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“基于光丝激光雷达的大气污染多组分监测技术研究”项目专题前言

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中国激光 2023年第7期50卷 1-2页

作者：刘伟伟不详

以差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达等为代表的大气污染光学探测技术虽然具有实时、远程的优势,但在多组分监测,特别是在测量气溶胶、金属等大气污染物化学成分和浓度等方面具有局限性。而飞秒光丝激光雷达是一种可远程、快速探测多组分... 详细信息

以差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达等为代表的大气污染光学探测技术虽然具有实时、远程的优势,但在多组分监测,特别是在测量气溶胶、金属等大气污染物化学成分和浓度等方面具有局限性。而飞秒光丝激光雷达是一种可远程、快速探测多组分大气污染物的技术。当高功率飞秒激光在大气中传输时,能量不会发散,而是形成一个高光强激光通道,这个通道被称为“光丝”,这一过程则被称为“成丝现象”。光丝内的激光强度足以诱导电离、多光子荧光、受激拉曼散射、四波混频等各种非线性光学效应,激发出具有物质特征的光谱信号,从而为多组分大气污染物监测提供数据。

关键词：受激拉曼散射拉曼激光雷达四波混频光丝飞秒激光非线性光学效应激光强度快速探测

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大气CO_2含量分布激光雷达监测

量子电子学报 2006年第3期23卷 355-359页

作者：赵曰峰张寅超洪光烈赵培涛苏嘉谢军方欣刘玉丽屈凯峰中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

为有效地控制温室效应和气候剧变,准确可靠地监测CO2气体的变化就变得十分重要。拉曼雷达测量大气中CO2气体含量是一种技术先进的可靠方法。介绍了利用气体的拉曼散射效应来测量CO2含量分布的拉曼激光雷达,分析了拉曼雷达的基本原理,设... 详细信息

为有效地控制温室效应和气候剧变,准确可靠地监测CO2气体的变化就变得十分重要。拉曼雷达测量大气中CO2气体含量是一种技术先进的可靠方法。介绍了利用气体的拉曼散射效应来测量CO2含量分布的拉曼激光雷达,分析了拉曼雷达的基本原理,设计了具体的实验检测系统,介绍了实验系统各工作件参数情况。对拉曼雷达的回波信号的反演方法进行了具体阐述,初步取得了大气中CO2气体含量分布规律,合肥地区的二氧化碳气体含量大约在350-400 ppmv范围内波动。

关键词：激光技术二氧化碳气体拉曼激光雷达信号反演

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激光雷达数据反演气溶胶后向散射比研究

激光雷达数据反演气溶胶后向散射比研究

作者：靳磊中国海洋大学

学位级别：硕士

随着人们生活水平的提高，人类的生存环境也越来越受到广泛的关注。气溶胶作为低空大气的重要组成部分，与大气干洁度和气候变化息息相关。严重的气溶胶污染会给人类的健康带来极大的危害。实时、多地、长期探测气溶胶的分布情况已成为... 详细信息

随着人们生活水平的提高，人类的生存环境也越来越受到广泛的关注。气溶胶作为低空大气的重要组成部分，与大气干洁度和气候变化息息相关。严重的气溶胶污染会给人类的健康带来极大的危害。实时、多地、长期探测气溶胶的分布情况已成为我国必须攻克的难关。激光雷达以其高时空分辨率、高灵敏度、精细探测等优点使得对大气气溶胶的研究有了突飞猛进的发展。本文主要是利用一套拉曼激光雷达系统对大气对流层的气溶胶进行实验分析，反演青岛上空大气气溶胶消光系数和气溶胶后向散射比。文章详细介绍了国内外气溶胶激光雷达的发展情况，列举了目前世界上较为完善的气溶胶激光雷达网络的站点分布情况及其相关数据，重点分析了利用拉曼激光雷达探测气溶胶数据的历史和国内外发展现状以及国际上较为成熟的拉曼激光雷达产品。深入研究了大气分子和气溶胶散射机理尤其是拉曼散射的原理和特性。在数据处理过程中分别利用Fernald方法和碘分子滤波高光谱法对2011年4月北京南郊的车载激光雷达实验数据进行反演，得到气溶胶后向散射比Rb值并讨论两种方法的优缺点。针对中国海洋大学研制的多普勒测风激光雷达的不足之处，提出了拉曼实时反演气溶胶后向散射比的方法。文章分别从激光发射系统、信号接收系统和信息采集系统三个方面对拉曼激光雷达的实验系统进行了简单介绍，系统采用光栅分光器件来获取拉曼信号。实验结果表明，利用拉曼激光雷达反演气溶胶后向散射比的垂直廓线是可行的，直接求解法探测高度最高可达10km，并可用求导求解法获得气溶胶的消光系数、激光雷达比等参量。

