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Decoupling of temporal/spatial broadening effects in Doppler wind LiDAR by 2D spectral analysis

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Chinese Physics B 2024年第3期33卷 447-452页

作者：刘珍张云鹏竹孝鹏刘继桥毕德仓陈卫标 Space Laser Engineering Department Shanghai Institute of Optics and Fine MechanicsChinese Academy of SciencesShanghai 201800China Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China

Pulse echo accumulation is commonly employed in coherent Doppler wind LiDAR(light detection and ranging)under the assumption of steady wind.Here,the measured spectral data are analyzed in the time dimension and frequency dimension to cope with the temporal wind shear and achieve the optimal accumulation time.A hardware-efficient algorithm combining the interpolation and cross-correlation is used to enhance the wind retrieval accuracy by reducing the frequency sampling interval and then reduce the spectral width calculation error.Moreover,the temporal broadening effect and spatial broadening effect are decoupled according to the strategy we developed.

关键词： Doppler wind LiDAR spectral analysis hardware efficiency spectrum broadening effects

Coherent Doppler lidar wind retrieval for a typhoon based on the genetic simulated annealing algorithm

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Chinese Optics Letters 2024年第4期22卷 1-7页

作者：刘珍原禄城汤杰张云鹏刘继桥竹孝鹏杨巨鑫时伟陈卫标 Aerospace Laser Technology and Systems Department Shanghai Institute of Optics and Fine MechanicsChinese Academy of SciencesShanghai 201800China Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering University of Chinese Academy of SciencesBejing 100049China Shanghai Typhoon Institute China Meteorological AdministrationShanghai 200030China

A method of spectrum estimation based on the genetic simulated annealing(GSA)algorithm is proposed,which is applied to retrieve the three-dimensional wind field of typhoon Nangka observed by our research group.Compared to the genetic algorithm(GA),the GSA algorithm not only extends the detection range and guarantees the accuracy of retrieval results but also demonstrates a faster retrieval speed.Experimental results indicate that both the GA and GSA algorithms can enhance the detection range by 35%more than the least squares method.However,the convergence speed of the GSA algorithm is 17 times faster than that of the GA,which is more beneficial for real-time data processing.

关键词： coherent Doppler lidar three-dimensional wind field retrieval genetic simulated annealing algorithm spectrum estimation typhoon

基于改进型粒子群算法的畸变光斑校正仿真研究

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中国激光 2023年

作者：刘珍竹孝鹏毕德仓刘继桥陈卫标中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部中国科学院大学材料与光电研究中心

相干探测激光雷达作为一项重要的光学探测技术，在实际应用中面临大气湍流的影响，导致光斑发生畸变，从而降低探测性能。为解决这一问题，本文提出了改进型粒子群算法的畸变光斑校正方法。该方法通过引入Metropolis准则以一定概率接受... 详细信息

相干探测激光雷达作为一项重要的光学探测技术，在实际应用中面临大气湍流的影响，导致光斑发生畸变，从而降低探测性能。为解决这一问题，本文提出了改进型粒子群算法的畸变光斑校正方法。该方法通过引入Metropolis准则以一定概率接受劣质解，从而达到更高的收敛极限。另外，改进型粒子群算法对惯性参数的取值不敏感。对于不同的惯性参数，随着迭代次数的增加，最终都能够达到相同的收敛极限，这说明了改进型粒子群算法鲁棒性较好。针对中强和强湍流，对比分析了随机并行梯度（Stochastic parallel gradient descent,SPGD）算法、粒子群优化(Particleswarmoptimization,PSO)算法和改进型PSO算法的校正结果。仿真结果表明：在收敛速度方面，SPGD算法用时最长，其次是PSO算法，改进型PSO算法用时最短；在收敛极限方面，对于中强湍流，三种算法都能够使得斯特列尔比提高到0.8以上，可以认为畸变校正达到了理想效果；对于强湍流，SPGD、PSO和改进型PSO算法使得斯特列尔比分别提高了1.2倍、2.6倍和3.2倍。综合来看，相比SPGD和PSO算法，改进型PSO算法更有利于提高相干探测激光雷达性能,尤其是在强湍流条件下。

