摘要：基于聚类思想设计了二维和三维云相态聚类识别算法,结合偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达资料,进行了云相态的精细识别与分类方法研究。将云粒子的体退偏比、温度和反射率因子作为聚类网络学习的输入特征量,通过无监督学习区分云层中不同相态的簇划分结果,利用簇划分结果实现了对云相态的精细识别,解决了传统云相态识别中采用单一阈值算法导致的结果误判问题。所设计算法可以实现云中过冷水区、暖云液态水区和冰相的高效识别,同时对混合云相态实现了冰占主导和水占主导的细分。利用偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达对西安市上空云层进行了观测,反演了三台仪器的同步观测数据。利用所设计的聚类识别算法对2021年1月9—10日和2021年6月8—9日观测到的云数据进行了二维聚类和三维聚类识别与分析,实现了云层内暖云滴、混合相(冰占主导、水占主导)、过冷水和冰相的区分。通过比较与分析,发现三维聚类识别算法比二维聚类识别算法更能详细地展现相态转换过程的细节信息,整体识别结果与实际天气变换过程吻合。

摘要：为实现转动拉曼激光雷达的绝对测量温度技术,设计并测试了多通道转动拉曼分光系统.提出了一阶闪耀光栅与光纤Bragg光栅组成的两级并行多通道拉曼分光系统,优化了其核心级联器件(微米级光纤阵列)的参数及光路结构;仿真分析了一级分光系统的分光光路,转动拉曼谱线最大离心伸缩量约为0.0031 nm,离心伸缩比为0.69%;实验测试表明一级分光系统各转动拉曼通道的通道系数均在0.75以上,提取到拉曼光谱的实测中心波长与理论值的最大偏差约为0.0398 nm,偏离度为8.86%,可提供对弹性散射信号27 dB以上的有效抑制,结合已有光纤Bragg光栅二级分光实现高达62 dB弹性散射的抑制效果,可以实现对单条偶转动量子数转动拉曼谱线的精细光谱提取.

摘要：以OPO激光器为光源,设计了一台激发波长在192~2 750nm范围内连续可调谐的激光雷达系统.分光系统由可旋转光栅和小孔光阑构成,通过调节光栅的衍射角,实现不同波长回波信号的有效接收.光电倍增管用于紫外和可见光波段回波信号的光电转换,InGaAs探测器用于红外波段回波信号的光电转换.后续数据采集及处理由专用采集系统和PC机完成.利用美国标准大气模型对系统在不同波段的探测能力进行数值仿真,验证了系统的可行性.该系统实现了激光雷达激发波长的大范围扩展,对精细反演近地表气溶胶微物理特性具有重要的研究意义.

摘要：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.

摘要：提出了一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统,选用Nd\:YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励波长,避开了强烈的太阳背景光对系统探测大气温度的影响。设计了一种新型三次衍射式双光栅多色仪作为激光雷达的分光系统。仿真结果表明,双光栅多色仪可实现Stokes与Anti-Stokes高低量子数通道转动拉曼谱线的有效提取,对米-瑞利弹性散射信号的抑制率可达到60～70 dB。充分考虑臭氧吸收和荧光对系统探测性能的影响,所设计的日盲紫外纯转动拉曼激光雷达采用模拟探测模式可在12 min的积分时间内实现2.2 km高度范围内大气温度的全天时探测。

摘要：多普勒激光雷达在大气风场探测方面已经得到了广泛应用。光纤Mach-Zehnder干涉仪(MZI)作为多普勒激光雷达的新型鉴频系统,具有体积小、轻便、稳定性高的优点。鉴于一般常用的单模光纤MZI与望远镜接收系统的多模光纤直接耦合时能量耦合损耗严重、耦合效率低的缺点,提出采用多模光纤MZI作为鉴频系统,以提高耦合效率,实现能量及探测高度的增加。针对多模光纤MZI可能产生的干涉质量下降问题,利用调整入射角及扰模方式实现多模光纤准单模输出,理论计算结果表明实验所用多模光纤准单模输出对应的入射角度为0.8°,扰模直径为2.2 cm,并进行了实验验证。通过对多普勒激光雷达系统的风场探测信噪比的仿真和对比分析可得,多模光纤MZI作为鉴频器将有效提升系统探测性能。

摘要：设计了一种基于半导体激光器的780nm高光谱分辨率激光雷达。发射系统以分布反馈式半导体激光器为种子源,利用脉冲电流驱动的锥形半导体光放大器实现窄线宽微脉冲激光输出。分光系统由干涉滤光片、法布里-珀罗标准具和铷原子吸收池构成。干涉滤光片带宽为0.5nm,法布里-珀罗标准具的半峰全宽为2.8GHz,二者串联可有效剔除太阳背景光。温度为338K的铷原子吸收池对米氏散射信号的抑制比达33dB,可有效提取瑞利散射信号。基于美国标准大气模型对系统进行了数值仿真,验证了系统的探测能力。研究结果对气溶胶光学参量的探测研究具有重要意义。

摘要：提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.

摘要：拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号,可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱,在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中,多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量,设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出—266.0nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长,采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器,同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统,实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5,283.6和294.6nm的精细提取。计算仿真结果表明,臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响,主要是探测距离的影响;氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响;水汽通道存在少量太阳背景光噪声,对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明,设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时,可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线,修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收,进一步提升系统的探测能力和探测精度。

摘要：多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s^(-1))鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s^(-1)))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s^(-1)大动态范围内风速误差小于1 m·s^(-1)的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。