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.     

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。     

基于Golay脉冲编码技术的相干激光雷达仿真研究

针对相干激光雷达远场回波信号信噪比低,提取困难的问题,提出了脉冲编码技术,以改善系统信噪比,增大雷达探测距离。研究了相干激光雷达系统中Golay码的编码和解码原理,理论分析了采用脉冲编码技术对系统信噪比的提升效果。基于大气分层模型仿真生成了相干激光雷达时域回波信号。基于Golay码解码原理得到了脉冲编码系统的风速结果,仿真结果表明,时间分辨率为1s,距离分辨率为60m的情况下,使用Golay编码脉冲作为相干激光雷达的探测脉冲,在0~5.3km范围,风速误差小于3m·s~(-1)。在相同的测量时间内,相比于传统脉冲相干激光雷达,基于脉冲编码技术的相干激光雷达将探测距离提高了2.5km,提高了远场弱信号的信噪比。     

机载激光冒达风切变探测研究

介绍了用于风切变测量的激光雷达外差探测系统,阐述了其工作原理,根据CO2雷达系统与Ho:YAG雷达系统相关参数进行信噪比模拟和风速误差对比,模拟结果表明:波长2.1 μm的Ho:YAG雷达和10.6 lμm CO2都适合机载低空风切变探测.通过对比,无论系统效率还是衰减率,Ho:YAG的性能都更为优良、误差更小、探测距离更远.     

2μm相干测风激光雷达研究

2μm波长处在人眼的安全波段，2μm激光雷达，尤其是2μm测风激光雷达的研制具有重要的现实意义。文章描述了2μm相干测风激光雷达的基本原理、系统的组成及具有的功能，同时对相干探测技术、相干光路、相干探测效率、白适应光学系统、快速光束扫描及高稳频本振激光器技术等几个影响相干激光雷达探测性能的关键技术进行了综述，为具体的工程应用提供了依据。     

轻度非球形气溶胶粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶粒子的激光雷达的关键参数-激光雷达比问题进行了讨论,以一种典型的集合状态(一般大陆型气溶胶粒子)为例,分析计算了几种典型湿度下非球形气溶胶粒子在0.532 μm波长上的激光雷达比.发现,粒子的非球形对激光雷达比具有明显的影响.该结果为激光雷达探测对非球形大气气溶胶粒子的测量研究提供了分析依据.     

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。     

相干激光雷达平衡式相干探测技术研究

为了分析影响平衡式相干探测信噪比的因素,采用数学模型推导了平衡式相干探测原理和信噪比公式,分析了影响平衡式相干探测信噪比的因素,研制了用于相干激光雷达信号接收的平衡式激光探测器,并通过相干雷达样机,完成了气溶胶粒子发生米氏散射回波信号的探测。结果表明,研制的平衡式激光探测器具有非常低的噪声和高探测灵敏度特性,能较好地探测出大气中气溶胶粒子发生米氏散射的激光回波信号。     

相干激光雷达漫反射目标探测参数仿真分析研究

依据漫反射目标探测的信号与噪声的统计特征,对相干激光雷达的探测信噪比、接收灵敏度等关键参数进行仿真分析与研究.结果表明,接收灵敏度与探测概率和虚警率性能要求密切相关,同时也会受到目标速度动态范围以及所选取的波长的影响,采用多次探测的方式对接收灵敏度有明显的提升作用.研究结果对相干激光雷达的总体设计具有重要意义.     

激光雷达大气波导折射率与消光系数研究

利用激光雷达探测大气波导具有抗电磁干扰能力强、保密性高、机动性强等优点,大气折射率和消光系数是激光传输情况的重要参考指标.文中采用激光后向散射式测量仪对1.064 μm波长激光大气传输的消光系数进行测量,并同步测量温度、湿度和大气压强来测量大气折射率,用实验数据和仿真研究激光雷达传输消光系数与大气折射率之间的相关性,结论表明二者之间存在线性关系相关,可为激光探测技术提供理论和实验参考.     

CO2差分吸收激光雷达测量灵敏度的数值分析

针对直接探测长程CO₂差分吸收激光雷达系统,分析了对测量灵敏度产生影响的两个主要因素:大气湍流和激光斑纹,得到了测量灵敏度与大气湍流和激光斑纹之间关系的数值计算结果。结果表明,在高度小于350m时,增加设备离地高度可以有效地提高测量灵敏度;在高度大于350m后,改变系统参数可以有效地提高测量灵敏度。     

激光主动成像制导雷达的研究方向

文中介绍了国外制导用激光成像雷达近年来的发展情况,总结提出了激光主动成像制导雷达的研究方向。ＣＯ２激光成像雷达系统效率高,大气传输性能好,信息处理技术成熟,易于实现高灵敏度外差探测和三维成像,曾经是主要的研究对象;固体激光雷达系统具有系统质量轻、价格低,探测器不需要制冷的独特优点正成为现在研究热点;二极管激光成像体积小,造价低、寿命长、可靠性高、功耗低,可采用室温探测,有着很大的发展前景。     

