探测北京地区近地面大气温度

对流层大气温度的垂直分布特征直接关联天气现象和大气污染物扩散,一直是气象和环境部门的重点观测对象。当前激光雷达技术已经成为探测对流层大气温度垂直分布和时间演变的有效手段。然而由于对流层中含有大量的气溶胶粒子,因此利用传统的振动拉曼和瑞利散射激光雷达技术测量大气温度具有一定的局限性,尤其是边界层内存在高浓度的气溶胶粒子会严重降低大气温度测量精度。采用纯转动拉曼激光雷达技术可有效降低气溶胶粒子对测量温度精度的影响。纯转动拉曼测温激光雷达的核心是分光单元设计,国内外研究普遍使用基于双光栅干涉仪的分光方法。文中将采用基于滤光片法的纯转动拉曼信号分光设计,相比而言该方法具有更高的分光效率,并且能够通过调节滤光片的角度改变激光雷达系统的灵敏度,操作更为简单。在中国科学院大气灰霾追因与控制先导专项支持下,该激光雷达与2014年11月安置在中国科学技术大学超级大气观测站。在亚太经济合作组织北京会议期间,展开大气环境测量试验。激光紫外波段能量约为200 mJ,频率为20 Hz,激光脉冲数为5 000发,空间分辨率为7.5 m。实验结果表明,在晴朗无云气溶胶浓度较小的天气条件下温度测量统计误差小于1.5 K,测量高度可达10 km,在7.5 km以下统计误差小于1 K;在有薄云或者轻度雾霾天气条件下,温度测量统计误差在3 K左右,测量有效高度通常在6~8 km,在4.8 km以下统计误差小于1 K。     

瑞利-拉曼-米氏激光雷达光学接收和信号检测设计

研制了一台探测大气温度、气溶胶、卷云的瑞利-拉曼-米氏激光雷达(RRML),介绍了激光雷达的设计方法,基于单片机实现了光电倍增管门控电路.通过数值模拟计算大气后向散射回波信号,分析仿真信号的特征,作为激光雷达设计的参考.通过设计合理的接收光路,采用极高灵敏度的R4632光电倍增管以及微弱信号光子计数技术,提高瑞利和拉曼微弱信号的信噪比(SNR).为了实现瑞利-拉曼-米氏激光雷达对大气气溶胶和卷云的联合探测,532 am回波信号采取高低分层技术,通过对气溶胶和卷云的回波光加衰减和探测器门控两种手段相结合,保证了R4632光电培增管极高的灵敏度探测器对大气气溶胶和高层卷云回波信号的线性检测,从而实现一台激光雷达对大气温度、气溶胶和卷云的探测.试验表明,信号检测单元的设计满足测量精度的要求.     

激光雷达光束自动准直系统设计与实现

根据激光雷达原理并结合实际实验经验,设计了一套在计算机程序控制下的激光雷达光束自动准直系统.通过控制激光发射导向镜的位置,使激光在东西和南北方向扫描,对接收到的回波信号分析处理,得到最后方位使收发系统平行.操作过程每次只需10～20 min,精度可达到0.1 mrad.系统应用到大气温度监测中,将测量计算结果与模式CIRA86数据进行对比分析表明,反演高度30～45 km处误差1～3 K,45～65 km处误差2～5 K.     

联合时频分析在相干测风激光雷达中的应用

相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点,已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号,对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果,自适应最优核时频分布具有运算量小,交叉项抑制效果好,时频聚集度高等优点。最后,使用1.5m相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测,将自适应最优核时频分布应用于实测数据,与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明:自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息,3 km内距离分辨率为1.2 m,3 km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性,时间分辨率为1 s时其最远水平探测范围约在6 km。     

直接探测激光雷达模型及其性能模拟

讨论了决定直接探测激光雷达性能的信噪比方程和探测概率。开发了基于Monte Carlo方法的激光雷达回波信号模拟软件,给出了典型小脉冲激光雷达性能的模拟结果,表明:在能见度为5km的大气条件下,采用1mJ激光脉冲能量探测距离可达到5km。     

