1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场，搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理，使用转台式探测结构，通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪，确保测风的精度。实验结果表明，该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好，频率跟踪的范围为±50 MHz，可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测，在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后，随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km，夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比，风速误差均小于10 m/s，其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%，探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致，误差范围在10°~20°之间，在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析，结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。
直接测风激光雷达 大气风场 法布里-珀罗干涉仪 瑞利散射 direct wind lidar atmosphere wind field Fabry-Perot interferometer Rayleigh scattering 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220412
曹也 1,2,3,*程亮亮 1,2,3杨昊 1,2,3方志远 1,2,3[ ... ]谢晨波 1,2,3
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验 室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
激光雷达作为大气探测的有效手段之一, 逐渐向小型化、轻量化的趋势发展。针对激光雷达的功能专用性, 基于现场可编程门阵列 (FPGA) 对探测、采集系统进行了集成优化设计。逻辑中各模块之间通过握手协议和同步有限状态机有序配合完成数据链路的构建和传递。系统以 FIFO 作 为 ADC 的数据存储器, 通过 AXI 总线协议配合 Xilinx MIG IP 有序将 FIFO 的数据突发缓存到 DDR 中, 并且通过千兆以太网完成对采集数据的传输。该激光雷达数据采集卡集成光电倍增管增益控制和回波信号采集功能, 并采用兼容性硬件和逻辑设计, 具有集成度高、增益调节便捷且精度高、采集快速方便以及快速适配等诸多优点。
激光雷达 光电倍增管 数据采集 千兆以太网 现场可编程门阵列 lidar photomultiplier tube data acquisition Gigabit Ethernet field programmable gate array 程亮亮 1,2,3,4谢晨波 1,3,*杨昊 1,2,3方志远 1,2,3[ ... ]邢昆明 1,3
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，合肥 230037
4 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，合肥 230601
以北京市2015年1月11-17日发生的连续灰霾污染过程为例，采用地基和星载激光雷达联合观测，反演得到气溶胶的垂直分布特征。由MODIS卫星遥感数据和HYSPLIT后向轨迹模式分析得出污染来源和传输路径，结合地面空气质量和气象观测数据揭示了本次污染的成因。结果发现，根据激光雷达数据反演的近地面气溶胶消光系数与地面PM2.5浓度变化总体较为一致，而气溶胶边界层高度与PM2.5浓度呈相反变化趋势，且最低边界层高度为500 m。污染期间为小风高湿天气，地面平均风速和相对湿度分别为1.35 m/s和66%，连续多日逆温层的出现抑制了污染物在垂向空间的扩散传输，逆温强度高达5℃，这两方面因素导致污染物的持续积累，最终，在16日凌晨，PM2.5浓度达到448 μg/m3。污染最后在16日偏南风的作用下得以解除，PM2.5浓度的下降速度达到82 μg/（m3·h）。观测期间，PM2.5与NO2、CO的相关系数分别为0.766和0.901，呈显著正相关，可见NO2等气态前体污染物转化而来的二次气溶胶是霾的重要来源。综合分析表明，本次污染以灰霾为主，由区域传输和局地排放的气溶胶叠加、累积而成，河北南部及河南、山西等地的污染物随高空气团传输到北京地区，与本地排放的污染气溶胶混合在一起，导致污染加重。
污染 激光雷达 边界层 CALIPSO MODIS 后向轨迹 Pollution Lidar Aerosol boundary layer CALIPSO MODIS Backward trajectory
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
