1 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
2 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
3 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统，用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术，用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑，运输方便，具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测，探测结果表明：在大气气溶胶的探测过程中，在重污染条件下混合层高度较干净天低，在0.5 km以下，而干净天在1 km左右；通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知，重污染条件下，底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主，干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主；在云层中，Ang-strom指数明显减小，且出现负值，说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中，采用自标定方法获得系统的标定常数为121，与已标定的激光雷达系统对比，误差在±0.3 g/kg以内；连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求，可广泛运用于大气环境的监测领域中。
激光雷达 气溶胶 水汽混合比 消光系数 Angstrom指数 退偏振比 lidar aerosol water vapor mixture ratio extinction coefficient Angstrom exponent depolarization ratio 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220484
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 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场，搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理，使用转台式探测结构，通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪，确保测风的精度。实验结果表明，该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好，频率跟踪的范围为±50 MHz，可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测，在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后，随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km，夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比，风速误差均小于10 m/s，其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%，探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致，误差范围在10°~20°之间，在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析，结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。
直接测风激光雷达 大气风场 法布里-珀罗干涉仪 瑞利散射 direct wind lidar atmosphere wind field Fabry-Perot interferometer Rayleigh scattering 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220412
曹也 1,2,3,*程亮亮 1,2,3杨昊 1,2,3方志远 1,2,3[ ... ]谢晨波 1,2,3
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大气光学重点实验 室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
激光雷达作为大气探测的有效手段之一, 逐渐向小型化、轻量化的趋势发展。针对激光雷达的功能专用性, 基于现场可编程门阵列 (FPGA) 对探测、采集系统进行了集成优化设计。逻辑中各模块之间通过握手协议和同步有限状态机有序配合完成数据链路的构建和传递。系统以 FIFO 作 为 ADC 的数据存储器, 通过 AXI 总线协议配合 Xilinx MIG IP 有序将 FIFO 的数据突发缓存到 DDR 中, 并且通过千兆以太网完成对采集数据的传输。该激光雷达数据采集卡集成光电倍增管增益控制和回波信号采集功能, 并采用兼容性硬件和逻辑设计, 具有集成度高、增益调节便捷且精度高、采集快速方便以及快速适配等诸多优点。
激光雷达 光电倍增管 数据采集 千兆以太网 现场可编程门阵列 lidar photomultiplier tube data acquisition Gigabit Ethernet field programmable gate array 程亮亮 1,2,3,4谢晨波 1,3,*杨昊 1,2,3方志远 1,2,3[ ... ]邢昆明 1,3
