1 南京大学固体微结构物理国家重点实验室，江苏 南京 210093
2 南京大学现代工程与应用科学学院，江苏 南京 210023
3 南京大学物理学院，江苏 南京 210093
4 南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心，江苏 南京 210093
5 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044
为了实现远程气体探测，基于由超晶格材料构成的光参量振荡器，研制了一台双波长输出的中红外激光器。该光参量振荡器通过种子注入的方式，实现了纳秒级窄线宽的中红外脉冲激光输出，重复频率为500 Hz，单脉冲能量超过1 mJ，并能够对准2.6~4.0 μm波长范围内的NO、NO2和SO2的吸收峰。通过气体动态排放实验，在远程气体探测实验中对该激光器进行了验证。
光参量 窄线宽 光谱 中红外激光器 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0114001
1 南京信息工程大学大气物理学院中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044
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
研制了一套使用种子源直接放大激光器和时分复用收发的新型瑞利多普勒激光雷达。激光器通过对种子源进行多级光纤和固体功率放大，获得了稳定的60 W高平均功率脉冲激光输出。脉冲激光通过时分复用发射系统向垂直、正西和正北方向交替发射进入大气，从三个方向接收到的激光大气回波信号经过光纤合束后送入同一套碘分子吸收池中进行多普勒鉴频。基于上述系统设计开展了系统探测性能仿真研究和实验验证对比分析，仿真结果表明，系统能够在时间分辨率为30 min、垂直高度分辨率为1 km条件下完成大气温度和经纬向水平风速的同步测量，其中60 km高度处温度理论测量误差为1.99 K，经纬向水平风速理论测量误差为4.78 m/s。系统的验证实验结果表明，60 km高度处大气温度的实测误差为2.4 K，经纬向水平风速的实测误差分别为8.7 m/s和 8.5 m/s，反演结果与大气模式和卫星探测结果进行对比呈现了较好的一致性。
传感器 激光雷达 中高层大气 瑞利散射 碘分子吸收池 多普勒效应 光学学报
2023, 43(24): 2428001
1 南京信息工程大学大气物理学院，气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京牧镭激光科技有限公司，江苏 南京 210038
大气颗粒物是最重要的空气污染物之一，会对人类健康产生负面影响。激光雷达探测是实现颗粒物分布高精度测量的可行手段。气溶胶消光系数在一定程度上能反映气溶胶质量浓度的相对大小，气象要素对消光系数和质量浓度的影响不容忽视。本团队利用反演得到的消光系数，结合地面温度、相对湿度、风速、地面气压等地面气象要素，与PM2.5、PM10质量浓度建立数据集；通过主成分分析法计算数据特征，基于广义回归神经网络(GRNN)对PM2.5、PM10质量浓度建立评估模型。GRNN模型得到的PM2.5和PM10质量浓度的评估值与真实值的相关系数分别为0.86和0.85，均方根误差(RMSE)分别为2.58 μg/m3和10.84 μg/m3，平均绝对误差(MAE)分别为0.81 μg/m3和1.53 μg/m3。将GRNN模型应用于激光雷达扫描模式下，对南京市浦口区颗粒物质量浓度的水平分布进行了评估，评估值和实际站点测量值的一致性较好，进一步验证了GRNN模型用于颗粒物质量浓度评估的有效性。
遥感 气溶胶消光系数 颗粒物质量浓度 神经网络 气象要素 中国激光
2022, 49(17): 1710001
1 南京信息工程大学 大气物理学院 气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京牧镭激光科技有限公司，江苏 南京 210038
在大气探测激光雷达的实际应用中，当激光探测路径上存在后向散射系数很大的云雾、烟尘或硬目标，且由其引起的突变信号强烈到一定程度时，使用Fernald法后向积分反演消光系数会在突变信号后向数据中产生明显的反演误差。根据 Fernald法后向积分的特点并结合分段斜率法，提出了一种新的反演方法以应对上述情况，优化了传统算法的反演策略。即通过判断突变信号位置不断更新参考距离和边界值进行迭代反演，并将更准确的反演数据拼接覆盖到初始反演数据中。使用垂直和水平探测所得到的实测数据对反演方法进行有效性验证，并且对被优化数据和邻近无突变信号时相应的数据进行了对比。结果表明，相比传统算法，垂直和水平探测的相关数据在新的反演方法下分别优化了消光系数相对误差约79%和96%，验证了该方法具有一定的可行性。
