提出一种基于偏振比检测和支持向量机的颗粒物实时检测与分类方法。采用双波长的半导体激光器作为光源，使用高灵敏度的雪崩光电二极管分别测量散射光的两个偏振分量，计算出单个颗粒散射光的偏振比，从而实现颗粒分类与识别。结合支持向量机算法与神经网络模型可进一步提升颗粒物的分类精度。针对所研究的二元及三元分类场景，分类精度分别由64%和83%提升至100%和98%。该方法在制药、化妆品以及工业生产控制与检测等领域具有很好的应用前景。
光散射 偏振比 支持向量机 颗粒检测 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412007
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, 安徽 合肥 230026
采用OPAC (Optical Properties of Aerosols and Clouds) 模型提供的沙尘粒子谱分布和复折射率参数，结合多个入射波长，对群体沙尘气溶胶粒子的退偏振比进行了数值模拟计算。计算获得1064 nm、532 nm和355 nm入射波长下，不同轴比超椭球模型的沙尘气溶胶粒子群体的退偏振比分别为0.317，0.397和0.446，其中1064 nm波长的仿真结果与实际观测结果一致性最好，其次是532 nm波长的仿真结果，355 nm波长的仿真结果和实际观测结果有较大差异，其可能原因为采用了相同数目偶极子导致计算误差增大。本仿真研究中建立的非球形粒子散射模型和数值计算方法，为深入理解沙尘气溶胶光散射特性和研制多波长偏振激光雷达提供了理论基础。同时，多波长偏振探测也为气溶胶混合态和污染型气溶胶生成机理研究提供了重要的技术手段。
非球形粒子 超椭球模型 沙尘气溶胶 多波长 退偏振比 non-spherical particle super-ellipsoid model dust aerosol multi-wavelength depolarization ratio 大气与环境光学学报
2023, 18(5): 458
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
武汉科技大学城市建设学院, 湖北 武汉 430065
利用CALIPSO卫星提供的2级气溶胶层产品,通过统计分析多个气溶胶光学特性参数,研究2009—2018年全球范围典型区域内气溶胶光学特性的空间分布特性及其季节属性。结果表明:沙特阿拉伯和印度的气溶胶光学厚度(AOD)月均值呈单峰型,在6月到7月达到峰值;中国和非洲中部的AOD月均值变化为双峰型,最值出现在4月到6月和12月到次年1月。粒子退偏振比(PDR)和粒子色比(CR)的区域差异性为巴西地区颗粒物不规则程度最大,PDR值为0.5~0.7;中国、印度和印度尼西亚等地则主要以细模态粒子为主,CR值为0.1~0.2。在DJF和MAM时期,以沙特地区颗粒物非球形趋势最强,在JJA和SON时期,以沙特和非洲中部颗粒物粒径最大,CR值变化范围为0.756~0.829。各地区气溶胶粒子非规则程度均呈增强趋势,趋势系数变化范围为0.01~0.025,以巴西增强趋势最明显,粒子粒径则表现为弱下降趋势。
遥感 全球范围 气溶胶光学厚度 CALIPSO卫星 退偏振比 色比 激光与光电子学进展
2021, 58(24): 2428002
1 中国海洋大学 信息科学与工程学部，山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
3 齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266071
基于蒙特卡洛模拟方法，建立了一个水中激光偏振辐射传输模型，用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波，分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层，其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m3、1 mg/m3和10 mg/m3。模拟了激光发射波长为532 nm，接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号，并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明，由于激光在水中的多次散射过程，随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大，激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低，导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例，中浓度散射层情况下，在散射层上（0~10 m）、散射层中（10~30 m）和散射层下（30~40 m）的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%；在散射层中，低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时，退偏振比相对误差逐渐增大，在中浓度散射层情况下，其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明，偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时，由于多次散射过程的影响，传统的退偏振比算法会引入较大误差，有必要在反演算法中对其进行校正，以提高激光雷达的探测精度。
