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
二向色镜及偏振分光棱镜作为常用的光学器件，近年来在大气探测偏振激光雷达中得到了广泛使用。但两种光学元件性能上的非理想特性与安装时存在的偏振误差夹角等问题在一定程度上会对大气探测后向散射光的退偏比造成影响。针对偏振激光雷达标定中通常只考虑偏振分光棱镜影响的问题，通过仿真模拟分别分析了二向色镜、偏振分光棱镜以及二者级联下对大气中气溶胶的退偏比影响，并给出了误差分析。以532 nm和1064 nm两种波长下的沙尘粒子与卷云的后向散射光作为输入进行模拟计算，结果显示，常用的长波通二向色镜对模拟输入光源在1064 nm透射通道下有7.111%的退偏比变化，在532 nm反射通道下有3.012%的退偏比变化。对偏振分光棱镜而言，输入为532 nm及1064 nm处探测的沙尘粒子退偏比会分别产生21.333%和27.3%的相对误差变化，532 nm处探测的卷云退偏比会产生14.2%的相对误差变化。两种光学元件在存在偏振误差夹角时均会带来额外的退偏比误差增量，在两种光学元件级联条件下，对模拟光源的退偏比也表现出累加性的误差增大。
偏振激光雷达 二向色镜 气溶胶退偏比 误差分析 光学学报
2023, 43(24): 2428002
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026
2 南京大学 大气科学学院，江苏 南京 210023
激光雷达具有探测距离远，分辨率高，对气溶胶浓度变化敏感等优势，偏振激光雷达还能够对粒子形态做区分，根据消光系数及退偏比值识别云、雾、烟尘等。利用偏振激光雷达进行扫描观测，可以实现火灾烟尘的快速识别。通过对不同波长的激光雷达探测距离进行仿真，结果表明，波长为1064 nm的激光雷达探测距离为532 nm波长的1.3~1.4倍。通过优化扫描策略及算法，可剔除固定障碍物及临时移动障碍物的影响。为避开安装点位周边高度相近的障碍物，通常会给激光雷达设置一定仰角，对存在探测仰角时产生的水平距离偏差及垂直高度测量偏差进行计算，当激光雷达探测仰角为2°时，6 km处测量高度偏差为209.397 m。使用高斯烟羽模型对烟尘浓度分布进行仿真，当大气稳定度为B，平均风速为1 m/s时，200 m高度处烟尘浓度分布高值点距地面火点的径向距离≥1 km，为火点准确定位提供了修正依据。分别在辽宁省盘锦市盘山县绕阳湖景区，广东省东莞市观音山森林公园进行外场实验，偏振激光雷达在开阔地带及多障碍物山体地带下，均能够快速识别烟尘。
偏振 激光雷达 退偏比 遥感 烟火监测 polarization lidar depolarization ratio remote sensing fire smoke monitoring 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220508
1 北京理工大学 光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室， 北京 100081
2 中国气象局气象探测中心， 北京 100081
基于激光雷达连续观测数据反演得到的多种气溶胶光学参数，包括气溶胶后向散射系数(355/532/1064nm)、消光系数(532/607nm)、退偏比(532p/532s)、激光雷达比(532nm)及波长指数(355/532nm和532/1064nm)，分析了2019年10月北京城区三种不同污染事件(空气污染/污染沙尘/纯沙尘)的气溶胶光学特性。结果表明，空气污染气溶胶退偏比(波长指数)为0.10±0.02(1.2±0.19)，激光雷达比(43±7sr)相比典型城市污染气溶胶偏低，可能与硝酸盐等水溶性气溶胶吸湿增长或二次有机气溶胶的生成有关; 污染沙尘退偏比(波长指数)为0.19±0.03(1.0±0.35)，激光雷达比为51±7sr; 纯沙尘相比前者退偏比(0.25±0.03)较大，波长指数(0.11±0.44)较小，激光雷达比为40±4sr。
激光雷达 气溶胶 沙尘 激光雷达比 退偏比 波长指数 lidar aerosol dust lidar ratio depolarization ratio A°ngstrm exponent
