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气溶胶激光雷达的指数迭代反演新算法与分析

激光与光电子学进展 2024年

作者：高迎春李仕春魏飞龙段海涛华灯鑫王玉峰高飞西安理工大学机械与精密仪器工程学院

针对单通道气溶胶激光雷达反演技术中的消光系数边界值问题，提出了基于指数迭代的气溶胶消光系数反演算法，以优化反演计算中的消光系数边界值。该算法利用4阶收敛的指数迭代法求解消光系数边界值与激光雷达回波信号之间的非线性方程... 详细信息

针对单通道气溶胶激光雷达反演技术中的消光系数边界值问题，提出了基于指数迭代的气溶胶消光系数反演算法，以优化反演计算中的消光系数边界值。该算法利用4阶收敛的指数迭代法求解消光系数边界值与激光雷达回波信号之间的非线性方程，并通过Fernald法反演气溶胶消光系数。采用指数迭代结合Fernald法反演水平扫描数据和垂直定点探测数据，将Klett法和Mie-Raman法反演结果作为标准值，验证了指数迭代法的反演性能。数据分析结果表明，相比不动点迭代，指数迭代反演精度高，收敛速度快，迭代次数少，反演误差约为14%，迭代次数约为5次，迭代时间约为9μs，可快速准确地反演激光雷达水平扫描信号及垂直定点探测信号的消光系数边界值。

关键词：激光雷达指数迭代大气消光系数边界值

基于连续激光器的侧向拉曼散射激光雷达无盲区探测大气水汽技术研究

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光学学报 2024年第12期 328-336页

作者：杨帆高飞李晓莉高雄张城安汪丽闫庆石冬晨辛文辉华灯鑫西安理工大学机械与精密仪器工程学院陕西省现代装备绿色制造协同创新中心

大气中50%以上的水汽主要存在于海拔2 km以内的低层大气内，而传统振动拉曼散射激光雷达探测大气水汽主要采用基于后向散射的同轴和非同轴平行收发系统结构，系统探测盲区和过渡区限制了其在近地表大气水汽探测方面的有效性。因此，提... 详细信息

大气中50%以上的水汽主要存在于海拔2 km以内的低层大气内，而传统振动拉曼散射激光雷达探测大气水汽主要采用基于后向散射的同轴和非同轴平行收发系统结构，系统探测盲区和过渡区限制了其在近地表大气水汽探测方面的有效性。因此，提出一种新型的基于双基地收发系统结构的侧向振动拉曼散射激光雷达探测技术，通过俯仰转动云台带动侧向望远镜接收系统，对不同高度层下氮气和水汽分子的侧向振动拉曼散射回波光谱进行扫描探测，从而实现地表到感兴趣高度范围内无盲区的近地表大气水汽精细探测。在实验观测研究中，采用整段等距分辨率和分段等距分辨率两种探测模式，探测结果展示了两种转动方案均可实现从近地表到特定高度的大气水汽探测，特别是分段等距分辨率云台转动方案凭借可变分辨率的探测优势，在近地表区域实现了对大气水汽分布的精细探测。

关键词：激光雷达近地表大气水汽侧向振动拉曼散射无盲区探测俯仰扫描

离轴激光雷达的归一化重叠因子模型分析与验证

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激光与光电子学进展 2024年

作者：魏飞龙李仕春刘家辉高迎春宋跃辉华灯鑫辛文辉西安理工大学机械与精密仪器工程学院陕西省现代装备绿色制造协同创新中心

针对离轴激光雷达中重叠因子的分析与校正问题，提出归一化重叠因子模型分析方法，将5维组件参数的传统几何面积重叠因子模型简化成4维结构参数描述，实现模型降维与特征点标识。分析了光束准直系数、收发模块半径比、收发模块视场比和... 详细信息

