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部分遮挡条件下的拉曼激光雷达几何因子校正方法研究

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光学学报 2024年

作者：蔡新元黄尧邓迁吴德成黄宏华朱文越先进激光技术安徽省实验室中国科学技术大学研究生院科学岛分院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

几何因子校正是气溶胶水汽拉曼激光雷达系统应用中的一个关键步骤，直接影响着近地面范围内气溶胶水汽分布廓线测量的准确性。本文针对水平实验测量中望远镜接收视场被部分遮挡的情况，对几何因子校正方法进行了改进。通过改进的方法，... 详细信息

几何因子校正是气溶胶水汽拉曼激光雷达系统应用中的一个关键步骤，直接影响着近地面范围内气溶胶水汽分布廓线测量的准确性。本文针对水平实验测量中望远镜接收视场被部分遮挡的情况，对几何因子校正方法进行了改进。通过改进的方法，分析得到了激光雷达532nm接收通道的几何因子，并利用2023年11月6日激光雷达和太阳辐射计的连续测量数据进行了对比验证。结果表明，改进的几何因子校正方法消除了水平遮挡的影响，使得激光雷达与太阳辐射计测量结果的相关系数达到了0.9779，平均相对误差为3.81%，最大相对误差为8.23%，改进方法的精度是原有方法的2.19倍。充分验证了激光雷达测量的可靠性以及改进的几何因子校正方法的准确性，对激光雷达系统在外场测量中的实际应用具有一定的参考价值。

关键词：气溶胶水汽拉曼激光雷达几何因子校正

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拉曼激光雷达大气温湿压探测技术研究进展

中国光学（中英文） 2023年第2期16卷 243-257页

作者：刘东姚清睿张思诺高佳欣王南朝吴疆刘崇浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室浙江杭州310027 浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心浙江嘉兴314000 浙江大学杭州国际科创中心浙江杭州311200 浙江大学信息与电子工程学院浙江杭州310027

温度、湿度、压强是3个重要的大气参数。快速、准确地了解大气的温度、湿度和压强信息及其变化趋势,对天气、气候、人工影响天气等研究有重要意义。拉曼激光雷达通过分离拉曼散射信号反演得到各种大气环境相关参数,可实现对大气参数廓... 详细信息

温度、湿度、压强是3个重要的大气参数。快速、准确地了解大气的温度、湿度和压强信息及其变化趋势,对天气、气候、人工影响天气等研究有重要意义。拉曼激光雷达通过分离拉曼散射信号反演得到各种大气环境相关参数,可实现对大气参数廓线信息的高精度探测,在大气温湿压探测中独具优势与潜力。本文介绍了拉曼激光雷达对大气温度、湿度和压强的探测原理与反演方法,着重介绍了拉曼激光雷达中滤光片、标准具、光栅等常用分光器件的优缺点及其进展,以及拉曼激光雷达中涉及到的探测技术。最后例举了利用拉曼激光雷达对气象参数测量的典型应用。

关键词：拉曼激光雷达温度测量湿度测量分光技术光电探测器

荧光-拉曼激光雷达技术对生物气溶胶荧光特性的研究

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荧光-拉曼激光雷达技术对生物气溶胶荧光特性的研究

作者：闫珍奕西安理工大学

学位级别：硕士

生物气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,快速、实时、准确地探测生物气溶胶含量,对于全球气候变化、生物安全以及生防反恐等领域具有重要的科学研究意义和现实意义。荧光激光雷达作为一种远距离主动遥感探测工具,具有高精度和高分辨率... 详细信息

