拉曼激光雷达测量水汽误差源分析研究

水汽与人类的生活息息相关。常规手段测量水汽的时空分辨率较低有效提高局地短期天气预报的可信度。为加强拉曼激光雷达在气象预报中的应用,有必要对其水汽测量误差进行分析研究。通过自研的拉曼激光雷达测量数据,依据误差传递理论,分析水汽混合比的误差。同时,利用无线电探空仪与拉曼激光雷达对比。分析结果表明：激光雷达测量水汽主要包括标定常数、大气透过率修正和测量信号三个误差源。其中,定标常数误差随高度不变约为4%,是1.5 km以下误差的主要来源;大气透过率修正误差随高度升高而增加,洁净天气下对误差的影响小于4%;测量信号误差在洁净天气下3 km高度以内一般小于20%,在3 km高度以上,成为误差的主要来源。比对结果显示：激光雷达计算误差和比对误差一致性较好。上述分析结果对于提高激光雷达在气象预报中的应用起到很好的辅助作用。     

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。     

合肥上空水汽时空变化特征的研究

详细阐述了L625多波长激光雷达的系统结构和主要性能参数。介绍了L625激光雷达测量水汽混合比廓线的测量原理和数据处理方法。对2002年该雷达测量得到的水汽混合比廓线进行分析,得出了合肥地区董铺岛(31.9°N,117.17°E)上空水汽的时空月季变化特征。分析结果表明:8月份合肥地区上空0.63km处水汽混合比为11.2g/kg,在所有月份中为最高值;2月和12月相对比较干燥,同高度处水汽混合比值仅为2.3g/kg。同时,水汽的季节变化非常明显,表现为夏季比较湿润,0.63km高度处水汽混合比均值为7.8g/kg;冬季较为干燥,相同高度处水汽混合为2.6g/kg,水汽混合比减少了5.2g/kg。     

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。     

水汽紫外拉曼激光雷达分光系统研究

介绍了一种可用于工作波长在紫外波段的水汽拉曼激光雷达的分光系统,即利用石英三棱镜组合结构实现对激光雷达多波长回波信号的分光。对于266 nm发射波长,由于激光雷达接收的氧气(O2)、氮气(N2)、水汽(H2O)拉曼波长相隔较近,普通的滤光片难以满足要求,利用该分光系统,对其参数尤其是对棱镜间夹角和光束入射角的优化,可将大气中O2、N2、H2O的拉曼散射信号完全分开,使光电检测系统可在三个独立的通道分别接收O2、N2、H2O拉曼信号,从而反演大气中水汽及臭氧含量垂直分布廓线。应用计算机对分光系统进行了模拟计算,以实现分光系统参数的最佳匹配;在入射角约为36°,棱镜间夹角约为106°时,该分光系统可完全分开O2、N2、H2O拉曼信号。最后,用激光激发拉曼管内高压气体产生受激拉曼散射以模拟回波信号波长的实验方法对计算结果进行了验证和标定,结果表明,该分光系统应用于紫外水汽拉曼激光雷达系统具有可靠性和可行性。     

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。     

不用可调谐激光器的非线性拉曼激光雷达

提出了一种新的探测大气气体的激光雷达技术．该技术利用不用任何调谐激光的受激拉曼增益光谱术来进行探测。利用此激光雷达对大气中的二氧化碳甲烷和氢气进行了探测，并用激光雷达方程做了分析。评估了该系统的探测灵敏度和探测范围。     

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。     

Nd:YAG四倍频激光抽运氘后的拉曼效应及其在激光雷达中的应用

利用 Nd:YAG四倍频激光抽运氘气 (D2 )的受激拉曼效应 ,获得一阶斯托克斯 (Stokes)波长2 89nm。通过改变拉曼介质 D2 气压与抽运光能量 ,获得了一阶斯托克斯输出的较佳条件。该波长与 Xe Cl准分子激光波长 30 8nm采用差分吸收方法 ,建立了用于对流层臭氧探测的激光雷达 ,并初步获得了对流层大气臭氧的垂直分布及其时间变化特征。     

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。     

测量大气气溶胶和水汽的车载式激光雷达系统

为满足国家对大气参数测量的需求,成功研制了新型车载式大气探测激光雷达系统。该激光雷达主要是通过接收激光与大气中气溶胶粒子和水汽以及氮气分子间的米和拉曼散射信号,结合相应的激光雷达方程,反演出大气水平能见度、垂直气溶胶消光系数和水汽混合比。最终的实际测量结果与对比实验显示,该激光雷达可以对对流层的大气气溶胶进行昼夜连续观测,对夜晚8 km高度范围内以及凌晨和傍晚时分边界层内的水汽进行测量。相应大气水平能见度的测量误差小于20%,而垂直大气气溶胶和水汽的测量误差最大不超过30%。     

差分吸收激光雷达测量对流层臭氧

利用激光雷达对对流层2～4km高度范围的臭氧分布进行了测量.测量结果表明,利用YAG激光器产生的两个波长(266nm和289nm),可以得到比较精确的臭氧分布.     

