红外与激光工程
2023, 52(10): 20230025
1 盐城师范学院 物理与电子工程学院 江苏省智能光电器件与测控工程研究中心，江苏 盐城 224007
2 江苏省大气探测激光雷达技术军民融合创新平台，江苏 盐城 224007
3 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
提出了基于双法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模米散射多普勒激光雷达技术，分析了探测原理，并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域，由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数EV随匹配误差的增大而迅速增大；频率匹配误差不变时，EV随风速增大而缓慢减小；当频率匹配误差小于10 MHz时，EV将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数，对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明：在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内，当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时，系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s；在无云条件下，系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。
激光雷达 大气风场 多纵模脉冲激光 法布里-珀罗干涉仪 米散射 lidar atmospheric wind multi-mode pulse laser Fabry-Perot interferometer Mie scattering 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220762
1 盐城师范学院 物理与电子工程学院 江苏省智能光电器件与测控工程研究中心，江苏 盐城 224007
2 江苏省大气探测激光雷达技术军民融合创新平台，江苏 盐城 224007
3 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
提出了基于双级联法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模高光谱分辨率测温激光雷达技术。分析了该技术的温度探测原理，并据此构建温度探测的理论模型，导出了温度和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光发射源的纵模间隔与双级联FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在前级FPI周期性频谱的峰值位置。详细分析了频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差，结果表明：后向散射比越大，相同的频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差就越大；频率匹配误差对温度测量的影响大，为保证低层大气温度测量准确，频率匹配误差和锁定误差应分别小于5 MHz和10 MHz。进一步给出了采用FPI腔长粗扫和细扫相结合的频率匹配校准方法和步骤。设定合理的系统参数，对基于双级联FPI的多纵模测温激光雷达系统的探测性能进行仿真分析。结果表明：在0~20 km高度范围内，通常匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差很小，在2 km以上可忽略不计；若出现云层、沙尘等，对应高度的温度测量偏差将会较大；垂直距离分辨率取30 m@0~12 km和60 m@12~20 km、时间分辨率取1 min时，白天和晚间由噪声引起的温度测量误差分别小于3.7 K和3.5 K，后向散射比相对测量误差分别小于0.40%和0.38%。
激光雷达 大气温度 多纵模脉冲激光 法布里-珀罗干涉仪 瑞利散射 lidar atmospheric temperature multi-mode pulse laser Fabry-Perot interferometer Rayleigh scattering 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220573
1 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
2 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
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统，用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术，用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑，运输方便，具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测，探测结果表明：在大气气溶胶的探测过程中，在重污染条件下混合层高度较干净天低，在0.5 km以下，而干净天在1 km左右；通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知，重污染条件下，底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主，干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主；在云层中，Ang-strom指数明显减小，且出现负值，说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中，采用自标定方法获得系统的标定常数为121，与已标定的激光雷达系统对比，误差在±0.3 g/kg以内；连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求，可广泛运用于大气环境的监测领域中。
激光雷达 气溶胶 水汽混合比 消光系数 Angstrom指数 退偏振比 lidar aerosol water vapor mixture ratio extinction coefficient Angstrom exponent depolarization ratio 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220484
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
4 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
为了后期研制星载高重频激光雷达提供数据校正及仿真，设计研制了一套小视场高重频激光雷达验证系统。对该激光雷达进行详细的光机系统结构设计，利用Zemax软件模拟发射、接收与后继单元光路图。精确计算出出射光束发散角为0.106 mrad，设计新型的光束转向结构确保正入射到扩束器中。在0.4 mm小孔光阑下，接收单元视场角0.25 mrad，在系统焦平面上的小孔光阑偏心不得超过29 μm，选择高精度三维调整结构对小孔光阑精确定位。整机结构设计采用模块化设计方法，以方形框架为基准，不同单元模块安装在其不同位置，高度集成在尺寸为390 mm×390 mm×550 mm以内。对发射单元进行装校，并检测出发散角为0.11 mrad，与仿真结果相比，相对误差为4.1%；对接收与后继单元进行装校，采用平行光管出射的平行光正入射到接收望远镜，获得系统焦点精确位置，完成高精度的装校。通过对系统增益比进行标定实验，得到系统增益比为1.15，并对系统进行探测实验，探测结果：系统在夜晚气溶胶探测距离可达22 km，退偏振比可达10 km。在白天探测距离可达10 km，退偏振比可达6 km，并与太阳光度计比较，光学厚度相对误差为7.1%。整机性能满足设计要求，为后期做飞行实验打好基础。
小视场高重频激光雷达 光机系统设计 装校 性能测试 lidar with small-field of view and high-repetition frequency opto-mechanical system design installation and calibration performance testing 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210046
李路 1,2,3,4庄鹏 1,2,3谢晨波 1,2,3王邦新 1,2,3邢昆明 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 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
4 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明：系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。
多普勒测风激光雷达 激光频率漂移 稳频 碘分子吸收池 温控 Doppler wind measurement lidar laser frequency drift frequency stabilization iodine molecular absorption cell temperature control 红外与激光工程
2021, 50(3): 20200289
1 盐城师范学院物理与电子工程学院江苏省智能光电器件与测控工程研究中心, 江苏 盐城 224002
2 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
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
4 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
分析了传统瑞利-米散射多普勒激光雷达在低层风场中的风速反演误差,结果表明,该激光雷达在±50 m/s风速范围,3 km高度下的风速反演误差达到4~5 m/s。因此,基于S6瑞利-布里渊散射模型,提出了一种基于瑞利-米散射多普勒激光雷达数据反演低层风场和气溶胶后向散射比的方法。仿真结果表明,本方法可以同时反演出风速和气溶胶后向散射比,且精度较高。实测风场反演结果表明,相比传统方法,本方法得到的水平风速廓线与探空气球法得到的结果吻合度较高,在6 km高度下尤为明显,验证了本方法在低层风场反演中的优势。
遥感 多普勒激光雷达 Fabry-Perot干涉仪 瑞利-米散射 中国激光
2021, 48(11): 1110005