针对颗粒物浓度的大气分布难以测量的问题,采用532 nm激光雷达,对淮南地区2016年6月1日至12月31日进行连续观测。利用大气边界层高度、气溶胶光学厚度、温度、相对湿度、风速、能见度和实测的颗粒物浓度建立回归预测模型,实现了对颗粒物浓度的辨识研究。由于传统的反向传播(BP)神经网络易陷入局部极小,依据数据特点采用基于遗传算法的反向传播(GA-BP)神经网络进行研究,利用遗传算法寻找最优的权值和阈值,以平衡全局与局部的矛盾。通过两个回归模型的比较,可知GA-BP方法明显优于BP方法,BP方法的测试集的相关指数R2是0.623,平均预测误差是24.692 μg/m 3;GA-BP方法的测试集的相关指数R2是0.899,平均预测误差是7.122 μg/m 3。由此说明激光雷达可以有效地监测大气颗粒物的分布,并为淮南地区的颗粒物监测提供数据支持和参考依据。
遥感 激光雷达 PM2.5浓度 光学性质 神经网络 遗传算法
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
通过匹配星载CALIOP过境合肥时间,筛选Aerosol-lidar的观测数据,选取4个典型天气个例[沙尘天气、多云天气、中度污染(无云)、中度污染(有云)],对合肥地区的气溶胶进行联合观测,并对气溶胶的类型、气溶胶的变化、气溶胶污染的成因及来源进行分析。结果表明,多云天气下,星载激光雷达对底层气溶胶探测时会受到天气的影响,而地基激光雷达的探测效果较佳,可以通过定点连续观测距离的校正信号准确地反映气溶胶含量和变化特点。星-地激光雷达的联合观测可以更好地分析多种复杂天气的气溶胶变化。联合观测结果表明:轻度污染的沙尘型和受污染的浮尘型气溶胶主要集中在0.8~1.6km高度范围内,退偏振比集中在0.18~0.20之间;多云天气的气溶胶主要为污染大陆型,集中在0.4~1.2km高度范围内,其退偏振比在0.015~0.020之间,气溶胶含量很少且为具有球形粒子属性的细颗粒物;中度污染(无云)天气的气溶胶同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.3~1.3km高度范围内,退偏振比在0.08以下,具有明显的球形粒子属性;中度污染(有云)天气的气溶胶也同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.8~1.4km高度范围内,退偏振比在0.075~0.100范围内,为粒径较小的球形粒子。
遥感 星-地联合激光雷达 气溶胶变化 垂直分布 退偏振比
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031；中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026；先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037；皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
2 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031；中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026；先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
气溶胶辐射强迫效应主要通过气溶胶与辐射相互作用(aerosol-radiation interaction, ARI)和气溶胶与云相互作用(aerosol-cloud interaction, ACI)两种途径来影响地球辐射收支平衡，联合国气候变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在第五次报告指出，气溶胶与云的相互作用是最主要的不确定性辐射强迫因子之一。在云–气溶胶全球探测领域中，星载云–气溶胶遥感雷达的探测能力与发展方向对研究者们研究全球云–气溶胶分布特点越来越重要。首先对星载云–气溶胶遥感雷达技术的应用现状进行了分析，并针对典型星载云–气溶胶激光雷达（激光雷达空间技术实验LITE、正交偏振云–气溶胶激光雷达CALIPSO、云–气溶胶传输系统CATS、大气激光雷达ATLID）的探测任务、光机系统参数、结构及材料等技术特点进行了详细的分析研究；其次从工作机制、光机系统结构、应用材料和探测能力等方面对各星载云–气溶胶激光雷达系统特点进行了对比，提出星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构设计特点与方法；最后分析了当前星载云–气溶胶激光雷达系统技术特点及发展方向，为我国发展星载云–气溶胶激光雷达提供技术方向及发展建议。
地球辐射 星载云–气溶胶激光雷达 遥感技术 光机结构 Earth’s radiation space-borne lidar for cloud-aerosol remote sensing technology opto-mechanical structure 红外与激光工程
2020, 49(8): 20190501
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国环境监测总站, 北京 100012
星载云-气溶胶激光雷达可精确获得全球云-气溶胶探测数据,利用干涉仪 窄带滤波器来探测大气中的云和气溶胶可以提高回波信号的信噪比,并可进行全天探测。根据星载激光雷达对使 用环境以及温度调谐的要求,选择固态标准具来实现所要求的干涉仪滤波器,对其材料的选择和结构的设计进行了 分析,在封装设计时增加了温控结构,并对固态标准具进行了热应力耦合分析。综合考虑工作温度和入射角度的影响, 给出最优的性能测试方案,根据方案测得固态标准具的温度调谐满足中心波长调谐范围。
激光技术 固态标准具 星载激光雷达 结构设计 laser technology solid-etalon space-borne lidar structure design