针对离轴激光雷达中重叠因子的分析与校正问题，提出归一化重叠因子模型分析方法，将5维组件参数的传统几何面积重叠因子模型简化成4维结构参数描述，实现模型降维与特征点标识。分析了光束准直系数、收发模块半径比、收发模块视场比和收发模块间距半径比4个结构参数对重叠因子的影响规律。分析表明，当光束准直系数在一定范围变化时，重叠因子曲线在某一探测距离处存在一个特征点，该特征点可作为激光雷达收发双轴调整的对准指标。采用水平实验法，验证了该归一化模型及其校正的有效性。实验结果表明，归一化模型求得的重叠因子与实验法相比在0-1km的平均误差为0.016，经重叠因子校正后可将近场有效探测距离从510m降低至盲区终点107m。该归一化模型有助于判别激光雷达收发双轴调整的对准度，推动自动调整激光雷达产品的实用化进程。

关键词：激光雷达重叠因子离轴归一化对准度

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非同轴激光雷达重叠因子的自校正系统设计

仪器仪表学报 2023年第7期44卷 315-324页

作者：闫庆高丰佳徐鑫鑫高飞华灯鑫西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048 陕西省机械制造装备重点实验室西安710048 教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室西安710048

受振动,温度,预紧力变化等外部环境因素影响,激光雷达系统的激光发射光轴和望远镜接收光轴会发生变化,导致激光雷达系统的重叠因子发生变化,进而影响激光雷达系统的远场探测精度与探测稳定性。针对非同轴激光雷达提出开展重叠因子自校... 详细信息

受振动,温度,预紧力变化等外部环境因素影响,激光雷达系统的激光发射光轴和望远镜接收光轴会发生变化,导致激光雷达系统的重叠因子发生变化,进而影响激光雷达系统的远场探测精度与探测稳定性。针对非同轴激光雷达提出开展重叠因子自校正的软硬件系统设计,采用二相电机驱动,具有自锁功能的蜗轮蜗杆发射光轴较正平台设计并搭建了激光发射光轴倾角调节系统,并以激光回波信号强度为校正判据寻找非同轴激光雷达系统收发光轴的最佳匹配位置。自校正过程采用粗扫描和细扫描相结合的方式,以实现校正精度和校正效率的综合考量,其中粗扫描采用环形扫时序,可在961 s内将激光发射光轴锁定在0.4 mrad×0.4 mrad倾角范围内;细扫描采用S形时序,可在441 s内实现激光发射光轴0.02 mrad的倾角调节精度。自校正前后的大气回波距离平方修正信号表明,设计的自校正系统能够实现非同轴激光雷达系统重叠因子的有效校正,并提升系统探测性能,为全天时,无人值守的激光雷达大气探测提供支持。

关键词：非同轴激光雷达重叠因子自校正回波信号强度法粗细结合的扫描时序

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基于脉冲数字全息干涉术的云滴谱离散度研究

光学学报 2022年第6期42卷 157-166页

作者：高阳子王骏唐家斌刘晶晶闫庆华灯鑫西安理工大学激光雷达遥感研究中心陕西西安710048

为了研究云滴谱的离散度与云微物理参量之间的相关性,提出了基于现场可编程门阵列的短脉冲调制激光、高分辨率显微光学系统和同轴数字全息干涉术相融合的观测技术,该技术探测云滴粒子的最小尺寸为2μm,还可以获得完整的云滴谱谱宽数据... 详细信息

为了研究云滴谱的离散度与云微物理参量之间的相关性,提出了基于现场可编程门阵列的短脉冲调制激光、高分辨率显微光学系统和同轴数字全息干涉术相融合的观测技术,该技术探测云滴粒子的最小尺寸为2μm,还可以获得完整的云滴谱谱宽数据。在膨胀云室中连续三天的不同气溶胶数浓度下,开展了生消过程中云滴粒子的三维位置与直径的观测,利用观测结果计算了云微物理参量。进一步分析了云滴谱的离散度与云微物理参量在生成与消散过程中的正相关关系。通过比对不同气溶胶数浓度条件下云滴谱离散度的分布情况,得到了随着云滴数浓度的增多,离散度的取值范围会逐渐减小,且离散度相对拟合线的离散性降低的结论。

