1 中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026
2 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044
分析了国内外主要的温室气体通量测量方法，包括针对地球生态系统通量的测量方法和针对人为排放通量的测量方法。梳理了地基原位通量测量网络、地基和星载被动遥感技术和以激光雷达为代表的主动遥感技术的研究现状与进展，分析了当前测量技术对人为碳排放的探测能力。结合国内外发展趋势，展望了为满足全球和区域人为碳排放监测的需求，需要同化原位探测与主动遥感探测数据、通过科学的卫星组网提高时空分辨率并建立不同尺度的模型。
遥感 温室气体通量 生态系统通量 人为排放 光学学报
2023, 43(18): 1899906
1 南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 南京 210044
2 中国科学技术大学 地球与空间科学学院，安徽 合肥 230026
激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点，是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达，1.5 μm大气探测激光雷达有独特优势，包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年，世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生，实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后，1.5 μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分，1.5 μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶（云）、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水（雨滴谱），并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。
1.5 μm激光雷达 气溶胶和云 风廓线 湍流耗散率 气体浓度 雨滴谱 1.5 μm lidar aerosol and cloud wind profile TKEDR gas concentration raindrop size distribution 红外与激光工程
2021, 50(3): 20210079
1 中国科学技术大学 中国科学院近地空间环境重点实验室，安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学 合肥微尺度物质科学国家研究中心，安徽 合肥 230026
多普勒测风激光雷达是一种有效的具有高时空分辨率的遥感测风仪器。然而，由于雨滴反射的干扰信号，在雨天条件下进行精确的风廓线测量是一个挑战，但是这也为探测降雨提供了一种可能。在这项工作中，一台垂直指向的1.5 μm全光纤相干多普勒激光雷达被应用于风和雨的同时探测。由于相干多普勒激光雷达能够进行精确的频谱测量，因此在下雨天，它可以同时检测到气溶胶和雨滴的回波信号。具有速度差异的气溶胶和雨滴的回波信号会导致多普勒频谱出现两个峰值，从而可以根据频谱宽度来识别降雨事件。通过双高斯模型拟合多普勒频谱，可以获得两个速度，分别为风速和雨速。与微雨雷达结果的对比验证了多普勒激光雷达探测降雨的能力，同时也降低了多普勒激光雷达在雨天条件下风速的错误探测概率。
相干激光雷达 遥感 测风 测雨 双峰谱 coherent lidar remote sensing wind detection rainfall detection two-peak spectrum 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200406
1 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室, 安徽 合肥 230026
相干测风激光雷达采用外差探测方式,其后向散射信号经本振光放大,信噪比理论上可达到量子极限,具有高时空分辨、高精度的特点。相干测风激光雷达广泛应用于测量风切变、大气湍流、飞机尾流、阵风以及重力波等。目前,国内外相继开展了相干测风激光雷达的研究。介绍了相干测风激光雷达的发展历史,详细介绍了各波段相干测风激光雷达的最新研究进展,并对相干测风激光雷达的发展趋势进行了简要总结。
遥感 相干激光雷达 全光纤 测风 多普勒 激光与光电子学进展
2019, 56(2): 020001
1 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室, 安徽 合肥 230026
在光子计数模式的激光雷达应用中,回波信号的动态范围大。激光雷达的远场回波信号处于探测器的线性输出区间,无需进行校准;近场信号基本处于探测器的非线性响应区,需要进行校准。为了提高远场信号的信噪比,提出了一种校准方法。依据脉冲激光雷达方程,使用远场信号反演得到修正的近场信号,并与接收的回波信号作比较,得到校准因子。进一步使用校准因子修正前后的数据分别反演了能见度,并与能见度仪的探测结果作比较。结果显示:对于未修正的数据,远场信号反演与能见度仪得到的能见度平均偏差和标准差分别为0.57 km和1.89 km,而近场信号的平均偏差大于10 km。由修正后的数据得到的能见度与能见度仪的结果符合得很好,平均偏差和标准差分别为0.43 km和0.76 km。