1 浙江大学 光电科学与工程学院 现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027
2 宁波钢铁有限公司 浙江 宁波 315807
3 浙江大学 宁波研究院 浙江 宁波 315100
增益比定标误差是影响偏振激光雷达退偏比精度的主要因素之一，观测前必须进行准确的增益比定标。本文分析了现存多种增益比定标方法的基本原理，并通过实验对比了+45°法、±45°法、∆45°法、旋转拟合法与退偏器法等增益比定标方法的定标准确性与优缺点。实验结果表明：∆45°法、±45°法与旋转拟合法在对准偏失角较小的情况下定标相对准确，但±45°法与旋转拟合法操作较为繁琐。+45°法在无对准偏失角的情况下定标误差仍较大。退偏器法操作最简便，但会受到非理想退偏器的制约。通过理论分析与实验对比，本文给出了增益比定标方法的最佳选择，即在一般情况下采用∆45°法定标，在有高精度退偏器的情况下采用退偏器法定标。
偏振激光雷达 增益比 定标 退偏比 polarization lidar gain ratio calibration depolarization ratio
1 江苏省气象探测中心，江苏 南京 210009
2 南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
为深入了解云粒子尺度谱和形状分布，研究云的微物理特性，研制了一种偏振云粒子探测器。该探测器可以同时接收粒子的前向和后向散射能量。通过前向的质量控制通道对探测区域进行控制，根据后向散射的水平和垂直通道获得粒子的退偏比。使用几何光学近似方法，对几种椭球和六棱柱粒子在探测器中的散射特性进行了模拟。模拟结果表明：粒子前向散射截面与其等效半径正相关；扁状粒子与长形粒子相比，前向散射能力更强，后向散射退偏比更小；椭球粒子退偏比一般要小于六棱柱粒子。所模拟的粒子散射数据验证了所研制探测器用于云粒子探测的可行性，并为其实现非球形粒子的尺度谱和形状探测提供了反演依据。
散射 云粒子探测器 光散射 几何光学近似 退偏比 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0529003
1 中国人民解放军陆军军官学院, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
基于激光诱导荧光(LIF)原理和弹性散射作用于非球形粒子上产生的偏振特性, 设计研制了短距测量荧光和偏振激光雷达: 采用了三个激光光源、两个接收望远镜、一个退偏组件和一个荧光光谱特征分析光谱仪, 设计遥测探测距离为200 m至数千米。荧光测量采用了Nd:YAG激光器的三倍频355 nm和4倍频266 nm输出, 激光束脉冲宽度约为6 ns, 重复频率为20 Hz, 荧光接收光学及光谱分析子系统由25.0 mm口径的f/4牛顿望远镜, 车尔尼特纳光谱仪和32通道的光电倍增管(PMT)等组件组成; 偏振和弹性散射信号由孔径12.5 mm的卡塞格林望远镜接收。荧光测量的信噪比仿真计算表明: 以最小SNR=10作为参照, 在1 km距离上, 白天探测不到数浓度为10 000个/升的战剂云团, 但在夜间则可以获得较好的信号强度; 偏振测量结果初步分析表明: (1)退偏比表现出较强的波长依赖性; (2)多波长退偏比测量可以显著提高生物战剂的鉴别能力。
生物战剂 激光雷达 荧光 退偏比 测量 bio-agents lidar fluorescence depolarization ratio measurement SNR SNR 红外与激光工程
2017, 46(10): 1030004
1 陆军军官学院 基础部 物理教研室, 安徽 合肥 230031
2 陆军军官学院 偏振光成像探测技术安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 陆军军官学院 基础部 物理教研室, 安徽 合肥 230031,
4 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
5 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
