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
谭敏 1,2,3王邦新 1,2,3,*庄鹏 1,2,3张站业 1,2,3[ ... ]王英俭 1,2
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 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
为了同时测量大气温度, 水汽和大气气溶胶, 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中心研制了一台多功能拉曼激光雷达。 该激光雷达采用多腔干涉滤光片的高性能光谱盒, 同时按小角度入射顺序安装, 分离不同波长的激光雷达回波信号, 并能高效率地提取信号。 利用该台拉曼激光雷达进行连续观测, 分析了大气温度、 水汽混合比的垂直分布。 研究结果表明: 探测时间为5分钟, 激光能量为200 mJ时, 激光雷达和无线电探空仪测得的平均偏差很小, 10 km以下的总体趋势相似, 同时观测到逆温层位于对流层低层。 在干净天的条件下, 6.2 km高度下的夜间统计温度误差在1K以下; 在轻微雾霾天的条件下, 2.5 km高度下的夜间统计温度误差在1 K以下。 水汽探测过程中, 激光雷达在4 km以内的相对误差不超过5%, 7.5 km以内的相对误差不超过20%。 连续观测结果验证了拉曼激光雷达的可靠性, 实现了对流层大气参数的实时测量。
拉曼激光雷达 大气温度 水汽混合比 Raman lider Temperature Water vapor 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1397
1 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室, 北京 100029
在低轨道空间站和伴飞卫星上分别安置激光发射机和接收机,同时发射和接收935 nm短波红外水汽探测激光束脉冲对和765 nm(位于氧气的A吸收带)近红外激光束脉冲对。935 nm波段激光脉冲的一个探测波长对水汽的吸收较强,另一个参考波长对水汽的吸收相对较弱;765 nm波段激光脉冲的一个波长对氧气的吸收较强和另一个波长对氧气的吸收较弱。光连线全程的双波长差分光学厚度和连线切点处的差分消光系数之间存在Abel变换关系。基于Abel积分变换,利用理想气体状态定律和大气准静态方程,用大气模式作为初值条件,进行数值计算。765 nm波长对用来反演大气的压强和温度,935 nm波长对用来反演大气水汽的密度。获得的水汽廓线分布的仿真结果以及误差分布表明,激光掩星具有探测对流层上-平流层下这一高度(5~14 km)的水汽含量的潜力。
大气光学 水汽混合比 差分光学厚度 差分消光系数 Abel变换
1 中国科学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 研究生院科学岛分院, 安徽 合肥230026
水汽混合比的标定是水汽拉曼激光雷达的一个重要问题。利用两台输出激光波长分别为532.1 nm和659.7 nm的两台YAG激光器, 建立了一台能够实现水汽混合比自标定的双波长激光雷达, 并开展了双波长激光雷达的探测性能测试试验。通过分析测量数据表明该激光雷达的探测性能能够满足水汽混合比自标定的要求。根据实测的大气气溶胶垂直分布, 在气溶胶散射比大约为1.01的高度范围内, 得到了该双波长激光雷达测量氮气混合比的标定常数为0.545±0.031, 相对误差为5.7%。这是实现水汽混合比自标定的关键一步, 为水汽混合比的自标定奠定了基础。
激光雷达 水汽混合比 自标定 lidar water vapor mixing ratio self-calibration 红外与激光工程
2018, 47(12): 1230004
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,安徽 合肥 230026
常规手段测量水汽的时空分辨率较低,激光雷达可以有效提高局 地短期天气预报的可信度。通过自研的拉曼激光雷 达,依据误差传递理论,分析水汽混合比的误差。同时,利用无线电探空仪与拉曼激光雷达对比。分析结果表明:激光雷达测量水汽主要包括定标常数、大气透过率 修正和测量信号三个误差源。其中,定标常数误差随高度不变,约为4%,是1.5 km以下误差的主要来源; 大气透过率修正误差随高度升高而增加,洁净天气下对相对误差的影响小于4%;测量信号误差在洁净天气下,较3 km高度以内一般小于20%, 在3 km高度以上,成为误差的主要来源。比对结果显示: 激光雷达计算误差和比对误差一致性较好。上述分析结果对于提高激光雷达在气象预报中的应用起到很好的辅助作用。
拉曼激光雷达 水汽混合比 误差分析 Raman lidar water vapour mixing ratio error analysis 大气与环境光学学报
2018, 13(3): 170
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
1 中国科学院安徽光学精密机械所 大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230031
水汽在大气中含量很少, 但变化很大, 变化范围在0.1%~4%之间, 水汽绝大部分集中在对流层。随着光电探测技术的不断发展, 大气衰减对光电探测造成的影响也越来越显著, 其中水汽是主要影响因子之一, 也是最为不确定参数。光电探测中常用红外波段, 但是水汽分子浓度较大, 对辐射吸收造成很大的影响。拉曼激光雷达是测量大气水汽的主要技术手段之一。介绍了自行研制的水汽测量拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量。测量结果显示: 该激光雷达可以对夜晚8 km高度范围内以及白天边界层内的水汽进行测量。实验数据与当地探空数据进行比对, 取得了较好的一致性, 充分验证了该拉曼激光雷达测量水汽的有效性和可靠性。
水汽混合比 对流层光电探测 拉曼激光雷达 垂直对流层 water vapor mixing ratio photoelectric detection Raman lidar troposphere 红外与激光工程
2016, 45(12): 1211003
