简述了多普勒测风激光雷达测风的意义,报道了多普勒测风激光雷达的发展动态.综合该领域的发展情况,按探测方式的不同,分相干技术和直接探测技术分别讨论了测风激光雷达的应用及其特点,比较了各种系统的性能.

卷云一般分布在对流层上部到平流层下部,它主要由分布在大气高层的各种形状的冰晶粒子组成.冰晶粒子的散射特性在气候模式、辐射传输和遥感领域都具有非常重要的意义.利用Yang等计算的几种冰晶粒子的散射特性数据库,假定卷云粒子谱分布符合Γ分布,得到了卷云的平均单次散射特性,包括实心与中空六棱柱、六角平板、子弹花、聚合物以及星形枝状六种非球形冰晶粒子在短波0.2～5.0μm波段的消光效率因子、吸收效率因子、散射相函数等.展示了卷云短波散射性质随波长、卷云有效尺度和卷云中冰晶粒子形状的变化关系,并分析了其变化的可能原因.

用Li7500 CO2/H2O分析仪直接测量了近海边湿度起伏数据,结合温度脉动仪和超声风速计测量的数据,计算出湿度、温度和温湿相关项的结构常数,研究了湿度起伏对C2n的影响.结果表明:对于可见光,相对于温度起伏而言,湿度起伏和温湿相关项的贡献都很小.实验期间不论是白天还是夜晚,都有与Kolmogorov-5/3谱相近的温度谱和湿度谱存在,并且,在低波数区出现-1次方谱幂率,绝大部分湿度谱幂率值处于-5/3土0.2的区间内.

利用米散射理论和分层球模型考察了典型的海洋型气溶胶粒子在内混合状态下的消光特性,据此分析了以等效折射率描述具有不同折射率的各种成分组成的内混合气溶胶系统的适用性.结果表明:对于单分散系统,在瑞利散射区域和几何光学区域内,不同混合比下消光效率因子的等效性比较好,而在米散射区域(1＜x＜20)内,消光效率因子的等效性较差;对多分散系统,在三种区域内不同混合比下消光截面的等效性都较好.因此,对内混合海洋型气溶胶系统而言,一般可以通过寻找合适的等效折射率计算其消光特性.

根据K41湍流理论和近地面层湍流相似理论,研究了利用超声风速仪探测的常规气象参数计算折射率结构常数C2n的方法,并与温度脉动仪实测的C2n结果进行了比较.分析了获得C2n的两种不同方法的优缺点,同时对通过超声风速仪虚温计算C2n的方法进行了误差分析.分析结果表明,计算得到的C2n在一定条件下较好地满足经验关系.由此可以得到,利用超声风速仪获得的气象要素可以对C2n进行估算.

纯转动拉曼测温激光雷达中采用双光栅单色仪结构的优点是能提供优于10-7的抑制比,能够很好抑制Rayleigh-Mie散射,得到纯度很高的转动拉曼谱,并且能够提高光的透过率,具有长期的稳定性.光纤、透镜、光栅参数的选择及焦板上光斑的精确定位是双光栅单色仪研制成败的关键.在合适的参数下计算出了双光栅单色仪的滤波函数,高低量子数回波信号强度比以及温度随高度的变化,计算出的温度与代入的温度相差约0.3 K,说明此双光栅单色仪的设计是合理的.

介绍了一种新颖的利用激光雷达测量湍流廓线的原理,通过对经过分层大气湍流的光束波面误差的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用一定的算法反演湍流强度廓线.通过大量的实验,验证了通过测量波面误差获得大气折射率结构常数这种方法的可行性.提出了在一定近似条件下利用平面波积分方程的递推算法反演大气折射率结构常数,获得了较为满意的相似度,并且与球面波算法进行了比较,分析了各自的反演效果.

机动车尾气已经成为很多大中城市的主要气体污染源之一,利用基于光谱学的遥测技术可以在不影响车辆正常行驶的条件下快速检测出尾气超标车辆.自行研制的尾气遥测系统结合了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和差分吸收光谱(DOAS)技术,实现了对尾气中CO、CO2、HC、NO和烟尘等污染物的实时测量,并同时识别牌照和采集车辆行驶信息.