关键词：气溶胶拉曼激光雷达光栅气溶胶后向散射比

基于ZEMAX的水汽激光雷达接收系统光学性能分析

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基于ZEMAX的水汽激光雷达接收系统光学性能分析

作者：许梦圆中国海洋大学

学位级别：硕士

光学系统作为激光雷达的核心部分，它的设计优劣直接关系到激光雷达的性能和质量。本文主旨是将光学设计软件应用于激光雷达的光学系统中，利用光学设计软件强大的功能对系统设计建模，并优化改善光学效率。本课题研究的水汽、云和气溶... 详细信息

光学系统作为激光雷达的核心部分，它的设计优劣直接关系到激光雷达的性能和质量。本文主旨是将光学设计软件应用于激光雷达的光学系统中，利用光学设计软件强大的功能对系统设计建模，并优化改善光学效率。本课题研究的水汽、云和气溶胶探测激光雷达一部主要用于探测水汽的拉曼激光雷达，由于水汽在大气中含量少，并且水汽拉曼信号十分微弱，所以回波信号的接收效率对于拉曼激光雷达系统至关重要。本套激光雷达系统的接收部分的设计较为复杂，除接收水汽信号外，还探测气溶胶、云等大气信息，因此尽管系统的主要设计已经成型，还需对系统进行模拟优化。本文将激光雷达接收系统分成三个部分——光纤耦合系统，望远镜端口系统，光谱分光系统，一共包括6个通道——三个拉曼通道，一个1064通道，两个532偏振通道。在光学设计软件ZEMAX的帮助下，对系统各个不同通道的光路光线追迹，逐步分析像差和成像光斑能量，以提高探测器的能量为目标，优化设计，确定了整个接收系统的相关参数，为系统的组装提供了参考依据。本文使用ZEMAX软件实现了对几何重叠因子的模拟。由于本套拉曼系统初始的设计下的近场信号接收效率偏低，通过详细分析光纤端面的侧向和轴向偏移、望远镜倾斜等方法，从理论上精确的增加了近场回波信号的接收效率。同时探讨并验证了侧向偏移光纤端面与倾斜望远镜光轴这两种提高近场接收效率的方法的结果是等效的，并提出用偏移光纤端面来替代倾斜望远镜或激光束光轴的做法，这样不仅能简化操作系统的组装、光路的准直，并能提高系统的装配稳定性。

关键词：拉曼激光雷达光学性能 ZEMAX 几何重叠因子

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激光雷达精细探测大气气溶胶研究

激光雷达精细探测大气气溶胶研究

作者：高飞西安理工大学

学位级别：硕士

大气气溶胶是研究大气物理及气候变化的一个非常重要的参数,其吸收、散射以及密度分布直接影响地球辐射平衡,大气气候环境变化以及空气质量污染指数。精细探测及研究气溶胶的产生,输送及其光学和物理特性的时空变化规律,对研究大气环境... 详细信息