激光雷达 校准因子 非线性修正 能见度 单光子探测器 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 110402
中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
激光雷达对于实现隐形目标或大气、海洋、陆地领域目标等方面的高分辨率多参数探测具有重要意义。相对于传统的单独时域或频域处理,时频分析在激光雷达信号分析、解译和处理等方面可以提供更多的信息。时频分析在激光雷达中的具体应用包括大气参数的特征分析与提取、信号去噪、运动目标成像与检测以及微多普勒特征分析等。在简要阐述各种时频分析原理特性基础上,着重介绍时频分析在激光雷达中的最新应用进展。
激光光学 激光雷达 时频分析 参数提取 目标探测 激光与光电子学进展
2018, 55(12): 120005
中国科学技术大学 地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点, 已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号, 对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果, 自适应最优核时频分布具有运算量小, 交叉项抑制效果好, 时频聚集度高等优点。最后, 使用1.5 μm相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测, 将自适应最优核时频分布应用于实测数据, 与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明: 自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息, 3 km内距离分辨率为1.2 m, 3 km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性, 时间分辨率为1 s时其最远水平探测范围约在6 km。
时频分析 相干测风激光雷达 大气分层模型 time-frequency analysis coherent Doppler wind lidar atmospheric slices model 红外与激光工程
2018, 47(12): 1230001
1 中国科学技术大学 地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所, 北京 100095
精准的距离测量对于卫星编队飞行、行星空间定位、大型结构形状测量、微小位移测量以及工业制造测量等方面具有重要意义。近年来, 基于飞秒激光频率梳的测距技术以其测量速度快、准确度高等优点成为国际研究热点。在简要阐述飞秒激光频率梳原理特性基础上, 分析了目前国内外主要的飞秒激光频率梳测距的原理及测距结果, 包括飞行时间法、多波长干涉法、双频率梳法、空间色散干涉法、实时色散傅里叶变换法以及多技术综合测距法。简要介绍了在测量过程中对空气折射率修正和色散补偿方法, 对各类测距方法进行了对比总结, 着重介绍了基于飞秒激光频率梳的测距最新研究进展。
计量 激光雷达 激光测距 光学频率梳 超快激光 metrology lidar laser ranging optical frequency comb ultrafast laser 红外与激光工程
2018, 47(10): 1006008
1 中国科学技术大学地球和空间科学学院， 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室， 安徽 合肥 230026
针对相干激光雷达远场回波信号信噪比低，提取困难的问题，提出了脉冲编码技术，以改善系统信噪比，增大雷达探测距离。研究了相干激光雷达系统中Golay码的编码和解码原理，理论分析了采用脉冲编码技术对系统信噪比的提升效果。基于大气分层模型仿真生成了相干激光雷达时域回波信号。基于Golay码解码原理得到了脉冲编码系统的风速结果，仿真结果表明，时间分辨率为1 s，距离分辨率为60 m的情况下，使用Golay编码脉冲作为相干激光雷达的探测脉冲，在0~5.3 km范围，风速误差小于3 m·s-1。在相同的测量时间内，相比于传统脉冲相干激光雷达，基于脉冲编码技术的相干激光雷达将探测距离提高了2.5 km，提高了远场弱信号的信噪比。
遥感 相干激光雷达 Golay编码 大气分层模型 信噪比
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 合肥 230026
2 中国科学院 近地空间环境重点实验室, 合肥 230026
3 哈尔滨工业大学 宇航科学与技术协同创新中心, 哈尔滨 150001
高峰值功率脉冲光纤激光器在激光雷达系统中有着广泛的应用。然而, 光纤激光器中放大自发辐射噪声(ASE)严重影响了系统的探测性能。提出一种测量高峰值功率脉冲光纤激光器中ASE噪声的方法。在该方法中, 首先对高峰值功率的激光脉冲衰减, 然后在时域分别测量和计算ASE噪声和激光脉冲的相对能量。给出了光纤激光器在驱动电流分别为6 A, 7 A和8 A时衰减后的ASE噪声廓线以及ASE噪声占激光脉冲能量的比例。
高功率光纤激光器 放大自发辐射 ASE比例 ASE廓线 激光雷达 high power pulsed fiber laser amplified spontaneous emission ASE ratio ASE profile lidar 强激光与粒子束
2015, 27(5): 051006
