瑞利激光雷达探测大气温度算法分析

介绍了瑞利激光雷达的基本结构,描述了使用瑞利散射激光雷达探测平流层和中间层低部大气温度的数据处理方法,构建同时包含标准大气模式温度信息和实际探测背景噪声的模拟数据,对此模拟数据进行背景扣除、平滑去噪、参考点选取等计算分析,探讨提高温度反演精度的实用算法。并应用此数据处理方法对瑞利激光雷达的实际测量数据进行了计算处理,将计算结果与模式CIRA86、HALOE卫星数据进行对比分析,反演高度30～45km时误差1～3K,45～65km误差大约在2～5K,65～70km误差＜10K。     

瑞利-拉曼散射激光雷达探测大气温度分布

介绍一台用于夜晚探测大气温度分布的L625瑞利-拉曼(Rayleigh-Raman)散射激光雷达。采用Nd：YAG激光器三倍频输出355nm作为发射激光，利用弱光子计数技术检测大气中分子的瑞利散射和N2分子振动拉曼散射回波，分析得到了平流层和对流层中上部大气温度的垂直分布廓线。其观测结果分别与HALOE／UARS卫星和无线电气象探空仪结果进行了对比分析。其中，激光雷达观测的平流层温度与HALOE卫星的结果对比表明，它们在高度25～65km内显示出较好的一致性，20个夜晚的平均温度差别基本上小于2K。激光雷达与无线电气象探空仪探测的对流层温度在高度为5～18km内反映了较为一致的分布趋势，15个夜晚的平均温度差别在6～16．5km高度内小于3K。这些结果表明，L625瑞利-拉曼散射激光雷达观测数据可靠，可用于大气温度分布的常规观测和分析研究。     

激光雷达探测平流层中上部大气密度和温度

用L625 355 nm和532 nm双通道瑞利(Rayleigh)散射激光雷达,分别观测合肥(31.9°N/117.17°E)地区30～43 km高度范围内的大气密度和温度分布.这些结果与NOAA/NMC和NASA/HALOE相邻地点的密度和温度表现了较好的一致性.一般情况下,在34～43 km高度范围内激光雷达获得的大气密度与NOAA/NMC和NASA/HALOE密度的偏差大约为10%,温度差别小于2 K,而34 km以下温度偏差稍大.     

合肥上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

为研究中层大气分布情况,采用自行研制的532 nm瑞利（Rayleigh）散射激光雷达,对合肥地区（31.90 N,117.170 E）25~40 km高度范围内的大气密度和温度廓线分布进行观测。将瑞利散射激光雷达所测结果与NRLMSISE-00大气模型数据进行对比,以验证瑞利散射激光雷达性能及数据处理方法的可靠性。通过数据对比得出,在25~40 km高度范围内,瑞利散射激光雷达获得的大气密度值与NRLMSISE-00大气模型密度值的比值为0.99~1.03;瑞利散射激光雷达所测温度值与NRLMSISE-00大气模型数据的温度偏差均值约为2.8 K,其中38 km以下两者温度偏差约为1.6 K。数据对比说明,瑞利散射激光雷达观测值与NRLMSISE-00大气模型数据具有较一致的密度分布特征和温度分布特征,瑞利散射激光雷达的观测结果能够较真实地反映合肥上空25~40 km高度范围内的大气密度和温度分布。     

60 km瑞利多普勒激光雷达及其风场探测

临近空间风场的探测,在大气动力学研究和提高数值天气预报的准确性,以及航空航天保障等方面具有重要意义。研制基于瑞利散射双边缘技术的60 km多普勒激光雷达用于临近空间大气风场的测量。激光雷达主要分为垂直指向测量系统和两台斜指向测量系统。工作波长355 nm,探测距离15~60 km。为验证系统的可靠性和积累风场观测数据,于2014年下半年进行了外场实验,并与当地的探空气球数据进行对比,结果显示60 km瑞利多普勒激光雷达风场测量数据与探孔气球数据具有良好的一致性。     

南极中山站瑞利散射激光雷达的初步探测结果

一套瑞利散射激光雷达已部署在南极中山站（69.4° S, 76.4° E）用于探测大气密度和温度。该激光雷达的光源为二倍频Nd:YAG脉冲激光器,重复频率30 Hz,单脉冲能量约400 mJ,同时使用一台0.8 m口径的垂直指向望远镜作为接收望远镜,可以探测平流层上层及中间层下层（USLM）区域的大气密度及温度廓线。在垂直分辨率为300 m,时间分辨率为30 min的情况下,由光子噪声引起的大气密度和温度测量不确定性分别小于1.5%和1 K。该激光雷达自2020年3月开始在中山站开展常规观测,有助于研究极区USLM区域的大气密度、温度的变化特征以及大气波动的传播特性。     

