大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024
针对宽谱连续波差分吸收激光雷达（DIAL）的特点，通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号，计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮（NO2）质量浓度反演误差。研究结果表明：当大气气溶胶均匀分布时，NO2质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应，而后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差一般可忽略不计；当大气气溶胶非均匀分布时，气溶胶后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度，且与波长指数成反比。此外，适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO2-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差的近似模型，通过对比模拟计算的结果，验证了近似模型评估NO2质量浓度反演误差的可行性。
大气光学 宽谱差分吸收激光雷达 沙氏成像原理 二氧化氮 气溶胶光学特性
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 山东省气象局大气探测技术保障中心，山东 济南 250031
4 山东省气象防灾减灾重点实验室，山东 济南 250031
5 合肥中科光博量子科技有限公司，安徽 合肥 230011
6 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
为了研究潍坊市夏季臭氧的分布特征，使用差分吸收激光雷达在潍坊市进行观测，分析了晴天和雨天臭氧分布的差别，并统计了无降水日臭氧的垂直分布和日变化特征。结果表明：降水发生前强烈的对流运动和大风会使对流臭氧层变厚，臭氧浓度变低；降水发生在一天中的不同时段，对臭氧污染的影响差异很大；无降水日对流臭氧层主要分布在1500 m以下，呈现白天高、夜晚低的日变化特征，高浓度值常出现在12~18时；在垂直结构上呈现分层的特征，其中，300~500 m高度的臭氧浓度随着高度的增加而增大，且在500 m附近达到极大值，该高度和米散射激光雷达探测的边界层高度基本一致；1500 m高度各个时段的臭氧浓度趋于一致，且自该高度往上臭氧无明显日变化特征，可将该层臭氧浓度作为臭氧预报的大气背景值。
差分吸收激光雷达 臭氧 垂直分布 日变化 浓度廓线 differential absorption lidar ozone vertical distribution diurnal variation concentration profile 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220579
1 大连理工大学光电工程与仪器科学学院, 辽宁 大连 116024
2 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
二氧化氮(NO2) 是一种重要的大气污染物, 严重危害人体健康以及生态系统, 实现 NO2 浓度空间分布探测对大气环境监测与治理具有重要意义。作为一种主动式光学遥感探测技术, 差分吸收激光雷达 (DIAL) 技术可实现大气痕量气体水平和垂直空间分布探测、高架源排放气体监测等, 在大气环境监测领域具有重要应用价值。DIAL 技术通过可调谐激光器向大气中交替发射两束波长相近的激光, 一束激光的波长位于待测气体吸收峰 (λon) , 另一束激光的波长偏离待测气体吸收峰 (λoff) 。根据待测气体对波长为 λon和 λoff 的激光的吸收程度不同, 可通过分析大气后向散射信号的比值从而获得待测气体浓度。详细介绍了 NO2-DIAL 技术的基本理论及测量误差, 并系统性地回顾了 NO2-DIAL 技术的发展历程, 最后对 NO2-DIAL 技术进行了总结和展望。
大气光学 二氧化氮 差分吸收激光雷达 染料激光器 二极管激光器 沙氏成像原理 atmospheric optics nitrogen dioxide differential absorption lidar dye laser diode laser Scheimpflug imaging principle
红外与激光工程
2021, 50(3): 20210033
1 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 中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
基于差分吸收激光雷达反演了气溶胶消光系数、边界层高度以及臭氧的质量浓度，通过大气温度廓线、地面气象要素和空气质量数据以及后向轨迹和海军气溶胶分析与预测系统分析了望都县的一次重污染过程。实验结果表明，观测期间望都县处于东亚大槽系统的控制下，近地面层100~200 m内一直存在逆温层。颗粒物污染严重时，地面相对湿度较高、风速较小，高空有弱下沉气流，这有利于颗粒物的吸湿增长和长时间聚集；且边界层的高度始终较低，不利于污染物的扩散。此外，边界层高度与颗粒物质量浓度没有明显的相关性，但与能见度呈负相关，相关系数为-0.344。臭氧的质量浓度与气温和能见度呈正相关，与相对湿度、边界层高度和风速呈负相关。本地的静稳天气以及外地污染源传输是造成本次望都县空气污染的主要原因。
大气光学 差分吸收激光雷达 重污染 气象条件 边界层高度 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0901002
中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