关键词：相干探测激光雷达自适应光学畸变光斑校正改进型粒子群算法

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大气环境监测卫星激光雷达技术

上海航天（中英文） 2023年第3期40卷 13-20,110页

作者：陈卫标刘继桥侯霞臧华国马秀华万渊竹孝鹏中国科学院上海光学精密机械研究所中科院空间激光信息传输与探测技术重点实验室上海201800 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部上海201800

星载激光雷达是高精度测量全球大气CO_(2)柱浓度和气溶胶垂直廓线的重要手段,大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在一套激光雷达中集成了2种探测体制,采用1572 nm积分路径激光差分吸收方法测量全球CO_(2)柱浓度,采用532 nm高光谱探... 详细信息

星载激光雷达是高精度测量全球大气CO_(2)柱浓度和气溶胶垂直廓线的重要手段,大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在一套激光雷达中集成了2种探测体制,采用1572 nm积分路径激光差分吸收方法测量全球CO_(2)柱浓度,采用532 nm高光谱探测(HSRL)方法测量气溶胶和云的垂直廓线,均为国际首次在星载平台成功验证,是国际首个星载CO_(2)探测激光雷达和国际首个高光谱气溶胶探测激光雷达。在国际已发射的星载激光雷达中,ACDL激光雷达是探测体制最全、波长最多、能量最高、频率最稳和精度最准的激光雷达,实现了创新跨越。大气探测激光雷达在轨连续工作,首次获得了全天时精度优于1×10-6的全球CO_(2)柱浓度、精度优于20%的气溶胶廓线等遥感数据。本文介绍了ACDL激光雷达的工作原理、系统参数以及相关的定标测试结果。

关键词： CO_(2) 气溶胶星载激光雷达积分路径差分吸收高光谱探测

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532nm激光距离选通成像系统

红外与激光工程 2012年第2期41卷 358-362页

作者：竹孝鹏刘继桥贺岩李小莉毕德仓陈卫标上海市全固态激光器与应用技术重点实验室上海201800 中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800

实现了一套基于532 nm波长的距离选通成像系统,并选择了几种典型环境进行了相应的原理验证实验。采用532 nm的全固态调Q脉冲激光器作为主动照明激光,激光单脉冲能量可以在35~100 mJ之间调节,系统接收望远镜口径为200 mm。采用PIN探测器... 详细信息

实现了一套基于532 nm波长的距离选通成像系统,并选择了几种典型环境进行了相应的原理验证实验。采用532 nm的全固态调Q脉冲激光器作为主动照明激光,激光单脉冲能量可以在35~100 mJ之间调节,系统接收望远镜口径为200 mm。采用PIN探测器获得激光脉冲发射时间,并控制目标成像的曝光时刻。成像探测器采用ICCD（intensified CCD）,最小曝光时间为2 ns。通过实验对比说明该系统能够在小雨天或者有烟雾的情况下正常工作,但是获得图像的信噪比会有所下降,同时能够在强光背景干扰的环境下获得目标的图像信息。该套系统的原理验证性实验能够为距离选通成像技术的进一步发展提供重要参考。

关键词：距离选通成像激光雷达脉冲激光照明

星载高光谱分辨率激光雷达的高光谱探测分光比优化分析

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红外与激光工程 2019年第S2期48卷 7-12页

作者：董俊发刘继桥朱小磊(指导) 毕德仓竹孝鹏陈卫标中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

高光谱分辨率激光雷达具有分离大气分子散射和气溶胶散射的固有特性,无需假设激光雷达比即可反演气溶胶后向散射系数和消光系数。但由于全球大气气溶胶分布不均匀,造成分子信号接收的高光谱探测通道与参考通道的回波信号信噪比变化大,... 详细信息

高光谱分辨率激光雷达具有分离大气分子散射和气溶胶散射的固有特性,无需假设激光雷达比即可反演气溶胶后向散射系数和消光系数。但由于全球大气气溶胶分布不均匀,造成分子信号接收的高光谱探测通道与参考通道的回波信号信噪比变化大,最终导致反演误差变大。因此必须考虑两通道的接收能量优化分配以减少反演误差。基于回波信号与气溶胶的分布相关机理,将全球气溶胶分布分为三种类型,分析并比较分子通道与平行参考通道的信噪比和反演误差随分光比变化,得到了各大气模式下优化的分光比。

