西安理工大学机械与精密仪器工程学院激光雷达大气遥感研究中心，陕西 西安 710048
以我国高光谱遥感卫星——环境1号卫星为例，开展结合NCEP再分析资料辅助优化的6S 大气校正方法的分析。首先，考虑到高光谱图像缺少标准反射率产品的问题，利用最优化估计方法构建高光谱反射率曲线，并作为标准曲线，用于大气校正结果的验证。其次，基于6S大气校正理论，开展了大气校正的敏感性分析，确定了气溶胶光学厚度的敏感因素以及气溶胶类型、大气模式和大气温湿度对大气校正系数的敏感性。在此基础上，提出了NCEP再分析资料辅助优化的6S大气校正方法，利用NCEP再分析资料提供的大气温湿度廓线、水平能见度反演的550 nm气溶胶光学厚度等数据资料，优化6S模式的输入参数，得到准确的大气校正系数Xa、Xb和Xc，获得大气校正后的不同地物反射光谱曲线。最后，选取西安作为试验区，以水体为例，进行波谱曲线对比，利用标准曲线对校正结果进行精度评价。对比分析结果表明，NCEP再分析资料辅助优化的6S模式校正的地面反射率结果明显优于6S的大气校正结果，与标准曲线具有一致的反射率变化趋势，二者的相关系数达到0.8596，标准差低于0.0685，各波段地面反射率逐像元误差的平均值和标准差接近0.02，反映了利用NCEP辅助数据优化的6S模式对大气校正有着明显的改善作用，可提高6S 大气校正的地物反射率反演精度。
大气光学 高光谱图像 大气校正 6S 气溶胶 NCEP
西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
提出一种新型的侧向纯转动拉曼散射激光雷达探测技术，其采用双基地的收发系统结构，利用侧向接收系统的俯仰扫描功能实现对与温度具有相反依存关系的高低量子数的侧向纯转动拉曼散射光谱的探测，该技术为从地表到特定高度大气温度的无盲区探测提供了技术支持。侧向纯转动拉曼散射激光雷达的初步观测实验采用整段等距离分辨率和分段等距离分辨率两种云台转动方案，反演结果表明侧向纯转动拉曼散射激光雷达可实现1400 m高度范围内大气温度的精细探测，且分段等距离分辨率云台转动方案在近地表312 m高度范围内能够获得更为精细的大气温度空间分布特征。
大气光学 激光雷达 近地表大气温度 侧向纯转动拉曼散射 无盲区探测 俯仰扫描
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西省现代装备绿色制造协同创新中心，陕西 西安 710048
激光雷达近场信号的重叠因子校正和盲区问题一直制约着激光雷达的实用化进程，在假设水平大气均匀的情况下，提出了Mie散射激光雷达的近场信号垂直扫描校正方法和多角度反演算法，实现了大气状态自适应控制遥感。从散射型激光雷达方程出发，构建了激光雷达近场的重叠因子和盲区的模型，结合研制的二维扫描激光雷达参数，仿真分析了重叠因子和盲区的特征。利用Fernald气溶胶反演算法，提出了基于信噪比的多仰角扫描控制与校正方案，以实现不同大气状态的自适应扫描控制。融合多角度扫描遥感数据，并以水平探测的Collis法反演的结果作为地面消光系数，获得了大气气溶胶消光系数无盲区廓线，验证了方案的有效性。数据分析结果表明，在静稳天气时水平能见度优于18 km的情况下，以信噪比20为阈值，通过7个仰角约15 min观测，可实现激光雷达重叠因子的自适应校正，获得的重叠因子校正曲线与水平校正法的平均相对偏差约20%，两组扫描校正的重叠因子的平均相对误差为4.2%，可实现大气气溶胶的无盲区反演。
传感器 激光雷达 近场信号校正 大气消光系数 垂直扫描 光学学报
2023, 43(18): 1828001
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710199