生物气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,快速、实时、准确地探测生物气溶胶含量,对于全球气候变化、生物安全以及生防反恐等领域具有重要的科学研究意义和现实意义。荧光激光雷达作为一种远距离主动遥感探测工具,具有高精度和高分辨率等优点,是目前开展生物气溶胶探测的重要手段。本文以生物气溶胶的特征参量探测为研究目标,开展基于荧光-拉曼激光雷达的生物气溶胶荧光特性研究。论文主要研究工作如下:首先,基于生物气溶胶的荧光效应,在西安理工大学激光雷达遥感研究中心现有的一套紫外拉曼激光雷达系统基础上,开展了荧光-拉曼激光雷达系统的优化设计。考虑到近红外波段大气水汽的强吸收影响,结合激光雷达系统仿真分析,完成了近红外振动拉曼散射通道的设计,增加了近红外波段的米-瑞利散射通道(1064 nm)和振动拉曼散射通道(852.7 nm);结合大气分子的拉曼散射效应和荧光光谱特性,优化设计了荧光散射探测通道(466 nm),并采用双望远镜接收系统,构建荧光-拉曼激光雷达探测系统,为生物气溶胶特征参量的探测和反演提供技术支撑。进而,开展了荧光后向散射系数、荧光容量和生物气溶胶浓度三个特征荧光参量的探测与反演。探讨了 466 nm荧光通道的探测性能,并结合不同波长下的拉曼散射回波信号强度,分别开展了这三个特征荧光参量的反演与分析。实验结果表明,荧光散射通道可实现5km以下荧光回波信号的有效探测,在1-4 km范围内荧光后向散射系数的值小于1×10 kmsr;荧光容量的取值范围小于3 × 10;在空气污染严重时生物气溶胶浓度最大可达到80particles·m-3,实验结果初步验证了荧光散射通道可用于对生物气溶胶荧光特征参量的探测。最后,基于荧光-拉曼激光雷达探测系统,在不同天气条件下开展了对生物气溶胶的同步连续探测,通过同步的5个散射通道大气回波信号,实现对荧光后向散射系数、荧光容量、生物气溶胶浓度以及355 nm和1064 nm波长的大气气溶胶后向散射系数廓线等参量的同步反演。实验结果清晰展示了生物气溶胶荧光强度及荧光特征参量的时空变化特征,其中3.5 km云层处的荧光后向散射系数值最大值为1×10-6kmsr,生物气溶胶浓度最大为90 particles·m,并对不同波长下的荧光容量进行了初步对比分析,结果表明1064 nm波长下的荧光容量最大为4×10,证明了近红外波段的荧光通道相比于紫外波段具有更强的后向散射能力。实验结果验证了荧光-拉曼激光雷达系统对生物气溶胶荧光特性的同步探测能力。

关键词：荧光激光雷达拉曼激光雷达生物气溶胶特征荧光参量

基于三级Fabry-Perot标准具的纯转动拉曼测温激光雷达

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物理学报 2008年第6期57卷 3941-3947页

作者：汪少林苏嘉赵培涛曹开法胡顺星魏合理谭锟胡欢陵中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学实验室

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统,即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源,采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用,对532nm激发光... 详细信息

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统,即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源,采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用,对532nm激发光的大气Mie-Rayleigh弹性回波散射抑制比可达10-10,对量子数J=±6,J=±12的N2纯转动拉曼散射光谱线接收带宽均小于10pm,因此能充分抑制大气背景辐射噪声及O2纯转动拉曼谱线的干扰,从而实现了单谱线比反演温度,提高了探测精度,且可在白昼探测大气对流层温度.最后通过探空气球测得的对流层温度垂直分布逆向模拟了该系统双通道的Raman信号曲线,证实了该系统的可行性.

关键词：拉曼激光雷达纯转动拉曼散射三级Fabry-Perot标准具对流层

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绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

物理学报 2016年第14期65卷 87-93页

作者：李仕春王大龙李启蒙宋跃辉刘丽娟华灯鑫西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉... 详细信息

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.

关键词：转动拉曼光谱拉曼激光雷达大气温度绝对探测技术

基于拉曼激光雷达的大气三相态水同步精细探测分光系统的设计与仿真分析

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物理学报 2018年第22期67卷 251-262页

作者：王玉峰张晶汤柳王晴高天乐宋跃辉狄慧鸽李博华灯鑫西安理工大学机械与精密仪器工程学院精密仪器工程系西安710048

水是惟一具有三相态的大气参数,三相态水的分布研究对认识云微物理、云降水物理以及人工影响天气过程具有重要的科学意义.在大气三相态水的拉曼激光雷达探测技术中,需首先解决三相态水的高光谱分光技术,以保证对回波信号的精细提取和高... 详细信息

水是惟一具有三相态的大气参数,三相态水的分布研究对认识云微物理、云降水物理以及人工影响天气过程具有重要的科学意义.在大气三相态水的拉曼激光雷达探测技术中,需首先解决三相态水的高光谱分光技术,以保证对回波信号的精细提取和高信噪比探测.考虑到水汽、液态水和固态水的拉曼光谱特性,本文首先通过理论仿真详细探讨了各拉曼通道中滤光片的选型参数对三相态水光谱重叠特性和探测信噪比的影响;并针对两者无法同时取得最优解的情况,提出了利用多目标规划问题的评价函数方法,分析获得了各通道最优的滤光片参数.结果表明,当固态水、液态水和水汽通道窄带滤光片中心波长和带宽分别为397.9 nm(3.1 nm), 403 nm (5 nm)和407.6 nm (0.6 nm)时,可获得各通道间最低的光谱重叠度值和最佳探测信噪比,从而实现了三相态水同步探测拉曼分光系统的优化设计.进一步的仿真结果表明,当激光雷达探测效率因子为1800 J·mm·min时,在有云条件下系统可获得白天3.6 km以上和晴天条件下4 km以上的三相态水有效探测,保证了利用拉曼激光雷达实现对三相态水的同步高信噪比探测,为后续大气三相态水的拉曼激光雷达同步探测和反演提供了技术和理论支持.

