利用 AERONET 北京站点 2016 年 1 月-2018 年 12 月的数据产品, 分析了北京地区气溶胶光学厚度 (AOD)、Angstrm 波长指数 α、粒径谱分布的季节特性; 同时选取典型污染天气条件下的数据, 分析了不同季节主控污染物的类型, 并使用相应雷达比对比反演激光雷达消光结果。研究结果表明: 北京地区 AOD 季节变化特征明显, 主要表现为春、夏季大, 秋、冬季小, 其中夏季 (0.83) 显著高于其他季节; α 表现出与 AOD 一致的变化规律, 春季最低 (α = 0.95), 表明北京春季受沙尘影响显著, 为主要污染物; 而夏季最大 (α = 1.23), 表明沙尘影响迅速减弱, 细粒子颗粒物占主导, 符合温带季风气候的特点; AOD 和 α 关系图中, 不同污染物分布特征存在差异, 可通过阈值法对污染物进行分类。此外, 以两种典型污染情况为例, 使用不同雷达比反演激光雷达的消光系数的结果表明, 可以使用太阳光度计数据对反演参数进行优化。

出射激光脉冲功率的变化对大气激光雷达数据采集的准确度具有很大的影响，因此需要对脉冲激光器功率进行准确的检测。基于出射激光脉冲窄脉宽、高重复频率的特点，提出一种针对窄脉冲激光器的功率检测系统。首先，采用光电二极管构成的光电转换电路实现对激光信号的光电转换；其次，采用跨导型峰值保持电路对激光单脉冲进行峰值保持；最后，通过同步触发信号实现单片机对峰值的采集，测出脉冲激光器出射脉冲的功率。经实验测试，该系统适用于大气激光雷达使用的脉宽为10 ns、重复频率为10 kHz、波长为532 nm的激光脉冲功率检测，且测试结果与标准激光功率计相比具有良好的线性关系和精度，满足应用需求。

与目前广泛应用的532 nm波段的发射波长相比, 采用355 nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高, 分光光谱仪的线色散率要达到0.1 nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪, 通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计, 模拟分析结果显示：间隔0.1 nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1 mm, 满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1 nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比, 验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。

针对环境领域中最常用的米氏散射激光雷达, 通过讨论气溶胶光学特性反演方法的流程, 分析了影响反演结果准确度的各种不确定性因素。分析结果表明, 为获取高稳定性和高可靠性的探测结果, 需要采用合理的信号去噪方法, 设置合理的累加次数、气溶胶消光后向散射比、标定高度和标定值等。此外, 还需要对反演算法进行定期标定, 主要包括几何重叠因子标定、球载消光仪标定、瑞利散射标定、能见度仪标定、太阳光度计标定、湿度标定、颗粒物浓度标定等。通过这一系列配置和标定后, 多台激光雷达数据可以达到高度的一致性和准确性。

利用ZEMAX软件对透射式米散射激光雷达系统的杂散光进行分析, 对激光雷达系统中光学镜片表面的反射和镜筒内壁系统的多次反射、散射进行模拟, 得到镜面的多次反射光成像在探测器面源的功率可达3×10-8 W, 镜筒散射光成像在探测器面源的功率达到2.8×10-9 W。在测量条件相同的情况下, 通过对透射式和反射式激光雷达的连续观测结果进行分析, 得出透射式米散射激光雷达的近场杂散光经过光电转换后的回波信号强度可以达到1000 mV, 比反射式激光雷达系统的高约17倍；用衰减片分别对两种雷达信号进行衰减处理, 结果显示:当信号衰减80%时,透射式激光雷达系统的近场信号出现下翘现象。从对信号非线性化处理的结果也可以看出, 反射式激光雷达系统优于透射式激光雷达系统。

回波信号数据采集设备是激光雷达系统的关键部分。为了提高信噪比,回波信号数据采集设备应当具有滤波和高速数据累加功能,为了满足 不同重复频率激光雷达的探测需求,累加过程的采集深度和累加次数等参数应当是可配置的。使用FPGA作为主控设备,实现了一个采样率为20 MHz, 具有滤波和硬件累加功能,且参数可配置的通用回波信号数据采集卡(DAQ card)。测试结果表明,在不同重复频率的触发信号下,采集卡实现了基 本的参数配置功能和累加功能,信噪比为71.9 dB。与国外某回波信号数据采集设备相比,采集卡在高重复频率激光雷达中具有更远的探测距离和更高的信噪比。

简述单光子探测器对于激光云高仪研究的重要作用。在了解单光子探测器SPAD基本工作原理的基础上,搭建SPAD的被动抑制电路,实验得出SPAD的死时间 在2 μs以上,只能适用于单光子计数率小于500 kHz的场合。为了减少单光子探测器的死时间,提高单光子计数率,设计了雪崩被动淬灭电压主动恢复的 混合抑制电路,通过精密的时序控制,探测器的死时间缩短为100 ns,单光子计数率上升至10 MHz。理论上激光云高仪的空间分辨率可达15 m,单光子探 测器SPAD混合抑制电路对于激光云高仪的工作性能以及顺利研制有着重要意义。

基于星载差分吸收光谱仪转动部件控制需求,设计了星载光谱仪转动部件的测试系统。采用微动开关复位加定步的电机运动方式实现电机的精确定位。采用 脉冲调制(PWM)的方式实现驱动电流的精细调节。并搭建平台对系统进行重复性测试,实验结果表明,测试系统具有较高的可靠性和稳定性,能够满足光谱仪 的精确定位要求,使电机在工作寿命内按计划完成定标工作。

分析了单光子雪崩光电二极管(SPAD)探测器雪崩电压的温度特性,得出SPAD的雪崩电压随温度变化约为0.7 V/°C, 需要设计恒温控制电路保证SPAD的正常工作。从最优温度控制策略的角度,选用MAX1978温度控制芯片 进行电路设计实现SPAD的温度恒定。简要介绍了恒温控制系统的工作原理及各个组成部分。通过恒温 控制电路实验验证了电路的可行性,恒温控制电路可以在1 min内使SPAD的工作环境温度恒定 在0.06°C内,温度控制速度和精度均能满足SPAD温度恒定的要求,确保单光子探测器SPAD正常 工作,使单光子探测器SPAD具有更好的探测性能。