后向散射激光雷达是探测大气气溶胶参数的有力工具, 但它存在盲区和过渡区, 且需要假设气溶胶的消光后向散射系数比来反演气溶胶的参数, 这些限制了它的探测范围和精度。集侧向散射、后向散射和拉曼散射于一体的单波长发射五通道接收激光雷达系统, 克服了上述困难。该激光雷达可以探测气溶胶的退偏比廓线、水汽混合比廓线、后向散射系数廓线和消光系数廓线等。气溶胶后向散射系数和消光系数可从地面到对流层顶进行探测, 气溶胶退偏比廓线可以在对流层内进行探测,水汽混合比廓线可以在边界层内进行探测。在硬件条件的基础上, 分析了各通道的信噪比和探测结果的随机相对误差。实例探测表明: 该激光雷达系统数据可靠, 探测范围较广。该系统的建立, 为进一步深入研究气溶胶消光系数、水汽时空分布以及它们之间相互关系奠定了坚实的实验基础。
大气光学 大气散射 激光雷达 后向散射系数 水汽混合比 退偏比 atmospheric optics atmospheric scatter lidar backscattering coefficient water vapor mixing ratio depolarization ratio 红外与激光工程
2017, 46(10): 1030002
南京信息工程大学大气物理学院中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 江苏 南京 210044
利用离散偶极子近似法研究了旋转椭球体沙尘气溶胶粒子模型在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55 μm对应有效半径为0.01~2 μm)的线退偏比特性。通过分析比较不同轴半径比时线退偏比特性的差别，研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶粒子退偏比特性的影响。对单分散系，旋转椭球体沙尘气溶胶的线退偏比在瑞利散射区和米散射区随散射角的变化有不同的分布特征；在瑞利散射区，散射角分别为0°和180°的前后向散射方向，线退偏比较小，其值在1%的量级，而在散射角为90°附近的侧向，线退偏比有最大值，可达100%；在米散射区，线退偏比则无明显的极值分布，但有明显的后向增强；单分散沙尘粒子明显的非球形性特征，会增加在瑞利散射区的线退偏比，但却不会明显增加米散射区的线退偏比。而对多分散系，除了出现线退偏比最大值的侧向附近(80°~100°)之外，沙尘粒子非球形性特征越明显，其线退偏比越大。
散射 沙尘气溶胶 线退偏比 旋转椭球体
1 安徽工业大学数理学院, 安徽 马鞍山 243002
2 安徽工业大学后勤与基建管理处, 安徽 马鞍山 243002
提出了一种机载激光雷达偏振探测方案，该方案去掉了传统方案中偏振探测的“瓶颈”通道垂直探测通道，能够减小532 nm非偏振探测通道和532 nm偏振平行探测通道在进行偏振探测时回波信号的差距，两通道回波信号的比例可人为调整。在与传统方案能量配置相同的情况下，加强了偏振探测通道的探测能力。这种方案能减小532 nm对卷云进行偏振测量时光电倍增管饱和的几率，降低激光器的能量配置，实现真正的532 nm与1064 nm双波长探测。
大气光学 机载激光雷达 偏振垂直探测通道 卷云 退偏比 激光与光电子学进展
2013, 50(4): 040103
西安理工大学 机械与精密仪器工程学院, 西安 710048
以单脉冲能量2 μJ, 重复频率1 kHz的Nd∶YAG固体激光器为光源研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达系统, 可实现对城市底层气溶胶球形特性和分布情况的探测.为保证在西北地区等高密度气溶胶聚集的地域, 实现近地表80~1 000 m范围内的精确探测, 系统的光电检测采用模拟探测技术.利用该激光雷达系统首次对冬季西安局部地区1 000 m范围内大气气溶胶退偏比进行了俯仰扫描探测, 并分析了天气过程和地面状况对退偏比的影响.实验结果表明, 探测期间无明显沙尘事件发生, 探测区域内气溶胶的退偏比在0.1左右, 在无绿化带的交通干道交叉口等局部区域, 受地面状况影响退偏比偏高, 并获得了退偏比值与天气过程的初步关系, 同时也验证了系统的可行性.研究成果可对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究提供科学数据.
气溶胶 退偏比 微脉冲偏振激光雷达 Aerosol Depolarization ratio Micro-pulse polarization lidar