关键词：三相态水拉曼激光雷达精细分光仿真

水汽探测拉曼激光雷达的新型光谱分光系统设计与分析

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物理学报 2013年第12期62卷 143-148页

作者：王红伟华灯鑫王玉峰高朋赵虎西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统,以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统,实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取.利用... 详细信息

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统,以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统,实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取.利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型,对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计.搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测,并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号,反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性,验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到107以上量级.理论和实验结果表明,设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时,实现水汽探测误差小于15%,满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测.

关键词：拉曼激光雷达水汽混合比大气后向散射比

悬空波导的拉曼激光雷达探测能力仿真统计研究

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电波科学学报 2016年第2期31卷 376-381页

作者：马征征中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室青岛266107

基于高空气球探空仪实测的34例悬空波导事件,仿真研究了拉曼激光雷达对其的探测能力,以指导设备选型和工作模式设置.利用蒙特卡洛方法计算了典型配置下激光雷达对各个波导的辨识概率,统计得到了平均辨识概率和能够辨识波导数.进一步考... 详细信息

基于高空气球探空仪实测的34例悬空波导事件,仿真研究了拉曼激光雷达对其的探测能力,以指导设备选型和工作模式设置.利用蒙特卡洛方法计算了典型配置下激光雷达对各个波导的辨识概率,统计得到了平均辨识概率和能够辨识波导数.进一步考察了辨识概率随波导参数的分布,以及雷达参数对探测能力的影响.结果表明:拉曼激光雷达系统对悬空波导的辨识能力具有显著的挑剔性.最后,给出推荐的设备型号和工作模式.

关键词：悬空波导拉曼激光雷达辨识概率探测能力

拉曼激光雷达测温数据对WRF模式模拟效果的影响

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拉曼激光雷达测温数据对WRF模式模拟效果的影响

作者：普亚洲西安理工大学

学位级别：硕士

随着数值天气预报技术的发展,各种非常规资料的增加以及数值模式中微物理过程和参数化方案的改进,业务数值预报水平已大大提高。然而提高数值预报的准确率,关键还需要有准确的观测资料能提供精确的初始场。与常规观测相比,激光雷达具有... 详细信息

随着数值天气预报技术的发展,各种非常规资料的增加以及数值模式中微物理过程和参数化方案的改进,业务数值预报水平已大大提高。然而提高数值预报的准确率,关键还需要有准确的观测资料能提供精确的初始场。与常规观测相比,激光雷达具有时空分辨率高、探测灵敏度高和抗干扰能力强等特点。因此,为了推动拉曼激光雷达在数值预报方面的应用,本文提出利用三维变分同化方法,结合西安理工大学大气温湿度同步探测系统探测到的大气温度来改进数值模式初始场,通过设计同化实验,分析模拟结果,进而研究拉曼激光雷达测温数据对WRF模式模拟效果的影响。本文的主要研究成果及结论:(1)利用WRF模式和FNL资料,采用6种微物理过程和3种水平分辨率对陕西省一次降水过程进行实验,发现WDM6微物理过程方案和水平分辨率为9km时较适合陕西的数值天气预报模拟。(2)构建WRF模式三维变分同化系统,设计同化实验,发现通过三维变分法同化地面高空观测资料后,可以改进6h内的短时预报,TS评分提高了 0.07。(3)通过Multiquadric插值算法对拉曼激光雷达测温数据和陕西省高空温度数据进行扩展,完成对地面高空观测资料及拉曼激光雷达测温数据的同化实验,对同化实验结果进行降雨和增量分析,发现对地面高空观测资料及拉曼激光雷达测温数据同化后一定程度上调整了初始场,降水TS评分相比较同化前提高了 0.12,降低了虚假降水区域,同时对温度、水汽和风作了一定程度的模拟优化。

关键词：数值预报拉曼激光雷达同化