大气CO2含量分布激光雷达监测

为有效地控制温室效应和气候剧变,准确可靠地监测CO2气体的变化就变得十分重要.拉曼雷达测量大气中CO2气体含量是一种技术先进的可靠方法.介绍了利用气体的拉曼散射效应来测量CO2含量分布的拉曼激光雷达,分析了拉曼雷达的基本原理,设计了具体的实验检测系统,介绍了实验系统各工作件参数情况.对拉曼雷达的回波信号的反演方法进行了具体阐述,初步取得了大气中CO2气体含量分布规律,合肥地区的二氧化碳气体含量大约在350～400 ppmv范围内波动.     

探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达,采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法,对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究,取得了边界层内的大气温度数据。结果表明,该激光雷达测量的大气温度在0km~2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性,激光能量为100mJ,测量时间约为17min,垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K,可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量;如果要使测量的高度进一步增加,可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。     

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。     

拉曼激光雷达测量大气二氧化碳不确定性分析

中科院安徽光机所研制了一台ARL-1二氧化碳拉曼激光雷达,本文结合实际大气条件,利用拉曼激光雷达的观测例子和分析仪观测结果,分析拉曼激光雷达测量大气二氧化碳的不确定性。分析结果表明,拉曼激光雷达在对流层低层具有良好的稳定性和较高的测量精度,在较好的天气条件下,1km高度范围内,ARL-1拉曼激光雷达的测量不确定性可控制在1.2ppm内,在2km高度范围内可控制在2.5ppm内。     

使CO2浓度测量误差减小的星载激光雷达波长优化

研究了星载积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达系统工作波长与大气CO2 分子柱线浓度测量误差之间的关系,并优化波长以降低测量误差。首先介绍CO2 分子柱线浓度测量原理,理论分析并模拟仿真了系统随机误差、温度不确定性误差、频率不稳定性误差和水蒸汽干扰误差随激光雷达工作波长变化关系,优化工作波长使浓度测量总误差达到最小值。最终选定激光雷达on-line波长为6361.2250cm-1,off-line 波长为6 360.99 cm-1,并仿真计算得到温度不确定性为1 K、频率不稳定度为0.6 MHz 时,共导致的CO2 柱线浓度测量误差为0.58710-6,达到CO2 浓度测量精度110-6 的要求,为星载IPDA 激光雷达系统实现高精度CO2 柱线浓度探测优化系统参数提供了参考。     

拉曼激光雷达信号采集及处理系统

准确可靠地监测大气中CO2含量变化对于研究全球变暖和气候变化具有十分重要的意义。利用拉曼激光雷达测量大气中的CO2含量分布是一种新颖且容易实现的方法。有效地采集CO2气体的拉曼回波信号并进行数据处理反演出测量结果是整个系统的关键所在。根据拉曼激光雷达的原理和信号处理的理论基础,设计了单通道和双通道两种行之有效的拉曼信号采集方案,并分别对其信号处理方法进行了论证。阐述了单通道采集过程中能量波动所造成的对信号的影响和消除方法,重点解决了采集过程中存在的噪声干扰问题。计算了两种方案在采集1 km处的系统信噪比(SNR),单通道采集时约可达到10,而双通道采集时可提高到20左右。     

机载激光雷达测量二氧化碳浓度误差分析

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化碳浓度的有效手段。研究了机载路径积分差分吸收激光雷达测量二氧化碳柱线浓度的主要误差项,分析了这些误差项导致的二氧化碳柱线浓度反演误差。介绍了机载差分吸收激光雷达基本工作原理,并理论分析了大气温度、压强和水汽不确定性误差,激光频率稳定性和飞机姿态速度测量不确定性等系统误差,以及不同地表反射率产生的随机误差。分析结果表明:在二氧化碳浓度380 ppm(1 ppm=10-6)时,机载激光雷达二氧化碳柱线浓度综合测量误差约为0.71 ppm,满足1 ppm的二氧化碳柱线浓度高精度测量需求。