利用研制的探测大气二氧化碳廓线的振动拉曼激光雷达系统采集的氮气分子振动拉曼散射信号,结合激光雷达探测时的大气消光数据,反演求出激光雷达的几何因子曲线。并对气溶胶波长指数变化对振动拉曼信号反演几何因子造成的影响进行分析与估算。气溶胶消光波长指数变化对振动拉曼散射信号反演几何因子会带来较大的误差影响。当气溶胶消光波长指数或其谱分布确定时,振动拉曼散射信号反演几何因子具有简便、可靠等优点,在振动拉曼激光雷达系统几何因子确定中可以充分应用此方法。

Lower tropospheric water vapor measurements are performed at nighttime using the mobile atmosphere monitoring lidar-2 (AML-2) which is operated by the Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics. In this lidar system, a 354.7-nm light from a Nd:YAG laser is used as stimulating source, whose Raman shifted center wavelengths are at 386.7 and 407.5 nm for nitrogen and water vapor, respectively. We present a novel and convenient method for determining the Raman lidar calibration constant according to the scanning performance of this lidar. We are likewise able to realize the measurement of water vapor profile in the low troposphere. The error induced by the uncertainty of calibrated constants is within 7% for the Raman lidar system. Experimental results from two months of study indicate that the method of calibrating the lidar system constant is feasible, and the Raman lidar performance is stable and reliable.

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的测量对流层大气二氧化碳的ARL-1 Raman激光雷达系统,以Nd:YAG三倍频作为发射光源,接收大气中氮气和二氧 化碳的Raman后向散射信号,反演大气中的二氧化碳混合比分布。在ARL-1 Raman激光雷达系统中,设计了测量Raman激光雷达常数的标定装置,实验结果表明, 定标光源LED的稳定度可达99.5%。利用该系统对边界层二氧化碳进行了初步定量测量和分析。

为了解决激光雷达信号的大动态范围引起远距离弱信号的失真问题,采用通过压缩信号的动态范围的方法,设计了一个利用电压调制系统透过率进而压缩激光雷达信号动态范围的方案。计算表明,系统最小透过率为4.05×10-5,可以压缩信号的动态范围达到4个数量级。利用激光雷达后向散射信号的两个方向偏振光,避免了时控光衰减器只透过一个方向偏振光的弊端。研究结果为压缩激光雷达信号动态范围提供了有价值的新方法。

在拉曼(Raman)激光雷达探测CO2实验中所采集的拉曼回波信号具有比较大的统计误差,有效减小统计误差,获得较高的探测精度是非常重要的工作。利用自适应滤波器对拉曼回波信号分段进行数据处理,可得到在分段的各个空间间隔内的随距离几乎不变的CO2混合比统计误差,经过自适应滤波器对信号进行处理后,Raman激光雷达对合肥地区夜晚CO2气体浓度探测达到比较高的测量精度,在1.5-5 km高度范围内,CO2浓度统计误差最大为2.5%,5-8 km统计误差最大为5%,8-10 km统计误差最大为10%。利用此技术也可以量化估计在较高的空间分辨率下满足探测精度要求的激光脉冲数。

大气折射率是影响光电探测领域测量精度的重要因素。为了提高光电测量精度,提出利用纯转动拉曼激光雷达信号反演低层大气折射率廓线的方法。通过接收N2和O2的纯转动拉曼回波信号,由双光栅单色仪分光后获得高低量子信号。根据高低量子信号的比值反演得出大气温度和大气压强廓线,从而获得大气折射指数垂直分布。通过与折射指数理论模型相比较,表明纯转动拉曼激光雷达反演对流层折射指数有较高的精度。给出了多组折射指数廓线的反演结果,得出多天夜晚不同时刻折射指数的特性。结果表明一天中不同时刻折射指数变化较小,7.5 km内最大相对误差约为0.4%; 不同月份之间折射指数波动较为明显,4.5 km内相对误差可达3.5%左右。

介绍了拉曼差分法测量对流层底部污染物O3的基本原理。计算和研究了N2,O2的拉曼光谱强度分布特征,利用O3对N2,O2紫外波段拉曼散射光的不同吸收特性,推导出O3浓度反演公式; 设计了拉曼差分激光雷达(Raman-DIAL)系统,该系统采用双通道分别接收N2和O2对紫外266 nm激光的拉曼散射光,通过拉曼差分法反演大气中O3浓度。分析了激光雷达系统噪声的来源,对双通道滤光片提出了相应的要求; 分析了大气中污染物SO2,NO2在紫外波段的吸收特性对拉曼差分法测量O3的影响及造成的相对误差; 利用差分激光雷达AML-2测得的O3数据模拟了拉曼差分激光雷达系统N2与O2的拉曼信号,从而证实了该方法探测对流层底部大气臭氧含量垂直分布的可行性。

介绍了双光栅转动拉曼激光雷达的双光栅单色仪结构,并推导了相应的雷达公式.利用该公式把双光栅单色仪带宽对雷达反演温度带来的影响,简单地转化成双光栅单色仪带宽内包含的转动拉曼谱线对雷达反演温度带来的影响,结果表明多谱线比值反演的温度小于单谱线反演的温度,最大误差达13 K.

提出了一种确定激光雷达几何重叠因子的新方法。研究了大气分子纯转动拉曼谱线强度分布特征。利用大气分子总的纯转动拉曼激光雷达信号结合瑞利米氏散射激光雷达信号能精确反演激光雷达几何因子。这种方法消除了振动拉曼方法中气溶胶波长指数影响以及水平测量法气溶胶非均匀性的限制。数值模拟结果表明：在大气温度三种分布模型和气溶胶波长指数三种分布模型下几何因子反演的最大相对误差小于0.5%。根据实际激光雷达信号反演得到了系统的几何因子。

在AML-2车载测污激光雷达中,对装有不同气体的拉曼管进行拉曼激发获得相应的强、弱吸收关波长。针对差分雷达激光发射光路转换的特点及提高雷达监测的实时性能要求,基于激光偏振调制原理提出了激光雷达光路分束设计的新方法,对该方法可行性进行了理论分析,并对改进光路的能量损失进行了估算,模拟结果显示改进后的系统延长了仪器的使用寿命,提高了测量的实时性。为提高差分激光雷达实时监测性能提供了一种新方法。