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，合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，合肥 230037
4 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，合肥 230601
以北京市2015年1月11-17日发生的连续灰霾污染过程为例，采用地基和星载激光雷达联合观测，反演得到气溶胶的垂直分布特征。由MODIS卫星遥感数据和HYSPLIT后向轨迹模式分析得出污染来源和传输路径，结合地面空气质量和气象观测数据揭示了本次污染的成因。结果发现，根据激光雷达数据反演的近地面气溶胶消光系数与地面PM2.5浓度变化总体较为一致，而气溶胶边界层高度与PM2.5浓度呈相反变化趋势，且最低边界层高度为500 m。污染期间为小风高湿天气，地面平均风速和相对湿度分别为1.35 m/s和66%，连续多日逆温层的出现抑制了污染物在垂向空间的扩散传输，逆温强度高达5℃，这两方面因素导致污染物的持续积累，最终，在16日凌晨，PM2.5浓度达到448 μg/m3。污染最后在16日偏南风的作用下得以解除，PM2.5浓度的下降速度达到82 μg/（m3·h）。观测期间，PM2.5与NO2、CO的相关系数分别为0.766和0.901，呈显著正相关，可见NO2等气态前体污染物转化而来的二次气溶胶是霾的重要来源。综合分析表明，本次污染以灰霾为主，由区域传输和局地排放的气溶胶叠加、累积而成，河北南部及河南、山西等地的污染物随高空气团传输到北京地区，与本地排放的污染气溶胶混合在一起，导致污染加重。
污染 激光雷达 边界层 CALIPSO MODIS 后向轨迹 Pollution Lidar Aerosol boundary layer CALIPSO MODIS Backward trajectory
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 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
为了后期研制星载高重频激光雷达提供数据校正及仿真，设计研制了一套小视场高重频激光雷达验证系统。对该激光雷达进行详细的光机系统结构设计，利用Zemax软件模拟发射、接收与后继单元光路图。精确计算出出射光束发散角为0.106 mrad，设计新型的光束转向结构确保正入射到扩束器中。在0.4 mm小孔光阑下，接收单元视场角0.25 mrad，在系统焦平面上的小孔光阑偏心不得超过29 μm，选择高精度三维调整结构对小孔光阑精确定位。整机结构设计采用模块化设计方法，以方形框架为基准，不同单元模块安装在其不同位置，高度集成在尺寸为390 mm×390 mm×550 mm以内。对发射单元进行装校，并检测出发散角为0.11 mrad，与仿真结果相比，相对误差为4.1%；对接收与后继单元进行装校，采用平行光管出射的平行光正入射到接收望远镜，获得系统焦点精确位置，完成高精度的装校。通过对系统增益比进行标定实验，得到系统增益比为1.15，并对系统进行探测实验，探测结果：系统在夜晚气溶胶探测距离可达22 km，退偏振比可达10 km。在白天探测距离可达10 km，退偏振比可达6 km，并与太阳光度计比较，光学厚度相对误差为7.1%。整机性能满足设计要求，为后期做飞行实验打好基础。
小视场高重频激光雷达 光机系统设计 装校 性能测试 lidar with small-field of view and high-repetition frequency opto-mechanical system design installation and calibration performance testing 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210046
李路 1,2,3,4庄鹏 1,2,3谢晨波 1,2,3王邦新 1,2,3邢昆明 1,2,3
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 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明：系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。
多普勒测风激光雷达 激光频率漂移 稳频 碘分子吸收池 温控 Doppler wind measurement lidar laser frequency drift frequency stabilization iodine molecular absorption cell temperature control 红外与激光工程
2021, 50(3): 20200289
1 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
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
通过匹配星载CALIOP过境合肥时间,筛选Aerosol-lidar的观测数据,选取4个典型天气个例[沙尘天气、多云天气、中度污染(无云)、中度污染(有云)],对合肥地区的气溶胶进行联合观测,并对气溶胶的类型、气溶胶的变化、气溶胶污染的成因及来源进行分析。结果表明,多云天气下,星载激光雷达对底层气溶胶探测时会受到天气的影响,而地基激光雷达的探测效果较佳,可以通过定点连续观测距离的校正信号准确地反映气溶胶含量和变化特点。星-地激光雷达的联合观测可以更好地分析多种复杂天气的气溶胶变化。联合观测结果表明:轻度污染的沙尘型和受污染的浮尘型气溶胶主要集中在0.8~1.6km高度范围内,退偏振比集中在0.18~0.20之间;多云天气的气溶胶主要为污染大陆型,集中在0.4~1.2km高度范围内,其退偏振比在0.015~0.020之间,气溶胶含量很少且为具有球形粒子属性的细颗粒物;中度污染(无云)天气的气溶胶同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.3~1.3km高度范围内,退偏振比在0.08以下,具有明显的球形粒子属性;中度污染(有云)天气的气溶胶也同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.8~1.4km高度范围内,退偏振比在0.075~0.100范围内,为粒径较小的球形粒子。
