作者单位
摘要
西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
提出一种新型的侧向纯转动拉曼散射激光雷达探测技术,其采用双基地的收发系统结构,利用侧向接收系统的俯仰扫描功能实现对与温度具有相反依存关系的高低量子数的侧向纯转动拉曼散射光谱的探测,该技术为从地表到特定高度大气温度的无盲区探测提供了技术支持。侧向纯转动拉曼散射激光雷达的初步观测实验采用整段等距离分辨率和分段等距离分辨率两种云台转动方案,反演结果表明侧向纯转动拉曼散射激光雷达可实现1400 m高度范围内大气温度的精细探测,且分段等距离分辨率云台转动方案在近地表312 m高度范围内能够获得更为精细的大气温度空间分布特征。
大气光学 激光雷达 近地表大气温度 侧向纯转动拉曼散射 无盲区探测 俯仰扫描 
光学学报
2024, 44(6): 0601015
段明轩 1,*李仕春 1,2刘家辉 1王怡 1[ ... ]高飞 1,2
作者单位
摘要
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 陕西省现代装备绿色制造协同创新中心, 陕西 西安 710048
苯作为挥发性有机化合物(VOCs)的重要组成部分, 其大气污染状况日益引起人们的关注, 中红外波段通常是分子的基频指纹吸收区, 已成为痕量气体检测的重要波段, 而差分吸收激光雷达是探测大气痕量气体的重要手段, 故针对区域性苯浓度实时遥感问题, 提出基于中红外带间级联激光器(ICL)的探测大气苯浓度路径积分型差分吸收(IPDA)激光雷达系统。 首先, 在分析IPDA激光雷达的探测原理的基础上, 构建了IPDA激光雷达的反演算法及其误差分析模型。 其次, 详细分析来自HITRAN数据库的中红外3 100 cm-1附近苯以及主要干扰气体(如HCl, CH4和H2O)的吸收光谱, 结合HCl和CH4着重考虑了H2O对探测结果的影响, 选择IPDA激光雷达的测量波长和参考波长分别为3 090.89和3 137.74 cm-1。 再次, 基于两个连续波ICL, 设计了探测大气苯浓度IPDA激光雷达系统, 并可通过控制温度和驱动电流调谐激光器的输出波长, 使其波长分别稳定在强吸收谱区和弱吸收谱区, 并设计了基于中红外衍射光栅的光谱分光子系统, 以实现双波长接收信号的同步探测。 最后, 基于标准大气模型, 仿真分析了不同路径长度、 能见度和水汽浓度情况下激光雷达的探测性能, 并搭建中红外波段检测气体池开展了测试实验, 以验证该IPDA激光雷达系统的可行性。 仿真及实验结果分析表明, 当大气能见度为5 km, 水汽浓度低于0.4%时, 苯的浓度路径积(CL)在0.1~24 mg·m-3·km范围内探测的相对误差优于10%, 而苯的CL为5 mg·m-3·km时探测相对误差优于1%; 初步实验测试了中外红波段差分吸收激光雷达探测的线性相关系数R2约为98.7%。
中红外光谱 激光雷达 差分吸收光谱 苯浓度 Mid-infrared spectroscopy Lidar Differential absorption spectrum Benzene concentration 
光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3351
李仕春 1,2,*任腾 1张鹏辉 1高迎春 1[ ... ]高飞 1,2
作者单位
摘要
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
2 陕西省现代装备绿色制造协同创新中心,陕西 西安 710048
激光雷达近场信号的重叠因子校正和盲区问题一直制约着激光雷达的实用化进程,在假设水平大气均匀的情况下,提出了Mie散射激光雷达的近场信号垂直扫描校正方法和多角度反演算法,实现了大气状态自适应控制遥感。从散射型激光雷达方程出发,构建了激光雷达近场的重叠因子和盲区的模型,结合研制的二维扫描激光雷达参数,仿真分析了重叠因子和盲区的特征。利用Fernald气溶胶反演算法,提出了基于信噪比的多仰角扫描控制与校正方案,以实现不同大气状态的自适应扫描控制。融合多角度扫描遥感数据,并以水平探测的Collis法反演的结果作为地面消光系数,获得了大气气溶胶消光系数无盲区廓线,验证了方案的有效性。数据分析结果表明,在静稳天气时水平能见度优于18 km的情况下,以信噪比20为阈值,通过7个仰角约15 min观测,可实现激光雷达重叠因子的自适应校正,获得的重叠因子校正曲线与水平校正法的平均相对偏差约20%,两组扫描校正的重叠因子的平均相对误差为4.2%,可实现大气气溶胶的无盲区反演。
传感器 激光雷达 近场信号校正 大气消光系数 垂直扫描 
光学学报
2023, 43(18): 1828001
作者单位
摘要
西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
考虑到多纵模高光谱分辨率激光雷达(MLM-HSRL)接收的大气弹性散射回波具有与激光器发射光束一致的高斯传输特性,因此分析马赫-曾德尔干涉仪(MZI)光程差和透过率时必须要考虑发散角的影响。详细分析入射光束的发散角对大光程差MZI分光性能的影响,仿真计算得到基于空气腔的大光程差MZI所允许的光束发散角要≤0.4 mrad。为了降低发散角对大光程差MZI分光性能的影响,提出一种基于补偿玻璃的大光程差MZI的视场展宽技术。理论分析和仿真结果表明,视场展宽后系统可允许的发散角可达25.6 mrad,视场展宽技术极大地提升了大光程差MZI的分光能力。