为了解决接触式空气温度探测易受太阳辐射和地面辐射影响的问题，实现空气温度的绝对测量，提出基于Fabry-Perot干涉仪扫描散射谱进而反演温度的高光谱分辨率激光雷达遥感探测方法。系统参数标定是影响温度探测精度的重要因素。利用连续激光器对扫描Fabry-Perot干涉仪的驱动电压、半峰全宽、自由光谱范围、温度控制精度等参数进行了标定。通过标定实验，得到10 GHz的频率扫描范围对应的电压幅值为3.48 V；Fabry-Perot腔0.1 ℃的温度变化对应0.21 GHz的频率漂移。利用可控制温度和压力的散射池对激光雷达温度探测系统进行了标定，经系统误差校正后，反演温度与设置温度获得了较好的一致性，这为实际温度精确探测和反演提供了基础。
光学学报
2022, 42(18): 1828001
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西省现代装备绿色制造协同创新中心，陕西 西安 710048
为实现大气温度廓线的全天时绝对探测，基于N2分子的精细纯转动拉曼谱线结构，本课题组提出并设计了多通道纯转动拉曼激光雷达分光系统。采用F-P干涉仪(FPI)作为频率梳滤波器，考虑FPI膜层损耗和镜面缺陷，精细匹配N2分子anti-Stokes分支的纯转动拉曼谱线，实现了FPI结构及性能参数的优化，并有效滤除了太阳背景噪声及邻近谱线信号；结合衍射光栅和光纤线阵列，通过两级光谱滤光对弹性散射信号实现了约60 dB的抑制率，有效提取了8通道偶转动量子数(J＝6～20)的拉曼光谱信号，以直接反演大气温度；基于标准大气模型，对8通道纯转动拉曼分光系统的信号功率及信噪比进行了仿真，并分析了全天时绝对测温激光雷达的探测性能。结果表明，在累积时间为17 min时，该系统实现白天信噪比优于10的探测高度可达到1.8 km，反演温度1 K偏差对应的高度达0.8 km，可实现全天时大气温度廓线的无校正探测。
遥感 激光雷达 纯转动拉曼绝对测温 F-P干涉仪 精细拉曼谱结构 无校正探测 中国激光
2022, 49(13): 1310002
西安理工大学激光雷达大气遥感研究中心, 陕西 西安 710048
为给辐射传输方程求解提供足够的气溶胶状态信息,提出了一种双波长拉曼-米激光雷达探测技术和系统。首先,设计了高性能4通道分光系统,用于提取中心波长分别为354.7 nm和1064.2 nm以及386.7 nm和852.7 nm的米-瑞利散射回波信号和氮气拉曼散射回波信号,实现对大气气溶胶的精细探测和反演。然后,在不同天气条件下利用该系统开展了探测实验,通过反演的气溶胶多参量廓线构建了由33层光学厚度、单次散射反照率、散射相函数组成的实际大气气溶胶状态参数列表,并将其作为平面平行辐射传输(SBDART)模式的实际大气自定义气溶胶输入文件。最后,求解辐射传输方程,得到33层实际大气散射辐射亮度分布以及太阳直接和散射辐射亮度的计算结果。通过分析不同天气条件下的实际大气散射辐射亮度,验证了大气气溶胶状态对大气散射辐射亮度的决定性影响。实验结果表明,该系统与地面气象站测量的总辐射亮度平均相对误差为8.2%,相关性系数达到0.98。
大气光学 激光雷达 气溶胶 散射辐射亮度 平面平行辐射传输 光学学报
2022, 42(12): 1201005
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 西安理工大学现代装备绿色制造协同创新中心, 陕西 西安 710048
针对过冷云分布的探测, 设计了一种近红外机载偏振同轴微脉冲激光雷达系统。该系统采用波长 1550 nm 激光激励, 可有效减少云中小尺度气溶胶粒子的消光, 从而提高大尺度云粒子的探测距离和效率。通过非球形粒子的退偏比来甄别云粒子相态, 同时提出了云含水量的激光雷达反演算法, 并结合机载温度数据和对流层特征, 反演过冷云的空间分布。基于标准大气模型和机载仪器的云粒子谱数据, 仿真分析了不同激励波长偏振微脉冲激光雷达在两种对流层云中的探测性能, 结果表明下层云中的探测距离约为 1.1 km, 而上层云中的探测距离可达 1.5 km。
大气光学 机载偏振激光雷达 过冷云分布 近红外激光遥感 云含水量 atmospheric optics airborne polarization lidar supercooled cloud distribution near-infrared laser remote sensing cloudy moisture content