大气气溶胶是研究大气物理及气候变化的一个非常重要的参数,其吸收、散射以及密度分布直接影响地球辐射平衡,大气气候环境变化以及空气质量污染指数。精细探测及研究气溶胶的产生,输送及其光学和物理特性的时空变化规律,对研究大气环境变化及提高自然灾害的预警预报能力,特别是研究全球气候变暖问题,沙尘暴的预警预报及城市气溶胶的物理光学特性具有重要的研究意义和社会效益。米散射激光雷达具有较高的时空探测分辨率,以及结构简单、易于操作等优点,已经成为实时探测气溶胶光学特性的强力工具之一。然而,由于一般的米散射激光雷达反演大气气溶胶光学特性时,需要对大气状态进行假设,从而限制了其测量精度。本论文主要针对现有米散射激光雷达存在的问题,提出并设计了利用拉曼散射及瑞利散射精细探测气溶胶光学特性的激光雷达技术,并通过实验及数值仿真对系统设计进行验证。拉曼散射激光雷达技术主要是利用大气分子的拉曼散射信号与气溶胶消光系数的依存关系,实现气溶胶消光系数的精确探测。系统分别选用Nd:YAG脉冲激光器的三倍频输出355nm和口径250mm的卡塞格林式望远镜作为发射和接收系统,高光谱分辨率的平面反射光栅结合由窄带反射镜组组建的滤波器,分离中心波长为387nm的大气氮气的振动拉曼散射回波信号。同时利用激励波长355nm的光栅一级衍射光作为米散射探测通道,用来验证拉曼激光雷达系统的可行性。两路探测通道都是由模拟探测方式下带有前置运放的光电倍增管进行光电探测。初步实验表明,在脉冲激光能量250mJ,探测时间为8分钟(约10000次脉冲累积平均)的情况下,设计的拉曼激光雷达系统具有对3km以下气溶胶光学特性精细探测的能力。高光谱分辨率激光雷达技术主要是通过设计高光谱分辨率分光器,分离大气气溶胶引起的米散射及大气分子引起的瑞利散射,从而实现气溶胶的精细探测。本系统选择具有种子注入技术的单频脉冲激光器的紫外输出355nm作为光源,高光谱分辨率闪耀光栅在空间上分离太阳背景光及激光大气回波信号,保证白天测量的需要,高光谱分辨率的Fabry-Perot标准具分离气溶胶米散射及大气分子瑞利散射信号,从而实现气溶胶及云光学特性的精细探测。系统利用标准大气模型对系统进行数值仿真结果表明,在太阳背景光能量密度0.3×10Wmsrnm的白天情况下,激光能量150mJ,探测时间1分钟的条件下,对气溶胶光学特性的有效探测高度可以达到10km以上。

关键词：大气气溶胶拉曼激光雷达高光谱分辨率激光雷达精细探测分光器

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大气探测激光雷达技术综述

大气与环境光学学报 2018年第5期13卷 321-341页

作者：田晓敏刘东徐继伟王珍珠王邦新吴德成钟志庆谢晨波王英俭中国科学院安徽光学精密机械研究历中国科学院大气光学重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230026

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具.激光雷达按照探测技术可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利... 详细信息

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具.激光雷达按照探测技术可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等.分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、发展历史及优缺点,及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用.最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望.

关键词：大气探测激光雷达米散射激光雷达拉曼激光雷达差分吸收激光雷达多普勒激光雷达共振荧光激光雷达

基于取样光纤布拉格光栅的全光纤拉曼测温分光系统设计及优化

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物理学报 2016年第7期65卷 118-125页

作者：巩鑫华灯鑫李仕春王骏石晓菁西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测,转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声,以及对Mie-Rayleigh散射提供70 d B以上的带外抑制率.本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光... 详细信息

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测,转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声,以及对Mie-Rayleigh散射提供70 d B以上的带外抑制率.本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光路,构建高抑制率的全光纤拉曼测温分光系统,以实现大气温度的全天时和高精度探测.根据分光系统光路的传输特性,采用传输矩阵模型,优化设计了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比),得到了优化的光谱分光系统参数.利用该分光系统可实现太阳背景光强度和Mie-Rayleigh散射信号强度分别比转动拉曼散射信号强度弱40 d B和50 d B,信噪比高于100时,白天探测高度可达1.6 km.该全光纤分光系统具有小型化、抗干扰和稳定性高的优点,可为陆基及星载拉曼测温激光雷达提供一种全新的解决方案.