激光雷达 气溶胶 消光系数 边界值 突变信号 lidar aerosol extinction coefficient boundary value abrupt signal 红外与激光工程
2022, 51(1): 20211117
1 河南工程学院 土木工程学院, 郑州 451191
2 天津师范大学 地理与环境科学学院, 天津 300387
3 湖南大学 电气与信息工程学院, 长沙 410082
为了实现长距离直线型机载激光雷达电力线提取, 提出了一种基于布料模拟的长距离机载激光雷达电力线提取方法, 在数据预处理的基础上, 通过模拟布料下落过程, 分析布料与对应机载雷达点云之间的作用, 确定布料由重力下降后所停留的位置作为相近高度的电力线点云, 然后在xOy平面内拟合直线, 利用点到拟合直线的距离对电力线条数进行奇偶判断, 通过点在直线两侧判断, 实现单根电力线的提取。结果表明, 所提出的方法对长距离电力线的提取精度达到98.9%, 具有较高的自动化程度, 且对局部点云缺失不敏感。该研究在电力线智能巡检及输电廊道空间结构自动分析领域具有良好的工程应用价值。
激光技术 电力线提取 布料模拟 长距离 laser technique powerline extraction cloth simulation long distance
1 北京大学地球与空间科学学院, 遥感与地理信息系统研究所空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室, 北京 100871
3 湖南大学电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410082
4 贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001
叶片氮含量极大程度上影响植被生物化学过程, 有重要的研究意义。 利用机载高光谱数据反演叶片氮含量在农业遥感领域有广泛应用, 但其反演精度不能完全满足精细农业的需要, 有一定提升空间。 叶片氮含量遥感反演精度受机理误差和算法误差的影响, 机理误差主要来源于叶片表面反射。 传感器探测到的反射辐射既包含叶片内部多次散射, 又包含叶片表面镜面反射部分, 只有前者是携带叶片内部生化组分(如氮含量)信息的, 由于后者是入射光在叶表蜡质层发生的直接反射, 因此该部分并不携带叶片内部信息。 根据菲涅尔定律, 叶表镜面反射是部分偏振的, 而内部散射是非偏振的, 因而通过偏振反射建模可部分去除叶表镜面反射影响, 以消除机理误差。 算法误差主要来源于不同氮含量反演算法对于高光谱数据挖掘能力的差别。 比较了偏最小二乘法、 主成分回归、 支持向量机、 K-近邻算法和随机森林回归在高光谱叶片氮含量反演中的表现, 在调整算法参数之后, 选择使用随机森林回归算法以减少高光谱反演算法误差。 以常绿针叶林、 落叶阔叶林和针阔混交林为研究对象, 利用多角度偏振卫星POLDER/PARASOL的多光谱数据库构建二向偏振反射模型, 用以模拟和分析研究区森林的偏振反射率; 从HySpex传感器系统获取的机载高光谱数据中去除偏振反射率带来的光谱机理误差, 以实现叶片氮含量的精确反演。 以均方根误差为主要指标评估精度变化可获得以下结论: 在高光谱叶片氮含量反演中, 消除偏振反射率带来的机理误差后, 各算法反演精度均有提升, 平均提升了4.244%。 其中, 随机森林回归可以最大程度减小反演算法误差(可决系数达到0.803, 均方根误差达到0.252), 且对光谱偏振信息最为敏感, 去除偏振后精度提高了13.103%。 相比于广泛使用的偏最小二乘算法, 去除光谱机理误差并减小反演算法误差后, 叶片氮含量反演精度整体提高了32.440%。 该研究实现了基于机载高光谱数据的叶片氮含量精确反演, 证明了在叶片氮含量反演中去除偏振反射率的必要性, 体现了在高光谱氮含量反演中随机森林算法的应用潜力。
遥感反演 偏振遥感 叶片氮含量 高光谱数据 随机森林回归 双向偏振分布函数 Remote sensing retrieval Polarization remote sensing Leaf nitrogen concentration Hyperspectral data Random forest regression Bidirectional polarization distribution function 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2911
1 西南林业大学机械与交通学院, 云南 昆明 650224
2 苏州大学沙钢钢铁学院, 江苏 苏州 215021
3 安徽工业大学冶金工程学院, 安徽 马鞍山 243032