基于光纤F-P滤波器的全光纤水汽拉曼激光雷达系统的设计与分析

提出并设计了一套基于光纤F-P滤波器的可见波长域全光纤水汽拉曼激光雷达系统,实现对大气水汽和气溶胶的精细探测。讨论了光纤F-P腔内损耗和腔镜反射率对F-P透射谱的细度、峰值透过率以及带宽的影响,得到腔内损耗在小于3%的情况下,光纤F-P滤波器具有较高的峰值透过率（>0.5）和较窄的谱线带宽(<0.9nm)。通过结合光纤带通滤波器和二级级联光纤F-P滤波器的参数设计,在三个独立的光通道中分别实现水汽拉曼信号（660nm）、氮气拉曼信号(606nm)和米瑞利信号(532nm)的窄带宽、高透过率严格滤波,并获得对杂散光的高抑制率。通过系统仿真,对各散射信号强度分布、水汽廓线和探测信噪比进行了数值仿真计算,验证了系统方案的可行性。     

纯转动拉曼测温激光雷达滤光器参数设计

以获得最高的温度测量精度为目的,设计了纯转动拉曼激光雷达的滤光器参数,包括两个接收通道滤光器的中心波长和半高全宽。进一步研究表明:当被探测大气的温度降低时,或当噪声增强时,二号通道中心波长的设计应向发射波长靠近。另外,反演过程中拟合式引入的误差非常小,可忽略不计。必须避免混入的弹性信号增大到一定程度后,而引起测量温度的漂移。     

Retrieval of tropospheric water vapor scale height from horizontalturbulence structure

A scale height of the vertical water vapor distribution in the troposphere is shown to be related to the rate at which the total integrated water vapor (IWV) decorrelates with horizontal separation. This relationship is based on the departure from simple Kolmogorov behavior of the turbulence structure of the IWV as the horizontal separation becomes a significant fraction of the scale height of the three dimensional (3D) turbulence. The relationship is demonstrated by comparisons between direct measurements of the vertical water vapor distribution, by radiosondes, and coincident estimates of the horizontal turbulence structure, using the TOPEX Microwave Radiometer (TMR). This provides a new method by which to resolve some of the vertical structure of lower tropospheric water vapor from space. The turbulence structure estimator is applied to a larger body of TMR data to produce a sequence of images describing the dynamics of water vapor scale height across the tropical Pacific Ocean. The cyclical evolution of a basin scale east/west ridge of water vapor with high scale height near 5° north latitude is detected which is consistent with other observations of the Madden and Julian Oscillation. The general technique presented should be applicable to many other existing data sets which image the horizontal distribution of IWV, e.g., those of the Defense Meteorological Satellite Program's special sensor microwave/imagers     

船载激光雷达测量水体光学参数的仿真模拟研究

激光雷达能够高效获取海洋光学特性的垂直剖面信息,是海洋光学探测的重要手段之一。利用蒙特卡罗仿真方法,基于Gordon(1982)的机载激光雷达测量水体光学参数模型,研究了船载激光雷达在水中的传输过程和水中光场分布。特别研究考虑了接收视场角和望远镜半径等参数的影响,建立了适用于船载海洋激光雷达的模拟系统。在激光雷达的传输等效为太阳光传输后,该模拟系统与常用的HydroLight的模拟进行了比对印证并获得了一致的结果。在此基础上,通过模拟得到的激光雷达回波信号分析了不同激光雷达测量模式及典型水体条件下激光雷达消光系数α和海水光学参数之间的关系。船载激光雷达结果表明,在窄接收视场角情况下,激光雷达消光系数α趋向于水体光束衰减系数c;在宽接收视场角情况下,α趋近于水体的向下辐照度漫射衰减系数K_d。相比机载观测,船载观测的α趋近K_d的速度变缓。在垂直分层水体中,激光雷达在下层水体中测量的α值会向上层水体的α值偏移。该结果为研究海洋激光雷达测量参数与海洋光学参数之间的关系提供了进一步的认知。     

Raman lidar calibration for the DMSP SSM/T-2 microwave water vaporsensor

Campaigns were conducted at the Pacific Missile Range Facility, Barking Sands, Kauai, investigating Raman lidar as a method to improve calibration of the DMSP SSM/T-2 microwave water vapor profiling instrument. Lidar mixing ratios were calibrated against AIR and Vaisala radiosondes and the calibration was tested in the vicinity of clouds. Above 6 km, radiosondes reported anomalously low relative humidity in the vicinity of clouds. Lidar measurements were confirmed by using an electro-optical shutter, which provided correct measurement of relative humidity at cloud bases above 6 km. Radiative transfer calculations applied to the lidar data closely matched signals observed in the SSM/T-2 atmospheric channels. Forward calculations for surface sensitive channels disagreed with SSM/T-2 and SSM/I observations. Fine scale surface roughness and localized orographic drying are tentatively suggested as explanations. Cloud effects were ruled out as a significant source of discrepancy