关键词：转动拉曼光谱拉曼激光雷达大气温度取样光纤布拉格光栅

北京2014年冬季边界层高度与颗粒物浓度的相关性研究

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红外与激光工程 2018年第7期47卷 177-184页

作者：谭敏谢晨波王邦新吴德成马晖刘东王英俭中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230021

拉曼激光雷达已经广泛应用于大气气溶胶、大气温度和水汽的空间分布及时间演变特征测量。为了获取北京污染期间大气气溶胶边界层的特征,2014年11月~2015年1月期间在中国科学院大学雁栖湖校区利用拉曼激光雷达进行连续观测。使用梯度法... 详细信息

拉曼激光雷达已经广泛应用于大气气溶胶、大气温度和水汽的空间分布及时间演变特征测量。为了获取北京污染期间大气气溶胶边界层的特征,2014年11月~2015年1月期间在中国科学院大学雁栖湖校区利用拉曼激光雷达进行连续观测。使用梯度法处理激光雷达观测数据得到边界层高度,同时与国家环保部提供的当地颗粒物浓度数据进行对比。观测期间灰霾天共出现15天,污染天出现27天,干净天出现24天。灰霾天、污染天和干净天三种情况下的平均大气边界层高度范围分别为0.6~0.9、0.9~1.3、1~1.9 km;PM_(2.5)的质量浓度范围分别为143~203、77~90、17~34μg/m^3;PM_(10)的质量浓度范围分别为170~271、103~153、33~78μg/m^3。研究结果表明:北京地区大气边界层高度对近地面颗粒物浓度具有明显的负相关影响。干净天、污染天和灰霾天下的PM_(2.5)和PM_(10)的质量浓度变化率随大气边界层高度降低而依次增大。灰霾天大气边界层高度引起的PM_(2.5)质量浓度平均变化率为-242.4μg·m^(-3)/km,约为污染天(-114.8μg·m^(-3)/km)的两倍,干净天(-77.4μg·m^(-3)/km)的三倍;灰霾天大气边界层高度引起的PM_(10)质量浓度平均变化率为-224.2μg·m^(-3)/km,约为污染天(-117.6μg·m^(-3)/km)的两倍,干净天(-90.4μg·m^(-3)/km)的两倍。

关键词：拉曼激光雷达大气边界层高度颗粒物大气污染

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长三角背景区域一次污染过程特征及成因分析

环境科学与技术 2021年第S2期44卷 55-62页

作者：董一雷姚杰单萌赵莅晗临安区域大气本底站浙江杭州311300 浙江临安大气成分本底国家野外科学观测研究站浙江杭州311300 建德市气象局浙江杭州311600

该文基于偏振拉曼激光雷达探测及大气污染物浓度数据,结合气象观测资料和HYSPLIT后向轨迹模式,对2019年12月2-16日长三角背景区域一次典型的大气污染过程开展分析。结果表明:颗粒物浓度上升与边界层降低存在较好的时空一致性,边界层降低... 详细信息

该文基于偏振拉曼激光雷达探测及大气污染物浓度数据,结合气象观测资料和HYSPLIT后向轨迹模式,对2019年12月2-16日长三角背景区域一次典型的大气污染过程开展分析。结果表明:颗粒物浓度上升与边界层降低存在较好的时空一致性,边界层降低8 h后,颗粒物浓度上升至峰值,PM;浓度为107.4μg/m^(3)。污染过程开始时,垂直尺度的消光系数廓线逐渐抬升,污染地区上空出现消光系数的高值区,高度为500~600 m,与边界层高度一致。污染期间消光系数变化规律与洁净期间背景值存在时间差异,洁净期间的高值出现在14-18时,污染期间高值出现在20-22时,垂直尺度方面两者保持一致。污染过程形成的主要原因为:局地输送、静稳天气形势和边界层高度下降使污染物浓度快速增长。

关键词：污染过程气溶胶颗粒物垂直结构拉曼激光雷达