差分吸收NO2激光雷达光源的设计与实现

为研制一台探测距离3km、分辨率10μg/m3的大气NO₂廓线差分吸收激光雷达,以NO₂的吸收光谱和激光雷达方程为基础,通过数值仿真分析了回波信噪比与水平和垂直方向上大气中气溶胶、NO₂含量的分布、探测距离和几何因子的关系;搭建探测大气NO₂实验系统,开展了大气NO₂浓度实验观测,获得水平及垂直高度0.4km~3.0km内的NO₂浓度实时分布,探测分辨率可达4.717μg/m3,系统稳定可靠。结果表明,采用两台波长为354.7nm、能量不小于100mJ的Nd:YAG激光器分别抽运两台染料激光器的方式,并以C450为染料,可满足差分吸收探测所需的两束波长为λ_on（448.10nm）和λ_off（446.80nm）、能量为8mJ的输出光束。该方法为实用化NO₂差分吸收激光雷达光源的设计及应用提供了理论依据及技术支持。     

差分吸收相干激光雷达中偏振分集技术研究

为减小差分吸收相干激光雷达(DIAL)中偏振衰落对 回波信号功率反演精度影响,研究了偏振分集技术(PDT)在相干DIAL中 的作用,构建了利用STM32控制的双光束切换DIAL实验装置。依托构 建的装置,利用平衡探 测,分别采用PDT和一般外差探测完成多组次实验,应用单频检测方法得到20m光程下吸收 气体不同浓度下相干中频信号的振 幅值,并由此求解出on光和off光回波信号功率。对回波信号功率值差分信息与由HITRAN得 到的参考差分信息比较 发现:应用PDT能使探测分辨率提高4倍,对应到2km距离内,可以探测到3.5×10－6ppm的CO₂浓度变化,满足了 气候研究所需的优于1％的精度要求,验证了PDT消除偏振衰落以及提高相干DIAL分辨精度的 作用。     

非扫描激光雷达系统的多脉冲积累信噪比分析

激光雷达系统信噪比(SNR)直接影响了系统距离像和强度像的好坏。运用信号相关检测理论,分析了多脉冲积累下的非扫描激光雷达系统信噪比。考虑到雪崩光电二极管(APD)阵列、工作环境因素和激光雷达系统参数等,对多脉冲积累下的信噪比进行了仿真分析。在100个脉冲积累数目下,信噪比提高了9.35dB,之后随脉冲积累数目的继续增加,信噪比提高的幅度不明显。研究表明:运用脉冲积累这一方法能够提高系统信噪比。     

自适应滤波在拉曼激光雷达数据处理中的应用

在拉曼(Raman)激光雷达探测CO2实验中所采集的拉曼回波信号具有比较大的统计误差,有效减小统计误差,获得较高的探测精度是非常重要的工作.利用自适应滤波器对拉曼回波信号分段进行数据处理,可得到在分段的各个空间间隔内的随距离几乎不变的CO2混合比统计误差,经过自适应滤波器对信号进行处理后,Raman激光雷达对合肥地区夜晚CO2气体浓度探测达到比较高的测量精度,在1.5～5 km高度范围内,CO2浓度统计误差最大为2.5%,5～8 km统计误差最大为5%,8～10 km统计误差最大为10%.利用此技术也可以量化估计在较高的空间分辨率下满足探测精度要求的激光脉冲数.     

相干多普勒激光雷达技术

与传统微波雷达相比，激光雷达具有更高的空间分辨率和灵敏度。激光多普勒雷达作为有效的测速手段，已在遥感空中风场方面得到具体应用。该文介绍了国内外相干多普勒激光雷达的发展情况，并对固态相干多普勒激光雷达的基本组成、工作原理、回波机制以及检测信噪比作了比较详细的论述和分析。文中还结合固态相干激光雷达的特点对该领域的发展趋势作了展望：机载、星载相干激光多普勒雷达技术将得到迅速发展，在军事和民用方面有着广阔的应用价值。     

相干多普勒测风激光雷达研究

研制了一套用于大气风速测量的1.064 μm全固态相干激光雷达系统。该系统采用种子注入 Nd∶YAG脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为0.5 mJ,脉冲宽度(FWHM)为80 ns。 利用40 m处的转轮进行了硬靶速度校正实验(速度测量误差的方差为0.23 m/s),并对大气视向风速进行了测量(探测距离可 到达400 m)。在对系统进行初步优化后,获得了30 ～ 870 m的视向风速分布曲线。