大氣拉曼氣溶膠激光雷達

基于高能量、高頻率的一款戶外全天候、全天時大氣氣溶膠激光雷達，可輸出大氣氣溶膠（顆粒物、沙塵、云等）消光廓線、退偏廓線、邊界層、光學(xué)厚度，進一步反演大氣顆粒物廓線等，配備先進三維掃描鏡頭，實現(xiàn)全自動、多方位的掃描功能，解析顆粒物空間立體分布狀況。

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大氣氣溶膠的氣候強迫是目前氣候變化因素中不確定性大的一項。氣溶膠的光學(xué)特征直接影響大氣輻射過程,也可以通過在微物理過程中與云-降水的相互作用間接影響輻射過程。有必要對氣溶膠光學(xué)和微物理參數(shù)進行實時連續(xù)監(jiān)測,降低氣溶膠輻射強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(355、532和1064nm)對北京上空氣溶膠進行了連續(xù)觀測,建立了光學(xué)參數(shù)的自動算法[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激光雷達反演算法[3,4]。實現(xiàn)了對北京上空氣溶膠光學(xué)和微物理參數(shù)垂直分布的實時監(jiān)測反演。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)系及國家重點實驗室的一臺多波段Raman激光雷達,對北京上空氣溶膠進行了連續(xù)觀測。利用觀測得到的米散射和Raman散射信號,建立了355、532和1064nm后向散射系數(shù)及355nm消光系數(shù)的自動反演算法,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,各類型氣溶膠均假設(shè)為對數(shù)正態(tài)分布;利用T-matrix米散射模型,計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)。對比光學(xué)參數(shù)的觀測值和模擬值,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,進而計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)),個例和統(tǒng)計分析表明結(jié)果合理。

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拉曼氣溶膠激光雷達

激光雷達是工作在光頻波段的雷達。與微波雷達的原理相似，它利用光頻波段的電磁波先向目標發(fā)射探測信號，然后將其接收到的同波信號與發(fā)射信號相比較，從而獲得目標的位置(距離、方位和高度)、運動狀態(tài)(速度、姿態(tài))等信息，實現(xiàn)對目標的探測、跟蹤和識別。

激光雷達由發(fā)射，接收和后置信號處理三部分和使此三部分協(xié)調(diào)工作的機構(gòu)組成。激光光速發(fā)散角小，能量集中，探測靈敏度和分辨率高。多普1勒頻移大，可以探測從低速到高速的目標。天線和系統(tǒng)的尺寸可以作得很小。利用不同分子對特定波長得激光吸收、散射或熒光特性，可以探測不同的物質(zhì)成分，這是激光雷達獨有的特性。

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拉曼氣溶膠激光雷達特點

(1)分辨率高

激光雷達可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是說可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個目標(這是微波雷達無論如何也辦不到的),并可同時跟蹤多個目標;距離分辨率可達0.lm;速度分辨率能達到10m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率高,意味著可以利用距離--多譜勒成像技術(shù)來獲得目標的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達的顯著的優(yōu)點,其多數(shù)應(yīng)用都是基于此。

(2)隱蔽性好、抗有源干擾能力強

激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,只有在其傳播路徑上才能接收到，因此敵方截獲非常困難，且激光雷達的發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射望遠鏡)口徑很小,可接收區(qū)域窄，有意發(fā)射的激光干擾信號進入接收機的概率極低;另外，與微波雷達易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對激光雷達起干擾作用的信號源不多，因此激光雷達抗有源干擾的能力很強,適于工作在日益復(fù)雜和激烈的信息1戰(zhàn)環(huán)境中。

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