1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 青岛镭测创芯科技有限公司，山东 青岛 266101
3 崂山实验室，山东 青岛 266237
4 中国海洋大学海洋高等研究院，山东 青岛 266100
阐述了相干差分吸收激光雷达（CDIAL）探测大气二氧化碳（CO2）的原理，设计了1.57 μm波段微脉冲相干探测系统，并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO2体积分数的反演精度的影响。仿真结果显示：当波长漂移为0.5 pm、温度不确定度为1 K、压强不确定度为1 hPa、水汽体积分数测量不确定度为10%时，这些参数引起的总体误差为0.45%；在大气中CO2的体积分数为4×10-4时，微脉冲相干激光雷达探测CO2体积分数的测量误差约为1.8×10-6。
大气光学 二氧化碳体积分数 相干差分吸收 激光雷达 仿真与性能评估
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 北京航空气象研究所，北京 100085
3 青岛镭测创芯科技有限公司，山东 青岛 266100
4 崂山实验室，山东 青岛 266237
5 中国海洋大学海洋高等研究院，山东 青岛 266100
为了提升大气物质边界层高度（AMBLH）的识别准确性，基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层（ABL）观测实验，提出了一种基于相干多普勒激光雷达（CDL）信噪比数据的AMBLH的综合反演方法，并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH，其与探空仪反演结果的相关度为0.93。分析了青岛一年内的AMBLH发展情况，发现各月份AMBLH均有日变化特征，其中6、7月特征相对较弱，推测这与夏季来自海洋的东南风盛行有关。AMBLH月均值在全年呈起伏波动趋势，在冬末至春初、夏末至秋初的阶段逐步增大。AMBLH月均中位数4月最高、6月最低，AMBLH季度发展程度由高到低的顺序为春季、冬季、秋季、夏季，其中春季和冬季高度相近。AMBLH各季度日变化中抬升趋势出现的时间为夏季早于春季，秋季与春季相近并早于冬季。
大气光学 相干多普勒激光雷达 大气物质边界层高度 综合反演方法
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
4 生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094
5 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
6 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
7 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
8 崂山实验室，山东 青岛 266237
为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量，采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的大气再分析数据集（ERA5）的温度和压强数据，选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL）的观测数据，对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析，包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明：撒哈拉沙漠地区近地面5 km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.2~0.4，雷达比数值集中在40~60 sr；加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.02~0.15，雷达比在50~70 sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术，在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用，将在环境监测中发挥重要作用。
大气气溶胶 云 气溶胶光学参数 星载激光雷达 高光谱分辨率探测技术 光学学报
2023, 43(18): 1899901
1 中国海洋大学海洋高等研究院信息科学与工程学院, 海洋遥感研究所, 山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室, 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室, 山东 青岛 266237
为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s-1。 在此基础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3～18 m·s-1, 风场测量位置 2～30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。
连续波激光 相干探测 测风激光雷达 变焦 continuous wave laser wind lidar coherence detection varifocal 大气与环境光学学报
2022, 17(4): 393
1 中国海洋大学 信息科学与工程学部 海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 中国海洋大学 海洋高等研究院，山东 青岛 266100
3 中国海洋大学 海洋遥感研究所，山东 青岛 266100
4 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
2018年9月15日，美国航空航天局成功发射了ICESat-2卫星，ICESat-2搭载了地形激光测高仪系统（ATLAS），已经广泛应用于极地冰盖高程测量、海冰厚度估算、陆地高程测量、地表植被测量等多个研究领域。不同于GLAS/ICESat，ATLAS在信号探测系统中采用更为灵敏的单光子探测器，每秒发射10 000个脉冲（GLAS/ICESat系统每秒发射40个脉冲），可以获取到重复频率更高、光斑更小的高密度光子计数回波数据，进而实现高精度全球观测。由于ATLAS采用的探测器光电倍增管（PMT）after-pulse的影响，在回波信号脉冲输出后常会出现小幅度脉冲干扰，不能准确反映原始信号波形，所以在实际应用过程中，必须对测量信号进行校正。首先基于ATL03产品，对光子计数回波数据进行预处理，获得了海冰、海洋、陆地和沙漠的廓线信息，结果显示在主信号回波之后均存在两个小的脉冲回波（约2.3 m和4.2 m处），此外陆地和沙漠在10~45 m间存在一个更长时间延迟的脉冲回波，证实了不同反射表面均会受到PMT after-pulse影响。然后利用ICESat-2卫星过境撒哈拉沙漠地区的夜间观测数据，计算了不同波束下的脉冲响应函数，6个波束得到的脉冲响应函数整体形态相似，在主信号回波后出现三个不同幅度的脉冲回波（约2.3 m、4.2 m和6.5 m处）。最后利用6个波束的脉冲响应函数对同一海洋剖面进行校正，结果显示除ATLAS Beam2外，其余波束均可有效滤除主脉冲之后的小幅度脉冲，校正得到真实的水下回波信号。
星载激光雷达 ATLAS/ICESat-2 脉冲响应函数 PMT after-pulse spaceborne lidar ATLAS/ICESat-2 impulse response function PMT after-pulse 红外与激光工程
2021, 50(6): 20211032
中国海洋大学 信息科学与工程学院海洋技术系, 山东 青岛 266100
2014年7月至8月在第三次青藏高原大气科学试验的支持下, 分析了夏季那曲地区大气边界层高度日变化特征.采用激光云高仪通过后向散射信号梯度法求得大气边界层高度, 将云顶高度判定为边界层高度时, 那曲地区对流边界层高度最高可达3800 m, 在夜间稳定边界层情况下, 最低只有40 m.采用无线电探空仪数据, 利用位温梯度法、相对湿度梯度法求得大气边界层高度.利用云高仪与探空仪同步实验40天得到的有效数据, 对后向散射信号梯度法与位温梯度法得到的大气边界层高度的相关性进行分析, 相关系数达0.78, 标准偏差为738.84 m.对8组较为异常量据的再分析发现云高仪在晴空探测大气时信噪比存在一定的不足.对比早、晚测量结果可知, 那曲地区大气边界层高度日变化大, 是由于该地区地处内陆海拔较高, 夏季日照辐射相对平原地区较强, 对流和气温强烈的日变化引起大气层结日变化较大.
大气边界层 边界层厚度 激光雷达 气溶胶-光学特性 气溶胶-衰减 Atmosphere boundary layer Boundary layer thickness Lidar Aerosols-optical properties Aerosols-attenuation
1 中国海洋大学海洋遥感研究所, 山东 青岛 266100
2 中国气象局气象探测中心, 北京 100085
云高、云量的自动化仪器定量观测对于气象业务非常重要,不同数据的有效融合分析对于气象业务来说 意义重大。云测量系统硬件上集成了激光云高仪、全天空成像仪探测模块,使得云高、云量的观测数据 在时间、地点上高度统一,结合激光云高仪的剖面数据和全天空成像仪的云二维分布数据做了初步融合 分析,进行精确的云高判别、云量反演与云种分类研究。通过数据融合,利用全天空图像可以消除云高 仪在雾霾天气下对云底的误判,同时利用云高数据可以估计全天空云的空间分布而对云进行了更精确的 分类。实际上,将云高、云量数据融合分析是气象业务观测的发展方向。
激光云高仪 激光雷达 全天空成像仪 云高 云量 ceilometer lidar the whole sky imager cloud height cloud amount
