简述单光子探测器对于激光云高仪研究的重要作用。在了解单光子探测器SPAD基本工作原理的基础上,搭建SPAD的被动抑制电路,实验得出SPAD的死时间 在2 μs以上,只能适用于单光子计数率小于500 kHz的场合。为了减少单光子探测器的死时间,提高单光子计数率,设计了雪崩被动淬灭电压主动恢复的 混合抑制电路,通过精密的时序控制,探测器的死时间缩短为100 ns,单光子计数率上升至10 MHz。理论上激光云高仪的空间分辨率可达15 m,单光子探 测器SPAD混合抑制电路对于激光云高仪的工作性能以及顺利研制有着重要意义。

云高、云量的自动化仪器定量观测对于气象业务非常重要,不同数据的有效融合分析对于气象业务来说 意义重大。云测量系统硬件上集成了激光云高仪、全天空成像仪探测模块,使得云高、云量的观测数据 在时间、地点上高度统一,结合激光云高仪的剖面数据和全天空成像仪的云二维分布数据做了初步融合 分析,进行精确的云高判别、云量反演与云种分类研究。通过数据融合,利用全天空图像可以消除云高 仪在雾霾天气下对云底的误判,同时利用云高数据可以估计全天空云的空间分布而对云进行了更精确的 分类。实际上,将云高、云量数据融合分析是气象业务观测的发展方向。

利用激光云高仪数据资料, 得出气溶胶后向散射系数时序图、消光系数廓线图以及能见度, 结合探空资料、自动气象站数据以及能见度仪数据, 综合分析了雾霾天气过程.结果表明:雾霾天气的出现受气象要素的影响较大, 静、小风有利于霾的出现, 较高的相对湿度有利于雾霾共存, 并且对能见度产生较大影响; 雾后向散射强度较大, 后向散射系数在垂直方向变化率大, 出现高度较低; 霾后向散射强度较小, 霾空间分布均匀, 后向散射系数垂直变化小, 出现高度较高.利用激光云高仪数据反演水平能见度和垂直能见度, 所得水平能见度与能见度仪所测能见度基本一致.垂直能见度与相对湿度日变化趋势大致相反, 与风速日变化趋势基本一致; 分析雾和霾天气下后向散射系数随时间变化特征发现, 雾霾天气下傅里叶变换的功率谱分布, 与雾和霾的边界特征相对应.

为了比较几种自动化测云仪器的性能,中国气象局气象探测中心在南京信息工程大学的 气象探测基地首次组织了一次为期近5个月的比对试验,试验仪器包括四台激光云高仪、 两部红外测云仪、一台全天空成像仪以及一部毫米波云雷达。对其中大部分仪器取得的 三个月云底高度数据进行了初步分析,结果表明:三台激光云高仪测量结果比较一 致;两部红外测云仪在测量低云时一致性稍差;云雷达与激光云高仪测量的最 低层云底高度数据一致性较差,但与红外测云仪的测量结果匹配较好。

根据云高仪工作原理，从米散射激光雷达方程出发,推导出一种低层大气中气溶胶消光系数边界值的获取方法，并在此基础上利用Fernald方法反演得到了大气消光系数的垂直分布；通过垂直路径上的消光系数反演得到垂直路径的平均能见度，结果表明,该平均能见度更接近垂直方向真实的能见度。用该算法处理了半导体激光云高仪实际测量的数据，并与Vaisala云高仪测量的垂直能见度进行了对比，结果表明:该算法在反演大气垂直能见度时具有较高的准确性和可靠性。

云高测量有多种方法,采用激光技术实时观测云高是发展的方向,国内外也已经有了激光云高仪(计)的样机或初级产品。 从实用要求上看,激光云高仪需在野外环境全天候自动连续运行,而目前的产品在环境适应、工作稳定、自动化程 度、数据的可靠性以及体积、能耗、成本等诸多问题还需要努力优化和改进。对其中的核心技术单元-激光云高仪 控制器进行了全新的技术开发,使上述问题得到了综合性改进。介绍了激光云高仪控制器的总体结构和初步技 术参数,并简述了其数据采集与处理,数据显示与存储,自控过程和软件部分。

云是气象预测和航空航海等领域中非常重要的因素之一，所以对云进行观测具有重要的现实意义。而云量作为其中重要的气象参数之一，已成为气象观测的重要内容。目前，对于云量的观测主要还是靠目测，由于各种因素的影响导致误差较大。测量云量是激光云高仪的一个重要应用。提出了一种激光云高仪云量自动反演算法，算法以激光云高仪单点测量数据为基础构造一个关于时间和云层高度的二维图像，按照云层所占用的时间比率进行反演计算云量。对比实验验证表明，算法能较为准确地反演出云量信息，对激光云高仪具有实用价值。

针对半导体激光云高仪回波信号所含噪声的特点,提出并详细论述了一种能够对半导体激光云高仪回波信号进行 有效消噪的小波自适应阈值方法。为了验证该方法的有效性,对包含高斯白噪声的模拟信号进行了仿真消噪,并对 半导体激光云高测量系统实际探测得到的大气回波信号进行了消噪处理。同时,将该方法与小波模极大值消 噪、小波分解重构、小波默认阈值的消噪效果进行了对比分析。仿真和实验结果表明,小波自适应阈值方 法能够有效降低半导体激光云高仪回波信号中所含噪声,并且其消噪效果明显优于另外三种小波分析方法。

根据普通二极管良好的温度特性以及其在结构和功能上的优势, 提出一种利用二极管 1N914来实现半导体激光云高仪 APD探测器的温度补偿的方法, 来消除在环境温度发生变化时 APD探测器的温度漂移, 使 APD保持稳定的探测灵敏度。经过实验验证, 该电路对 APD反向偏置电压的温度补偿情况良好、能够在环境温度变化的情况下获取稳定的、高增益的后向散射信号, 且该电路具有结构简单、工作可靠、成本低、功耗少等诸多特点。

半导体激光云高仪 APD探测器获取的大气气溶胶后向散射信号信噪比较低, 难以直接用于反演云高、垂直能见度等大气参数。针对后向散射信号的这种特点, 提出了一种半导体激光云高仪时序控制和信号处理实现方案, 在完成后向散射信号的高速采集、分段累积平均的同时实现整个系统发射、接收、维护、数据存储和上传等复杂时序控制。经对比实验验证, 该方案工作情况良好, 能够明显提高后向散射信号信噪比、帮助大气参数的反演。