Author Affiliations
Abstract
1 Aerospace Laser Technology and Systems Department, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Shanghai Typhoon Institute, China Meteorological Administration, Shanghai 200030, China
A method of spectrum estimation based on the genetic simulated annealing (GSA) algorithm is proposed, which is applied to retrieve the three-dimensional wind field of typhoon Nangka observed by our research group. Compared to the genetic algorithm (GA), the GSA algorithm not only extends the detection range and guarantees the accuracy of retrieval results but also demonstrates a faster retrieval speed. Experimental results indicate that both the GA and GSA algorithms can enhance the detection range by 35% more than the least squares method. However, the convergence speed of the GSA algorithm is 17 times faster than that of the GA, which is more beneficial for real-time data processing.
coherent Doppler lidar three-dimensional wind field retrieval genetic simulated annealing algorithm spectrum estimation typhoon Chinese Optics Letters
2024, 22(4): 040101
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 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
路径积分差分吸收（IPDA）激光雷达可装载于飞机或卫星上探测大范围大气CO2浓度，具有全天时和探测精度高的优势。全球云的平均覆盖率可达60%，因此在激光穿透大气射向地面的探测过程中，除了地面和海洋回波信号，还有很多云层回波信号。结合机载大气探测激光雷达（ACDL）信号采集特点，针对复杂的云层回波信号，提出一种基于中位数绝对偏差的离群值筛选法提取信号，可分离多层云回波信号及云层与地面回波信号同时存在的信号。分析云信号的探测能力，并利用云层回波信号积分值反演云上CO2柱浓度，结果与原位测量仪测量结果变化趋势一致，二者偏差为2.8 μL/L。
遥感 差分吸收激光雷达 二氧化碳柱浓度 云回波信号 差分吸收光学厚度 大气遥感 中国激光
2023, 50(23): 2310001
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 南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心, 江苏 南京 210044
2 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
3 上海卫星工程研究所, 上海 201109
为实现对气溶胶光学参数的大范围、高精度、定量化探测,使用一套基于碘分子滤波器的机载高光谱分辨率激光雷达(HSRL)系统开展飞行实验,同时在地面设置辅助验证观测站。实验研究了秦皇岛地区的气溶胶变化趋势、不同下垫面类型下的气溶胶分布以及秦皇岛气溶胶光学厚度(AOD)的高值地区,并将HSRL系统反演的AOD数据与地面站点的太阳光度计和卫星遥感器测得的数据进行对比分析,三者相关性优于0.95。结合地面气象数据和机载观测数据,对不同飞行天次下秦皇岛地区的污染物来源以及城镇、山地、海洋等不同下垫面类型下的气溶胶光学参数分布特征进行分析,包括气溶胶后向散射系数、气溶胶消光系数、雷达比、色比和退偏比。结果表明:城镇地区的大气低层中以生物质燃烧和工业产生的气溶胶为主,海洋地区大气低层中以污染型海洋气溶胶为主,山地地区大气低层中的粒子尺寸较大,以污染型沙尘粒子为主。
遥感 机载高光谱分辨率激光雷达 气溶胶垂直分布 气溶胶光学参数 污染分析 中国激光
2021, 48(17): 1710003
1 江苏省气象探测中心，江苏 南京 210009
2 南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
为深入了解云粒子尺度谱和形状分布，研究云的微物理特性，研制了一种偏振云粒子探测器。该探测器可以同时接收粒子的前向和后向散射能量。通过前向的质量控制通道对探测区域进行控制，根据后向散射的水平和垂直通道获得粒子的退偏比。使用几何光学近似方法，对几种椭球和六棱柱粒子在探测器中的散射特性进行了模拟。模拟结果表明：粒子前向散射截面与其等效半径正相关；扁状粒子与长形粒子相比，前向散射能力更强，后向散射退偏比更小；椭球粒子退偏比一般要小于六棱柱粒子。所模拟的粒子散射数据验证了所研制探测器用于云粒子探测的可行性，并为其实现非球形粒子的尺度谱和形状探测提供了反演依据。
散射 云粒子探测器 光散射 几何光学近似 退偏比 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0529003
1 南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心, 中国气象局气溶胶与云降水重点实验室,教育部气象灾害重点实验室, 江苏 南京 210044
2 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
利用中分辨率成像光谱仪地表反射率产品和欧洲中期天气预报中心的气溶胶光学厚度产品,分析了全球地表反射率及气溶胶光学厚度的分布特征,分析了地表反射率及气溶胶光学厚度对星载路径积分差分吸收激光雷达系统回波功率、探测器输出信噪比、相对随机误差的影响。结果表明:在给定的系统参数下,得到的单脉冲回波功率范围为0.299~321 nW,对探测器动态范围的要求较高;单脉冲回波探测器输出信噪比在13.6 dB以上,累计148次(陆地)/296次(海洋)脉冲的探测器输出信噪比在26 dB以上;相对随机误差高值区出现在撒哈拉沙漠及阿拉伯半岛附近海域,最大相对随机误差达到了0.22%(0.88×10 -6)。
遥感 路径积分差分吸收激光雷达 地表反射率 气溶胶光学厚度 信噪比 相对随机误差
南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心,中国气象局气溶胶-云-降水重点实验室,教育部气象灾害重点实验室,南京 210044
为进一步了解云物理过程,探测冰云及混合相云云粒子特性,提出了一种带有偏振通道的云粒子探测器模型,可以同时探测前向散射和后向散射一定立体角内的散射能量和退偏比。模拟了椭球,圆柱和球形粒子的相函数,不同角度的退偏比,总散射截面,发现球形粒子几乎不产生退偏,其退偏与椭球、圆柱粒子退偏有数个量级的差距,探测时可以直接以退偏分辨球形粒子。计算了在探测器前后两个接收立体角内非球形粒子的散射截面和退偏比均值,粒子退偏比和散射截面随粒子的横纵比变化比较连续,一定条件下可以分辨部分粒子的形状。粒子退偏比随粒子的等效半径变化波动,不利于探测时分辨粒子大小。在模拟的粒径范围内,粒子等效半径和散射截面大致成正相关,探测时可以以此分辨粒子大小。粒子散射模拟结果表明,该探测系统除可以进行球形粒子探测能力外,具有一定的非球形粒子探测能力。
T矩阵 云粒子探测 偏振激光探测 非球形粒子 光散射 T-Matrix cloud detection polarized laser nonspherical particle light scattering