关键词：激光雷达高光谱分辨探测气溶胶后向散射系数误差优化

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机载多普勒激光雷达指向影响分析及定标

激光与红外 2016年第12期46卷 1467-1472页

作者：李志刚孙泽中赵增亮竹孝鹏鲁东大学物理与光电工程学院山东烟台264000 北京应用气象研究所北京100029 中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800

通过分析机载多普勒激光雷达测量模式特征,考虑飞机姿态测量精度的影响,仿真分析了径向速度误差,以及多视线反演水平风场的反演精度,按照文中仿真系统的输入参数,不考虑雷达系统频率检测误差,风速测量误差小于0.3 m/s。该结果为机载多... 详细信息

通过分析机载多普勒激光雷达测量模式特征,考虑飞机姿态测量精度的影响,仿真分析了径向速度误差,以及多视线反演水平风场的反演精度,按照文中仿真系统的输入参数,不考虑雷达系统频率检测误差,风速测量误差小于0.3 m/s。该结果为机载多普勒激光雷达平台设计和测量模式的选择提供了参考。在此基础上,提出了一种基于地面散射信号测量的激光指向定标方法,并通过激光雷达实测数据进行验证,指向定标精度优于0.2°。

关键词：机载多普勒激光雷达风场反演指向定标地面信号

1.57μm IPDA激光雷达云回波信号CO_(2)柱浓度测量研究

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中国激光 2023年第23期50卷 202-214页

作者：高雪洁刘继桥樊纯璨陈橙杨巨鑫李世光谢缘竹孝鹏陈卫标中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室上海201800

路径积分差分吸收(IPDA)激光雷达可装载于飞机或卫星上探测大范围大气CO_(2)浓度,具有全天时和探测精度高的优势。全球云的平均覆盖率可达60%,因此在激光穿透大气射向地面的探测过程中,除了地面和海洋回波信号,还有很多云层回波信号。... 详细信息

路径积分差分吸收(IPDA)激光雷达可装载于飞机或卫星上探测大范围大气CO_(2)浓度,具有全天时和探测精度高的优势。全球云的平均覆盖率可达60%,因此在激光穿透大气射向地面的探测过程中,除了地面和海洋回波信号,还有很多云层回波信号。结合机载大气探测激光雷达(ACDL)信号采集特点,针对复杂的云层回波信号,提出一种基于中位数绝对偏差的离群值筛选法提取信号,可分离多层云回波信号及云层与地面回波信号同时存在的信号。分析云信号的探测能力,并利用云层回波信号积分值反演云上CO_(2)柱浓度,结果与原位测量仪测量结果变化趋势一致,二者偏差为2.8μL/L。

关键词：遥感差分吸收激光雷达二氧化碳柱浓度云回波信号差分吸收光学厚度大气遥感

大气温度对基于瑞利散射双边缘技术激光测风雷达的影响

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中国激光 2010年第8期37卷 2005-2009页

作者：竹孝鹏刘继桥陈卫标中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室上海201800

根据瑞利散射双边缘技术测风原理,模拟仿真了不同大气温度下直接探测多普勒激光测风雷达的响应函数曲线,分析了大气温度对风速测量的影响。仿真结果表明,对不同的大气温度,系统有不同的响应曲线,同时风速越大,大气温度对风速测量的影响... 详细信息

根据瑞利散射双边缘技术测风原理,模拟仿真了不同大气温度下直接探测多普勒激光测风雷达的响应函数曲线,分析了大气温度对风速测量的影响。仿真结果表明,对不同的大气温度,系统有不同的响应曲线,同时风速越大,大气温度对风速测量的影响也越大。因此在系统设计中,需要根据最大风速和风速精度要求,确定所需大气温度分布精度,在风速反演中进行温度校正。通过数值仿真的方法,获得了在不同风速和大气温度下温度误差导致的风速误差估算公式。

关键词：激光技术多普勒激光测风雷达双边缘瑞利散射温度校正