大气二氧化碳作为最重要的温室气体之一, 它的变化和分布备受关注, 差分吸收激光雷达(DIAL)系统是探测大气二氧化碳浓度的重要手段, 对于研究温室气体的源和汇具有重要意义。 主要研究正弦调制连续波差分吸收激光雷达在水平路径上探测CO2平均浓度, 利用HITRAN数据库中CO2及H2O的吸收光谱, 综合考虑CO2的吸收截面及H2O的干扰, 选择差分吸收激光雷达的工作波长On-line: 1 572.335 nm, Off-line: 1 572.180 nm; 声光调制器取代电光调制器对连续波激光强度进行正弦波调制, 两路调制信号频率有细微差别, 其中On-line调制频率为101.833 kHz, Off-line调制频率为99.733 kHz; On-line光源激光器通过光谱调制技术将激光频率锁定在气体池吸收峰1 572.335 nm处, 并采用在相位调制器上施加直流偏置反馈电压来消除相位调制器的残余幅度调制(RAM), 使波长锁定精度大幅提高, 激光频率锁定系统实现On-line光源激光器在12小时输出波长均方根误差为0.05 pm; 在CPU中实现快速傅立叶变换获取回波光信号和发射监视端激光强度的功率谱, 并选择窗函数和频谱校正算法来提高计算精度; 通过调制连续波激光强度的正弦波相位鉴别获取路径的长度; 系统光路为光纤光路, 使其结构紧凑; 对系统进行外场实验和对比实验; 获取上海市区1.3 km路径上二氧化碳平均浓度, 实验数据显示系统观测精度为4 ppm(百万分之一), 且探测到的CO2日变化趋势与二氧化碳点探测器LI-7500A探测到的日变化趋势相吻合。
路径积分差分吸收激光雷达IPDA CO2柱浓度(混合比) 声光强度调制 激光频率锁定 激光相位测距 Integral path differential absorption lidar IPDA CO2 column-averaged mixing ratios Acoustic-optic intensity modulation Laser frequency locking Phased laser rangefinders 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3653
Author Affiliations
Abstract
National Key Laboratory of Tunable Laser Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin150001, China
A single-frequency pulsed holmium-doped yttrium lithium fluoride (Ho:YLF) amplifier pumped by a Tm-doped fiber laser was demonstrated. The seed was an injection-seeded Q-switched Ho:YLF laser. The output energy from the single-frequency pulsed amplifier was 24.2 mJ, with a pulse width of 250 ns at a pulse repetition frequency (PRF) of 100 Hz. The energy stability during 30 min was improved to 1% after the single-frequency pulsed Ho:YLF laser was amplified. The line width of the single-frequency pulsed spectrum of the Ho:YLF amplifier was 2.81 MHz. The single-frequency pulsed Ho:YLF amplifier can be applied to differential absorption lidar (DIAL), since its output spectrum is around the P12 CO2 absorption line.
differential absorption lidar Ho:YLF amplifier P12 CO2 absorption line single frequency High Power Laser Science and Engineering
2020, 8(4): 04000e39
1 南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
2 中国计量科学研究院 热工计量科学研究所, 北京 100013
吸收式激光雷达在大气环境探测领域中发挥着重要作用, 其数据的准确性、复现性以及不同系统测量结果的可比性都直接影响到系统测量数据对环境治理工作的价值。基于气体分子对光波的差分吸收原理, 设计了一体化吸收式激光雷达校准系统, 采用与多种不同标准浓度气体对比的方法实现对雷达系统的精确校准。通过对雷达校准系统的核心部件--多程反射腔进行了仿真模拟, 确定了系统中反射腔镜片的相关参数。最后利用甲烷气体对这一标定系统进行了测试。实验表明, 该校准系统可以在一个大气压内实现对激光雷达的快速校准。
大气光学 吸收式激光雷达 校准系统 多程反射腔 atmosphere optics differential absorption lidar calibration system multi-pass reflective cavity
1 中国科学院上海技术物理研究所, 中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
大气压力是最重要的气象要素之一。为了实现空间激光遥感大气压力,需要先进行必要的地基激光雷达探测实验研究。以单纵模Nd∶YAG激光器的二倍频532 nm激光脉冲作为泵浦源,以KTP(KTiOPO4)晶体作为非线性转换介质的光参量振荡器和光参量放大器,产生了760.236 nm和760.307 nm 波长的两种激光脉冲,脉冲能量为40 mJ,采用?350 mm望远镜接收大气的后向散射,从而获得了不同高度处与激光雷达之间双波长的差分光学厚度。有效探测高度为500~4000 m,时间分辨率为1~5 min。实验结果表明,差分光学厚度对应着大气层不同高度处与激光雷达间的压力差,其对应关系的数值表达是可以期待的。
遥感 遥感器 差分吸收激光雷达 光参量振荡器 光参量放大器 差分光学厚度 大气压力