关键词：全息数字全息脉冲数字全息干涉术云滴谱离散度云微物理

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多载荷历程作用下螺栓结合部特性实验及分析

机械科学与技术 2023年第8期42卷 1207-1212页

作者：卢世坤华灯鑫李鹏阳西安理工大学机械与精密仪器学院西安710048

以往对结合部刚度特性的研究多着重于不同粗糙度结合部的横向对比,较少或忽视了同一结合部在载荷作用下多次循环历程加载时加载前后刚度特性的纵向对比,以及忽视多次循环历程加载时加载前后表面部分微凸体高度变化的纵向对比。实际上,... 详细信息

以往对结合部刚度特性的研究多着重于不同粗糙度结合部的横向对比,较少或忽视了同一结合部在载荷作用下多次循环历程加载时加载前后刚度特性的纵向对比,以及忽视多次循环历程加载时加载前后表面部分微凸体高度变化的纵向对比。实际上,不论刚度特性还是界面部分微凸体,在多次载荷历程作用下都会变化,这就使预测设备的动静态性能复杂化。针对这一问题,本文基于实验研究了粗糙表面单元螺栓结合部刚度特性在循环载荷历程作用下的变化规律,为量化研究和更好的应用这一规律,对本文各载荷历程曲线进行了数值拟合。纵向比较研究发现:单元结合部刚度特性随载荷作用历程循环次数的变化而变化,即:随着载荷历程作用次数的增加,单元螺栓结合部变形减小,结合部刚度增加。为进一步了解刚度特性变化的机理,还对结合部接触表面进行了载荷作用后的显微镜观察,发现结合部螺栓孔附近的表面部分微凸体高度在螺栓多次循环预紧力作用下有不同程度的塑性变形。

关键词：螺栓粗糙度结合部弹塑性变形

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中红外差分吸收激光雷达探测苯气体浓度

光谱学与光谱分析 2023年第11期43卷 3351-3359页

作者：段明轩李仕春刘家辉王怡辛文辉华灯鑫高飞西安理工大学机械与精密仪器工程学院陕西西安710048 陕西省现代装备绿色制造协同创新中心陕西西安710048

苯作为挥发性有机化合物(VOCs)的重要组成部分,其大气污染状况日益引起人们的关注,中红外波段通常是分子的基频指纹吸收区,已成为痕量气体检测的重要波段,而差分吸收激光雷达是探测大气痕量气体的重要手段,故针对区域性苯浓度实时遥感问... 详细信息

苯作为挥发性有机化合物(VOCs)的重要组成部分,其大气污染状况日益引起人们的关注,中红外波段通常是分子的基频指纹吸收区,已成为痕量气体检测的重要波段,而差分吸收激光雷达是探测大气痕量气体的重要手段,故针对区域性苯浓度实时遥感问题,提出基于中红外带间级联激光器(ICL)的探测大气苯浓度路径积分型差分吸收(IPDA)激光雷达系统。首先,在分析IPDA激光雷达的探测原理的基础上,构建了IPDA激光雷达的反演算法及其误差分析模型。其次,详细分析来自HITRAN数据库的中红外3100 cm^(-1)附近苯以及主要干扰气体(如HCl,CH_(4)和H_(2)O)的吸收光谱,结合HCl和CH_(4)着重考虑了H_(2)O对探测结果的影响,选择IPDA激光雷达的测量波长和参考波长分别为3090.89和3137.74 cm^(-1)。再次,基于两个连续波ICL,设计了探测大气苯浓度IPDA激光雷达系统,并可通过控制温度和驱动电流调谐激光器的输出波长,使其波长分别稳定在强吸收谱区和弱吸收谱区,并设计了基于中红外衍射光栅的光谱分光子系统,以实现双波长接收信号的同步探测。最后,基于标准大气模型,仿真分析了不同路径长度、能见度和水汽浓度情况下激光雷达的探测性能,并搭建中红外波段检测气体池开展了测试实验,以验证该IPDA激光雷达系统的可行性。仿真及实验结果分析表明,当大气能见度为5 km,水汽浓度低于0.4%时,苯的浓度路径积(CL)在0.1~24 mg·m^(-3)·km范围内探测的相对误差优于10%,而苯的CL为5 mg·m^(-3)·km时探测相对误差优于1%;初步实验测试了中外红波段差分吸收激光雷达探测的线性相关系数R^(2)约为98.7%。