遥感 星-地联合激光雷达 气溶胶变化 垂直分布 退偏振比
李路 1,2,3,4庄鹏 1,2,3,*谢晨波 1,2,3王邦新 1,2,3邢昆明 1,2,3
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，合肥23003
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，合肥3006
3 先进激光技术安徽省实验室，合肥2007
4 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽六安237012
研制了一台基于法布里-珀罗标准具的多普勒测风激光雷达系统，发射激光波长为532 nm，采用300 mm口径望远镜接收回波信号，能够同时探测从边界层到对流层顶的大气风场.为提高法布里-珀罗标准具透过率曲线扫描的准确度，在接收机光路严格装调基础上，通过脉冲光直接对三通道法布里-珀罗标准具频谱进行扫描，通过高速采集卡采集脉冲信号并进行拟合积分得到准确的脉冲信号强度，采用非线性最小二乘法拟合得到FPI-1、FPI-2和FPI-L的谱宽分别为1.20 GHz、1.22 GHz、1.18 GHz，峰值透过率分别为0.817、0.807、0.768，FPI-1和FPI-2及FPI-1和FPI-L的峰峰间隔分别为3.91 GHz和1.25 GHz.在风场观测试验中，通过多次测量同一方向上径向风速得到，91%的测量方差小于4 m/s，在水平风场观测中，该系统白天探测高度为13 km，夜间可达17 km，并与探空气球进行对比，从1.5 km至10 km范围内二者吻合较好.
多普勒激光雷达 法布里-珀罗标准具 透过率曲线校准 大气风场 探空气球 Doppler lidar Fabry-Perot etalon Transmission curve calibration Atmospheric wind field Sounding balloon
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；中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026；先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037；皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
2 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；中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026；先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
气溶胶辐射强迫效应主要通过气溶胶与辐射相互作用(aerosol-radiation interaction, ARI)和气溶胶与云相互作用(aerosol-cloud interaction, ACI)两种途径来影响地球辐射收支平衡，联合国气候变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在第五次报告指出，气溶胶与云的相互作用是最主要的不确定性辐射强迫因子之一。在云–气溶胶全球探测领域中，星载云–气溶胶遥感雷达的探测能力与发展方向对研究者们研究全球云–气溶胶分布特点越来越重要。首先对星载云–气溶胶遥感雷达技术的应用现状进行了分析，并针对典型星载云–气溶胶激光雷达（激光雷达空间技术实验LITE、正交偏振云–气溶胶激光雷达CALIPSO、云–气溶胶传输系统CATS、大气激光雷达ATLID）的探测任务、光机系统参数、结构及材料等技术特点进行了详细的分析研究；其次从工作机制、光机系统结构、应用材料和探测能力等方面对各星载云–气溶胶激光雷达系统特点进行了对比，提出星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构设计特点与方法；最后分析了当前星载云–气溶胶激光雷达系统技术特点及发展方向，为我国发展星载云–气溶胶激光雷达提供技术方向及发展建议。
地球辐射 星载云–气溶胶激光雷达 遥感技术 光机结构 Earth’s radiation space-borne lidar for cloud-aerosol remote sensing technology opto-mechanical structure 红外与激光工程
2020, 49(8): 20190501
1 中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术、波长调制技术和 二次谐波检测方法,利用CO和CO2在1579 nm处的泛频吸收特征,结合改造后的单孔道吸烟机,建立了卷烟主流烟气逐口检测系统。 实验结果表明:气体浓度与其二次谐波强度的线性度较好,系统响应速度较快,精度能达到检测要求, 逐口检测稳定性、重复性和灵敏度均较好。同类型卷烟主流烟气中CO、CO2的逐口释放量除第1口之外, 均呈递增趋势,CO2的逐口释放量和递增速率均比CO的大,且不同类型的卷烟遵循相同的规律。 所建系统具有检测速度快、时间分辨率高、结构简单等优势,在卷烟烟气有害物质的快速检测领域具有较好的应用前景。
光谱学 同时检测 可调谐二极管激光吸收光谱 卷烟烟气 spectroscopy simultaneous detection tunable diode laser absorption spectroscopy cigarette smoke CO CO CO2 CO2
