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激光雷达大气遥感研究中心，陕西 西安 710048
以斜程能见度精确探测为目标，综述了激光遥感在斜程能见度测量中的主要技术及其研究进展，分析了现有探测技术在斜程能见度测量中的不足与局限性，重点介绍了一种新型的激光雷达结合辐射传输模式的斜程能见度测量方法，剖析了基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶精细探测技术、基于辐射传输模式的大气散射辐射亮度解析方法以及大气散射辐射亮度校正的斜程能见度测量技术与应用案例，突破了当前白天斜程能见度测不准的技术瓶颈。最后，展望了激光遥感技术在全球斜程能见度测量中的应用潜力。
大气光学 激光遥感 斜程能见度 辐射传输模式 散射辐射亮度
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 中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315201
2 宁波大学机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211
3 浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室，浙江 宁波 315201
针对Ti?6Al?4V钛合金深窄槽等结构的高效、精密、绿色加工难题，本团队利用同步纳秒激光辅助电解钛合金加工方法，综合利用激光加工效率高、局部温升、可直接去除表面钝化层以及电解加工表面质量好等优势，实现了钛合金材料的高效定域去除。研究了关键工艺参数（电解电压、激光功率、进给速度）对钛合金深窄槽加工精度和槽底面粗糙度的影响规律，验证了采用常温钝性盐溶液和较低的电解电压实现钛合金高效精密加工的可行性。研究结果表明：在电解电压为20 V、激光功率为3~5 W、进给速度为1.8 mm/min的参数下，可以实现钛合金的高效率、低表面粗糙度加工。本文提出了激光功率梯度变化（5 W→3 W）的钛合金三维结构高精密加工方法，并采用该方法在Ti?6Al?4V钛合金工件上实现了矩形台和深窄槽三维结构的加工。
激光技术 激光辅助电解加工 钛合金 深窄槽 表面质量 加工精度
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 西安市气象局, 陕西 西安 710016
基于聚类思想设计了二维和三维云相态聚类识别算法,结合偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达资料,进行了云相态的精细识别与分类方法研究。将云粒子的体退偏比、温度和反射率因子作为聚类网络学习的输入特征量,通过无监督学习区分云层中不同相态的簇划分结果,利用簇划分结果实现了对云相态的精细识别,解决了传统云相态识别中采用单一阈值算法导致的结果误判问题。所设计算法可以实现云中过冷水区、暖云液态水区和冰相的高效识别,同时对混合云相态实现了冰占主导和水占主导的细分。利用偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达对西安市上空云层进行了观测,反演了三台仪器的同步观测数据。利用所设计的聚类识别算法对2021年1月9—10日和2021年6月8—9日观测到的云数据进行了二维聚类和三维聚类识别与分析,实现了云层内暖云滴、混合相(冰占主导、水占主导)、过冷水和冰相的区分。通过比较与分析,发现三维聚类识别算法比二维聚类识别算法更能详细地展现相态转换过程的细节信息,整体识别结果与实际天气变换过程吻合。
遥感 多源遥感探测 聚类分析 云相态识别 过冷水 光学学报
2022, 42(12): 1228002
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
针对飞机起降安全的斜程能见度探测问题,研制了一台4通道的米-拉曼散射扫描型激光雷达,可实现双波长无假定的大气消光系数廓线反演,进而可精细探测大气斜程能见度。基于大气能见度理论,假设观测路径附近无光源且忽略气溶胶粒子谱分布影响,分析了采用大气平均消光系数反演斜程能见度的有效性。该激光雷达采用Nd∶YAG激光器的基频(1064 nm)和三倍频(355 nm)激光脉冲作为光源,采用以二向色镜和窄带干涉滤光片为核心的拉曼光谱分光系统,利用有限状态机理论和多线程并发技术实现多模块协同控制软件。结合侧向散射型能见度仪,开展初步观测实验与分析。结果表明,当天气为多云转阴,地面水平能见度为9 km,俯仰角为26°时,所研制系统累积观测4 min的有效探测距离优于11 km,近地面分析结果取得了很好的一致性。
传感器 激光雷达 斜程能见度 大气消光系数 拉曼光谱分光 有限状态机 光学学报
2022, 42(12): 1228001
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
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 中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 浙江 宁波 315201
2 浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室, 浙江 宁波 315201
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 宁波工程学院机械工程学院, 浙江 宁波 315336
针对采用激光加工涡轮叶片等薄壁腔体微孔时存在背伤的问题,采用填充材料阻隔法切断激光能量传输路径的方式进行背伤防护。研究了激光能量密度、激光束扫描速度以及离焦量等加工参数对背伤的影响规律。通过品质关键因素(CTQ)验证实验优选6种可行的背伤防护材料:聚氨酯(PUR)、流动聚丙烯酰胺(PAM)、石蜡、石墨、二氧化硅(SiO2)、碳化钨(WC)。选择PUR、PAM和石蜡三种防护材料填充7075铝合金薄壁腔体,进行微孔激光加工背伤防护实验研究。研究表明,填充防护材料的激光加工背伤坑深度相比未填充防护材料时有了大幅降低,流动PAM的背伤防护效果比PUR和石蜡的更好。当PAM的流速达到3.0 m/s时,所有0.5~3 mm间距的型腔在加工50 s以内都没有出现背伤。该研究成果可为后续进行激光打孔状态实时监测并及时关停激光的背伤防护方法提供依据,为实现涡轮叶片等薄壁腔体微孔的无背伤加工提供基础。
激光技术 激光微孔加工 背伤防护 薄壁腔体 填充材料 品质关键因素 中国激光
2021, 48(10): 1002201