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。     

大气探测激光雷达技术综述

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。按照激光雷达探测技术分类,有米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等,分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、发展历史及优缺点,以及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。     

高光谱分辨率激光雷达测量低层大气温度

基于碘分子滤波器对大气气溶胶散射的强吸收特性,滤除低层大气中气溶胶散射的影响,从而利用分子瑞利后向散射信号强度反演低层大气温度.激光雷达低层大气温度测量结果与探空数据进行了对比,显示出较好的一致性,温度偏差在9 km内不大于3 K.讨论了激光雷达测得的大气温度与探空数据对比结果之间存在的系统偏差和由于参考高度温度初始值引起的激光雷达温度反演结果的变化.     

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。     

大气风场和温度测量的激光雷达系统及其分析

文中提出了改进的双通道Fabry-Perot(F-P)干涉仪大气风场和温度测量激光雷达系统。该系统采用偏振隔离技术，提高了Rayleigh散射信号光强的利用率，从而提高了系统的测量精度。通过对系统的数值模拟计算，结果表明：风速和温度的测量精度在30km高度分别达到1.5m/s和1.8K，与过去的系统相比测量误差分别降低了近40%和30%。     

用瑞利散射激光雷达探测平流层中上部温度

介绍了一台用于平流层中上部温度探测的双波长激光雷达 ,分析了数据处理方法及其过程。该激光雷达获得的结果与NOAA NMC及MSISE 90模式资料对比表明 ,在 30～ 40km高度范围内三者反映了较一致的温度分布特征。一般情况下 30～ 40km范围内它们的温度偏差小于 3K ;低层 30km以下很可能主要受气溶胶的影响 ,相对偏差小于 6K。     

车载测污激光雷达测量大气气溶胶光学特性

本文介绍了运用激光雷达技术探测大气气溶胶消光系数的方法，给出了AML-1车载测污激光雷达的结构和技术指标，并对一些典型结果进行了分析。     

基于拉曼激光雷达的南京上空大气温度廓线观测

介绍了综合使用瑞利、拉曼、米散射三种技术的激光雷达的基本结构与拉曼散射温度反演原理。对其中的拉曼回波信号进行了背景噪声扣除、滑动平均和小波变换降噪,在此基础上分析了气溶胶对拉曼激光雷达温度廓线反演的影响。利用上述激光雷达信号处理方法对南京上空的温度廓线进行观测,反演了2010年11月19日18时53分至19时35分连续观测的数据。反演的温度廓线表明,观测开始至观测结束,5.5 km处的温度变化为2 K的波动变化;对2010年11月整月的观测数据进行分析处理,得到11月份上中下三旬的平均温度廓线。在10 km高度处,下旬温度比上旬温度低4 K,随着入冬的进程,低空段的大气温度递减率有明显增大的趋势;11月的月平均温度在5~10 km处低于模式值4 K左右,并且两者几乎平行,说明11月份5~10 km各高度温度比模式均低4 K左右。     

激光雷达探测水体光学特征参数的方法分析

多次散射是影响激光雷达探测水体光学特征参数（包括吸收系数a,衰减系数c,漫射衰减系数K_d）的重要因素,而视场（field of view, FOV）是造成接收回波中多次散射比重差异的关键参数。研究基于Mclean-Walker海洋激光雷达模型,引入接收视场参数q_rcvr,分别针对船载、机载和星载平台激光雷达进行探测回波计算,假设其探测高度依次为10 m、300 m和7´10⁵ m,在接收视场变化情况下分析多次散射因子对反演水体光学特征参数的影响。结果表明,利用水体中激光散射回波反演水体光学特征参数的方法中,假定激光准直入射,q_rcvr与探测高度H是影响反演结果的直接因素,激光雷达衰减系数K_lidar的物理意义随之变化,当q_rcvr近似为0时K_lidar反演值为衰减系数c,随q_rcvr´H增大,K_lidar反演值逐渐接近于漫射衰减系数K_d。     

北京奥运期间大气光学特征初步分析

以双波长三通道拉曼激光雷达对2008年北京奥运会期间大气状况进行了测量与分析,给出了奥运主场馆上空气溶胶消光系数、后向散射回波信号及波长消光比垂直分布及时空变化,计算了气溶胶消光散射比、光学厚度及Angstrom波长指数,结合地面监测数据分析了奥运期间典型天气间气溶胶光学特征的变化.结果表明,8～9日两天空气污染相对较重,主要为较大粒径粒子所致,降雨后气溶胶光学厚度有着明显的升高过程,出现较小粒径污染物的堆积.