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
3 陕西省气象台, 陕西 西安 710014
为挖掘激光雷达高垂直分辨探测优势, 将其引入降雨观测与研究中, 重点构建一套测温数据模式同化方法, 目的在于评估激光雷达数据对降雨模拟的影响。 借助激光雷达测温数据综合多级质量控制技术对雨前探测信号进行反演优化, 获取更可靠的温度廓线, 这种垂直间隔4 m左右的雷达数据对于降雨是一种新型数据。 设计三步实验研究新数据WRF模式(weather research and forecasting model)同化方法。 第一步开展控制实验, 通过模式检验与参数调试获取最佳模拟方案, 为同化实验提供依据。 第二步开展常规探测数据同化实验, 通过WRF模式同化模块将90组地面、 高空测站数据融入模式初始场, TS评分提高了0.07, 并成功消除了陕西西南部虚假暴雨中心, 但存在空报率偏高等问题。 第三步开展激光雷达数据同化实验, 重点解决制约模式初始场中尺度信息测站稀少的关键难题, 引入MQ法将单点数据扩展为49组格点数据并完成三维变分同化模拟, 克服了常规数据同化所致空报率偏高的问题, 且模拟雨强更接近实况, 同时降水TS评分提高了0.12, 漏报率降低了0.09。 定性与定量分析均表明借助Multiquadric将激光雷达探测数据融入WRF模式可造成模拟效果提升。 本文结果表明激光雷达可用于探测短时强降雨, 且探测位置宜设在对流云外围。
激光雷达测温 短时强降雨 Multiquadric算法 The lidar detecting temperature Short-time heavy rainfall Multiquadric method 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2110
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
利用转动拉曼信号和振动拉曼信号获得大气温度廓线和大气湿度廓线,根据大气压力与温度、湿度的相互关系反演得到大气压力廓线。给出了探测大气压力的激光雷达系统及数据反演方法,并对所提方法的可行性进行了论证。研究分析了引起压力反演误差的因素,误差来源主要有三方面:温度偏差、参考点压力偏差和大气比湿。利用拉曼激光雷达系统进行了大气探测及压力反演,反演得到大气压力廓线,并与当天探空压力数据进行了比对分析,得到了较好的反演结果,证明了研究方法的可行性。最后从应用需求角度分析了高精度压力探测对激光雷达系统的性能要求。
大气光学 压力 激光雷达 转动拉曼信号 振动拉曼信号 温度 光学学报
2020, 40(15): 1501001
1 西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
从斜程能见度探测原理出发,利用SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)模式求解辐射传输方程,对天空背景辐射进行了详细的理论仿真与分析。利用SBDART 模式自带的气溶胶模型,仿真得到了不同类型气溶胶模型在晴天条件下的天空背景辐射结果,探讨了太阳直接辐射和大气散射辐射以及不同高度上大气散射辐射的分布趋势,分析了气溶胶单次散射反照率和不对称因子对结果的影响。提出了激光雷达结合SBDART模式的实际天空背景辐射的计算方法,以实测扫描激光雷达的气溶胶探测数据作为SBDART模式的输入参数,计算获得了实际大气中太阳直接辐射以及不同高度处天空背景辐射的分布结果。为了验证结果的正确性,利用太阳光度计同步测量的太阳直接辐射,进行了对比验证,两者具有较好的一致性,相关系数达到0.99。以黑体为目标,初步探讨了天空背景辐射对斜程能见度的影响,结合激光雷达和SBDART模式所得到的实际天空背景辐射可为斜程能见度精确反演提供保证。
大气光学 天空背景辐射 辐射传输方程 斜程能见度 SBDART 光学学报
2020, 40(14): 1401001