测量 马赫-曾德尔干涉仪 多纵模高光谱分辨率激光雷达 视场展宽 大光程差 有效透过率 
光学学报
2023, 43(6): 0612007
作者单位
摘要
西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
提出了一种稳定的拉曼激光雷达重叠因子计算和校正算法,适用于含有拉曼散射通道的激光雷达系统的重叠因子校正。此算法基于大气气溶胶光学参数的拉曼反演算法,通过分析消光系数和后向散射系数的反演特点,发现后向散射系数在过渡区中不受重叠因子的影响。用后向散射系数和激光雷达比的乘积对消光系数缺失信号进行初步校正,进而正演出初步校正后的拉曼散射回波信号,将实际拉曼散射回波信号与正演的拉曼散射回波信号相除即可得到重叠因子廓线。对回波信号和气溶胶光学参数进行了过渡区信号校正和盲区信号补充。分别用单组和连续的激光雷达实验观测数据进行了重叠因子的计算和校正,并与能见度仪观测的近地面数据进行了对比,呈现良好的一致性。结果表明,此算法对重叠因子计算较为稳定。
大气光学 激光雷达 拉曼散射 重叠因子 校正 
光学学报
2023, 43(6): 0601005
作者单位
摘要
西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
针对已有的可调谐二极管激光吸收光谱-波长调制光谱(TDLAS-WMS)中所需的谐波检测二倍频信号产生往往需要复杂的“倍频-比较-移相”电路,提出一种新型的TDLAS-WMS控制信号产生方法:利用现场可编程门阵列(FPGA)控制高速数字/模拟(D/A)产生锯齿波扫描信号和正弦波调制信号,叠加后控制激光器实现波长调制扫描;同时,FPGA依据相位信号同步输出一个正弦波调制信号的二倍频方波信号,加入延时补偿环节后,与探测器模块接收到的吸收信号中的正弦波调制信号的相位差为零,解调经过气体吸收后的调制扫描信号。设计了基于该方法的TDLAS-WMS系统方案、高速D/A转换电路、延时电路及FPGA控制流程,实验验证了正弦信号与其二倍频方波延时信号的同步性,将该方法用于某气体检测系统,成功地检出了与浓度相关的二倍频吸收信号,检出幅值得到一定提升,从而验证了该方法的有效性。
光谱学 可调谐半导体激光吸收光谱 波长调制 延时补偿 现场可编程门阵列 锁相放大 
激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0530001
Author Affiliations
Abstract
1 School of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China
2 Center for Atmospheric Research, University of Nova Gorica, SI-5000 Nova Gorica, Slovenia
The multilongitudinal mode (MLM) high-spectral-resolution lidar (HSRL) based on the Mach–Zehnder interferometer (MZI) is constructed in Xi’an for accurate measurements of aerosol optical properties. The critical requirement of the optimal match between the free spectral range of MZI and the longitudinal mode interval of the MLM laser is influenced by the laboratory temperature, pressure, and vibration. To realize the optimal separation of aerosol Mie scattering signals and molecular Rayleigh scattering signals excited by the MLM laser, a self-tuning technique to dynamically adjust the optical path difference (OPD) of the MZI is proposed, which utilizes the maximum ratio between the received power of the Mie channel and Rayleigh channel as the criterion of the OPD displacement. The preliminary experiments show the feasibility of the MLM-HSRL with self-tuning MZI and the stable performance in the separation of aerosol Mie scattering signals and molecular Rayleigh scattering signals.