关键词：中红外光谱激光雷达差分吸收光谱苯浓度

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云探测中的激光雷达技术研究进展

光学学报 2022年第6期42卷 18-28页

作者：狄慧鸽华灯鑫西安理工大学机械与精密仪器工程学院陕西西安710048

云宏微观参数的探测对云物理和气候变化研究具有重要意义。激光雷达是实现云宏微观参数高时空分辨率探测的有效的重要科学仪器。回顾和总结了激光雷达在云参数探测中的主要技术及其研究进展,讨论了激光雷达在云探测研究中的不足和局限... 详细信息

云宏微观参数的探测对云物理和气候变化研究具有重要意义。激光雷达是实现云宏微观参数高时空分辨率探测的有效的重要科学仪器。回顾和总结了激光雷达在云参数探测中的主要技术及其研究进展,讨论了激光雷达在云探测研究中的不足和局限性及目前在云探测应用中亟待解决的关键问题,展望了激光雷达未来在云探测中的应用潜力,并提出了研究思路与方案。内容涉及云检测和云相态识别的多波长及偏振激光雷达和云内温度、湿度、风速风向与垂直气流探测等激光雷达技术与方法,分析讨论了云系降水潜力探测的激光雷达应用案例。激光雷达对于探测初生云团及稀薄云层具有较好的穿透性及精细探测优势,但对于强对流云等厚云层,需将其与其他探测手段如微波雷达等联合观测,并开展多源数据融合技术研究,以实现云全生命周期的精细化监测。随着激光与光电子技术和大数据及人工智能技术的发展,激光雷达技术日趋成熟,面向业务化应用所需的系统稳定性、可靠性及探测能力的激光雷达产品将越来越受到气象与环境领域行业专家的关注,并将在云探测领域中发挥越来越重要的作用。

关键词：大气光学激光雷达云宏微观参数云相态综合观测

荧光激光雷达技术探测水面油污染系统仿真研究

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物理学报 2016年第7期65卷 80-86页

作者：景敏华灯鑫乐静西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048 陕西理工学院机械工程学院汉中723000

为实现对水面油污染的探测,根据荧光激光雷达系统的发展趋势,采用激光诱导荧光技术,建立了适用于水面油污染探测荧光激光雷达的系统模型.提出采用单激光器结合增强电荷耦合器件的小型荧光激光雷达探测系统,通过分析激光器单脉冲能量与... 详细信息

为实现对水面油污染的探测,根据荧光激光雷达系统的发展趋势,采用激光诱导荧光技术,建立了适用于水面油污染探测荧光激光雷达的系统模型.提出采用单激光器结合增强电荷耦合器件的小型荧光激光雷达探测系统,通过分析激光器单脉冲能量与探测浓度之间的关系,结合荧光激光雷达系统参数,对系统模型的探测能力与信噪比等进行了数值仿真.结果表明,系统选用单脉冲能量50μJ的355 nm Nd:YAG激光器作为激发光源,白天在7 m的距离处探测信噪比可以达到10,满足实验室搭建模拟系统的要求.针对实际探测水面油污染,提出采用增大激光器功率的方法,并通过模拟计算验证了采用50 m J的单脉冲能量激光器在230 m的探测距离处可得到与实验室相同的结果,对实际系统的搭建具有指导意义.

关键词：激光诱导荧光荧光激光雷达水面油污染信噪比