利用IPG YLS-6000光纤激光器对厚度为1.6 mm的QP1180高强钢进行激光焊接,研究了不同热输入(14~36 J/mm)对激光焊接接头组织及性能的影响。研究结果表明,热输入值达到21 J/mm及以上时可获得全熔透焊接接头,且随着热输入值的增加,熔宽逐渐增大。焊接接头存在软化区,但软化程度较低(≤10.1%)。焊接接头软化区受两侧强化相的约束,导致完全熔透焊接接头拉伸后断裂在母材处,强度与母材相当。杯突试验中,热输值入为21~36 J/mm时,焊接试样开裂位置垂直于焊缝失效,三种全熔透焊接接头的杯突值均达到了母材的70%。激光焊接热输入值控制在21~36 J/mm,可保证全熔透焊缝性能满足工业化应用要求。
激光光学 激光焊接 淬火-配分钢 显微组织 力学性能 成形性能 激光与光电子学进展
2020, 57(5): 051406
1 南京信息工程大学 大气物理学院, 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, 气象灾害教育部重点实验室, 南京 210044
2 南京先进激光技术研究院, 南京 210038
为使中红外差分吸收激光雷达能够精确测量NO2气体浓度, 对NO2在中红外波段的吸收光谱特性进行测量分析.采用光参量放大激光器的λon和光参量振荡激光器λoff两路激光分别进行吸收谱线测量实验.用谱线宽小于0.05 nm的λon激光测量了NO2气体在3 410~3 433 nm的吸收光谱, 计算得到其吸收截面, 采集分析了NO2在291 K、308 K、363 K三个温度下的光谱特性, 用谱线宽约为10 nm的λoff激光采集了3 400~3 435 nm的吸收谱线.测量结果表明, 在3 410~3 433 nm波段, 温度和吸收截面值呈负相关, 测量的谱线与HITRAN数据库相关系数达到0.92以上; 针对λoff激光下的吸收谱线, 采用了改进的卷积修正方法, 测量结果和拟合结果相关系数为0.97.将实测的on和off波长处的吸收截面应用于使用该波长对的中红外差分吸收激光雷达仿真上, 拟合差分吸收激光雷达系统浓度测量误差, 验证了基于该波长对的差分吸收激光雷达方案的可行性.
光谱学 大气光学 差分吸收激光雷达 二氧化氮 吸收截面 Spectroscopy Atmospheric optics Differential absorption lidar Nitrogen dioxide Absorption cross section
1 陆军工程大学石家庄校区 电子与光学工程系,石家庄 050003
2 南京先进激光技术研究院 先进全固态激光技术研发中心,南京 210046
为了研制光参量振荡器的单频制抽运源,采用偏压反馈的扫描-触发谐振探测技术,设计了种子注入的脉冲重复频率为500Hz的单端抽运键合Nd∶YAG的电光调Q单频脉冲激光器,建立了单纵模振荡并进行了理论分析。结果表明,在抽运能量为36.8mJ时,输出单脉冲能量为8.4mJ,光光建模效率为23%,脉冲宽度为6.8ns,光束质量因子M2≈1.3,脉冲峰值功率为1.2MW;利用F-P标准具获得输出激光的干涉图样,经过1h观察,该激光器输出单纵模概率为100%。这一结果对于抽运光参量振荡器的研制是有帮助的。
激光器 全固态激光器 单频激光器 种子注入 电光调Q lasers all-solid-state laser single frequency laser seed injection electro-optic Q-switched
1 南京信息工程大学 大气物理学院, 江苏 南京 210044
2 南京先进激光技术研究院, 江苏 南京 210038
差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化氮浓度的有效途径。介绍了差分吸收激光雷达原理及系统结构, 基于可调谐固体激光吸收技术, 以0.01 nm为步长, 测量了二氧化氮在3.410~3.435 μm吸收光谱, 实验结果表明, 在1.0 atm(1 atm=1.013×105 Pa)、25 ℃情况下, 所测吸收光谱与模拟计算吸收光谱相关系数为92.01%, 基于实测吸收光谱分析确定了二氧化氮测量激光波长对为on-line 3.424 μm、off-line 3.414 μm。并研究了差分吸收激光雷达二氧化氮测量信号预处理方法和去噪算法, 仿真计算结果表明, 采用信号预处理结合多重自相关检测法, 可有效将1 km内模拟探测所得二氧化氮浓度反演结果误差降为±0.1 mg/m3。
吸收光谱 差分吸收激光雷达 激光波长对 去噪方法 absorption spectra DIAL laser wavelength pair denoising methods 红外与激光工程
2018, 47(10): 1030002