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)对环境空气中的甲烷进行了测量.选择不受干扰的1.65μm处的吸收线对甲烷进行浓度监测.在2005年秋季对北京城区的甲烷气体以1min的时间分辨率进行了近1个月的连续监测.甲烷的浓度在19:00左右开始上升,在凌晨01:00左右开始下降,具有明显的周期性.浓度最低值出现在白天,而最大值出现在夜里,给出了甲烷的日变化和连续监测结果.

介绍了用于CO气体检测的非分散红外(NDIR)系统,论述了系统的原理、构成与实现方法.利用CO在红外4.65μm处的特征吸收,通过气体滤波相关技术实现对空气中痕量气体CO的检测,系统响应迅速,测量精度高,并能实现0～50 ppm的测量范围,检测下限10 ppb.

空气动力学粒谱分析仪是一种基于飞行时间气溶胶粒子束光谱技术的仪器,能够实时、在线、连续、高速地测量空气动力学粒径谱.它的标定方法正确与否是仪器准确工作的前提,依据动量定理以及空气动力学理论推导了空气动力学粒谱分析仪的标定公式,并用实验数据进行了曲线拟合,对此公式进行了验证,得出了空气动力学喷嘴中气溶胶颗粒物空气动力学粒径倒数的立方与颗粒物速度的关系可以用多项式进行拟合的结论.

水蒸气是碳氢化合物燃烧的主要产物之一,对其浓度进行测量具有重要的意义.在已有理论基础上推导选择了最佳的拟合线型函数(Voigt线型),结合HITRAN数据库选择了在实验室现有条件下理想的吸收线.理论分析了用两条相邻吸收线的线强比计算温度的可行性,在此基础上建立了一套基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的实验装置,为进一步实验打下了良好的基础.

傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术已经成为研究微量大气组分的有效方法.使用自行组建的开放光程傅里叶变换红外光谱系统于2005年夏季和2006年冬季对北京城区的CO和CO2浓度进行了连续观测,并对测量结果进行了分析.研究结果表明,这两种气体在冬季的浓度值均明显高于夏季浓度值,并且具有类似的变化趋势,基本趋势表现为白天低、夜间高.两次测量的结果表明,这两种气体具有较好的相关性,相关系数分别为0.896和0.856.

为了提高恒星白天观测的能力,提出一种偏振观测的新方法.大气散射具有很强的偏振特性,而恒星星光的偏振度与之相比往往非常小,该方法正是利用大气散射偏振特性与恒星星光偏振特性的差别,从偏振图像中提取恒星,从而提高恒星的识别概率.通过自行研制的偏振图像采集系统对接天文望远镜获取恒星偏振图像,进行恒星的偏振图像提取,实验结果表明该方法能有效地提取恒星目标,实现恒星白天观测.

激光测高仪是一种空间对地探测装置,在众多领域中有重要的应用前景.由于大气传输介质以及系统噪声的影响,需要对测得的数据做精确化处理.采用了抗差估计(IGGⅢ方案)来处理激光测高的数据,与最小二乘法相比,抗差估计既能减小模型偏差又能抗拒异常观测值干扰.

通过实验测定了光纤Michelson干涉仪输出的干涉信号,并由此计算了干涉条纹对比度.从条纹对比度的拟合曲线出发,分析了可能影响光纤干涉仪干涉信号对比度的主要因素,为实验中条纹对比度的进一步提高提供有益的参考.

采用数字频率合成器驱动声光可调滤光器(AOTF)实现红外单色光调谐控制系统,解决了AOTF波长连续、快速扫描的问题.对系统硬件组成做了详细说明,设计了系统性能测试实验.实验结果表明:波长分辨率为15.6～73.1nm,准确性优于2.0nm,重复性优于2.5nm.所得结果为非同向AOTF的应用提供了理论依据.