拉曼氣溶膠激光雷達(dá)

激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)、分類(lèi)以及不同種類(lèi)激光雷達(dá)的工作原理。跟蹤激光雷達(dá)新發(fā)展和應(yīng)用,根據(jù)探測(cè)物質(zhì)的不同,分別討論了激光雷達(dá)在探測(cè)氣溶膠、云、邊界層、溫度、能見(jiàn)度、風(fēng)、大氣成分、水汽和鈉層方面的應(yīng)用,綜述了目前國(guó)內(nèi)外氣象探測(cè)的半導(dǎo)體激光雷達(dá)、微脈沖激光雷達(dá)、一般彈性散射激光雷達(dá)、多普1勒激光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)和Raman激光雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì),認(rèn)為激光雷達(dá)將向多波長(zhǎng)、多探測(cè)功能、商業(yè)化、區(qū)域化及全球化方向發(fā)展,它在氣象與環(huán)境監(jiān)測(cè)中正在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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拉曼氣溶膠激光雷達(dá)探測(cè)

針對(duì)全球范圍內(nèi)大氣參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)需求，以地表30千米內(nèi)與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)的大氣空間為探測(cè)對(duì)象，依據(jù)大氣分子的拉曼散射原理，開(kāi)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的紫外域波長(zhǎng)激光雷達(dá)探測(cè)大氣水汽、溫度和氣溶膠特性的系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究，主要涉及拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)技術(shù)、微弱信號(hào)提取技術(shù)與方法、大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)拼接與校正技術(shù)、多參量并行精細(xì)探測(cè)及反演技術(shù)和模塊化系統(tǒng)集成技術(shù)與對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究等多學(xué)科交叉技術(shù)。結(jié)合多年來(lái)研究大氣水汽和溫度拉曼激光雷達(dá)技術(shù)的積累，研制了以特殊分色1片和窄帶干涉濾光片為核心的拉曼分光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大氣分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)的精細(xì)提取技術(shù)，構(gòu)建了拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣水汽、溫度與氣溶膠廓線的精細(xì)探測(cè)。長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)探測(cè)性能穩(wěn)定，可靠性高，可作為區(qū)域性大氣和空間環(huán)境地基激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)基地繼續(xù)開(kāi)展長(zhǎng)期觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。

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大氣拉曼氣溶膠激光雷達(dá)

大氣氣溶膠的氣候強(qiáng)迫是目前氣候變化因素中不確定性大的一項(xiàng)。氣溶膠的光學(xué)特征直接影響大氣輻射過(guò)程,也可以通過(guò)在微物理過(guò)程中與云-降水的相互作用間接影響輻射過(guò)程。有必要對(duì)氣溶膠光學(xué)和微物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè),降低氣溶膠輻射強(qiáng)迫在天氣和氣候模式中的不確定性。本研究利用多波段Raman激光雷達(dá)(355、532和1064nm)對(duì)北京上空氣溶膠進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè),建立了光學(xué)參數(shù)的自動(dòng)算法[1,2],并在此基礎(chǔ)上提出了環(huán)境氣溶膠微物理參數(shù)的3波段Raman激光雷達(dá)反演算法[3,4]。實(shí)現(xiàn)了對(duì)北京上空氣溶膠光學(xué)和微物理參數(shù)垂直分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反演。2016年12月至今,在北京大學(xué)(39.99N,116.31E)校內(nèi)樓頂,利用北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)系及國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)多波段Raman激光雷達(dá),對(duì)北京上空氣溶膠進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)。利用觀測(cè)得到的米散射和Raman散射信號(hào),建立了355、532和1064nm后向散射系數(shù)及355nm消光系數(shù)的自動(dòng)反演算法,得到了北京地區(qū)上空氣溶膠光學(xué)特征。根據(jù)6S輻射傳輸模式中氣溶膠模型,假設(shè)北京上空氣溶膠由黑炭型(Soot)、可溶型(Water Soluble)和沙塵型(Dust)組合構(gòu)成,各類(lèi)型氣溶膠均假設(shè)為對(duì)數(shù)正態(tài)分布;利用T-matrix米散射模型,計(jì)算三種氣溶膠的光學(xué)參數(shù)(355、532和1064nm后向散射系數(shù)和355nm消光系數(shù))制作查算表,查算表變量包括三種氣溶膠數(shù)濃度(N1,N2,N3)和可溶性氣溶膠中心粒徑(rg)。對(duì)比光學(xué)參數(shù)的觀測(cè)值和模擬值,得到三種氣溶膠數(shù)濃度和可溶型氣溶膠中心粒徑的優(yōu)解,進(jìn)而計(jì)算氣溶膠微物理參數(shù)(有效半徑、表面積濃度、體積濃度和復(fù)折射指數(shù)),個(gè)例和統(tǒng)計(jì)分析表明結(jié)果合理。

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拉曼氣溶膠激光雷達(dá)妙用

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激光雷達(dá)是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達(dá)系統(tǒng)，其原理和構(gòu)造與激光測(cè)距儀極為相似?？茖W(xué)家把利用激光脈沖進(jìn)行探測(cè)的稱為脈沖激光雷達(dá)，把利用連續(xù)波激光束進(jìn)行探測(cè)的稱為連續(xù)波激光雷達(dá)。激光雷達(dá)的作用是能精1確測(cè)量目標(biāo)位置(距離和角度)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、振動(dòng)和姿態(tài))和形狀，探測(cè)、識(shí)別、分辨和跟蹤目標(biāo)。經(jīng)過(guò)多年努力，科學(xué)家們已研制出火控激光雷達(dá)、偵測(cè)激光雷達(dá)、導(dǎo)1彈制導(dǎo)激光雷達(dá)、靶場(chǎng)測(cè)量激光雷達(dá)、導(dǎo)航激光雷達(dá)等。