海洋激光雷达 偏振蒙特卡洛 水体光学参数 垂直剖面 退偏振比 oceanographic lidar polarization Monte Carlo water optical parameter vertical profile depolarization ratio 红外与激光工程
2021, 50(6): 20211035
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
1 中国计量大学 信息工程学院 浙江省电磁波信息技术与计量检测重点实验室, 浙江 杭州 310018
2 中国计量大学 计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018
在光散射法的颗粒粒径测量方法中, 传统测量模型的测量结果易受光路中颗粒杂质的影响。在Mie散射理论的基础上, 将小角前向散射法与偏振比法相结合, 推导了新的散射光能与粒径分布关系式, 构造了传统小角前向散射法和小角前向散射偏振比法两种目标函数, 并引入一种非独立模式算法——人工鱼群算法对两种方法的目标函数进行反演。仿真采用服从Johnson-SB单峰分布均匀球形颗粒, 分别对两种目标函数散射光能加入5%, 10%, 15%的随机噪声。仿真结果显示, 利用人工鱼群算法对小角前向散射偏振比法目标函数反演得到的反演精度、抗噪声能力和鲁棒性都明显优于传统小角前向散射法目标函数的反演结果。
小角前向散射 偏振比 人工鱼群算法 反演 颗粒粒度 small angle forward scattering polarization ratio AFSA inversion particle size 红外与激光工程
2019, 48(1): 0117001
1 气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点实验室,教育部气象灾害重点实验室, 江苏 南京 210044
2 中国气象局气象探测中心, 北京 100081
基于北京南郊观象台的气溶胶激光雷达探测得到的气溶胶消光系数和粒子退偏振比，多普勒测风激光雷达探测的大气风场、地面气象要素PM10等综合观测资料，对北京2017年5月4日至5日的一次强沙尘天气过程进行分析。结果表明：5月3日下午水平风速开始减小，高空中出现垂直向下的气流，利于沙尘从高空降落到地面；5月4日12时至20时之间，在40~1350 m整个高度层出现统一向上的垂直气流，速度最高达到2 m/s，导致低空沙尘向高空扩散；从激光雷达的数据可以得到沙尘的立体分布情况，初期沙尘层高度在1 km左右，中期沙尘高度在2 km左右，后期沙尘高度回归到1 km左右；激光雷达最低观测高度处的消光系数与地面PM10浓度变化的相关系数为0.8308。研究表明气溶胶激光雷达和测风激光雷达相结合能够有效地监测和预报大气气溶胶的分布及扩散。
激光雷达 沙尘 消光系数 退偏振比 大气风场 激光与光电子学进展
2018, 55(8): 080102
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中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
基于非球形粒子偏振特性,设计并试制了近场偏振激光雷达。该系统包含二个激光光源和退偏组件,激光束的线偏振度为1/500,偏振和 弹性散射信号由孔径200 mm的卡塞格林望远镜接收。在一个半封闭的生物气溶胶腔里,对10种生物气溶胶,按355, 532, 1064 nm的顺次 进行线偏振测量。数据分析结果表明,退偏比表现出较强的波长依赖性; 利用欧氏相关度和马哈拉诺比斯距离,可以确定多波长线偏数据的差异,并对生物气溶胶进行分辨。
生物气溶胶 多波长 激光雷达 退偏振比 马哈拉诺比斯距离 bioaerosols multi-wavelength lidar depolarization ratio Mahalanobis distance
山东理工大学电气与电子工程学院,山东 淄博 255049
本文模拟了偏振激光雷达探测绝热水云微物理特性时由多次散射引起的退偏振问题,绝热水云的数密度在垂直方向上为定值,液态水含量和云滴有效半径随高度非线性增长,其变化规律由云层的大气压、温度以及绝热水云形成的热力学过程共同决定。激光雷达波长取0.355 μm,分别计算了云底高度为1 km和2 km的绝热水云退偏振比随穿透深度的变化,计算结果表明,绝热水云的退偏振比随穿透深度的增加而增大,随观测视场角的增大而增大,且其变化规律与均匀各向同性云层差距很大。另外,云层高度为2 km的云层有效半径比云底高度为1 km的更小,在同样数密度和观测条件下,退偏振比也更小。
激光雷达 绝热水云 退偏振比 蒙特卡罗方法 Lidar adiabatic water clouds depolarization ratio Monte Carlo method