high-spectral-resolution lidar aerosol optical properties multilongitudinal mode laser self-tuning Mach–Zehnder interferometer 
Chinese Optics Letters
2023, 21(3): 030101
作者单位
摘要
西安理工大学 机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
为了对重化工污染区甲醛气体进行探测,开展了差分吸收激光雷达甲醛气体浓度探测研究。基于差分吸收激光雷达原理,针对甲醛气体在中红外波段有较强的吸收波段,并考虑开放光程下大气干扰气体的影响,选择了系统的探测波长 ${\lambda _{\rm on}}$${\lambda _{\rm off}}$;依据差分吸收激光雷达浓度反演方法,结合系统参数,对设计的DIAL系统的探测距离、气体浓度及干扰气体的可能影响进行了仿真研究。结果表明,该系统有望对浓度为0.017~1.5 ppm (1 ppm=10−6),距离为0.4~1.1 km范围内的甲醛气体进行探测,相对误差小于5%,可满足对重化工污染区甲醛气体浓度探测需求。文中的研究可为应用于化工重污染区域甲醛气体无组织排放监测的中红外差分吸收激光雷达系统的研制提供理论依据和技术基础。
差分吸收激光雷达 甲醛气体 吸收截面 浓度反演 DIAL formaldehyde gas absorption cross section concentration inversion 
红外与激光工程
2022, 51(9): 20210925
李仕春 1,2,*王旭 1张鹏辉 1辛文辉 1,2[ ... ]宋跃辉 1,2
作者单位
摘要
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
2 陕西省现代装备绿色制造协同创新中心,陕西 西安 710048
为实现大气温度廓线的全天时绝对探测,基于N2分子的精细纯转动拉曼谱线结构,本课题组提出并设计了多通道纯转动拉曼激光雷达分光系统。采用F-P干涉仪(FPI)作为频率梳滤波器,考虑FPI膜层损耗和镜面缺陷,精细匹配N2分子anti-Stokes分支的纯转动拉曼谱线,实现了FPI结构及性能参数的优化,并有效滤除了太阳背景噪声及邻近谱线信号;结合衍射光栅和光纤线阵列,通过两级光谱滤光对弹性散射信号实现了约60 dB的抑制率,有效提取了8通道偶转动量子数(J=6~20)的拉曼光谱信号,以直接反演大气温度;基于标准大气模型,对8通道纯转动拉曼分光系统的信号功率及信噪比进行了仿真,并分析了全天时绝对测温激光雷达的探测性能。结果表明,在累积时间为17 min时,该系统实现白天信噪比优于10的探测高度可达到1.8 km,反演温度1 K偏差对应的高度达0.8 km,可实现全天时大气温度廓线的无校正探测。
遥感 激光雷达 纯转动拉曼绝对测温 F-P干涉仪 精细拉曼谱结构 无校正探测 
中国激光
2022, 49(13): 1310002
李仕春 1,2,*任腾 1王旭 1王玉峰 1,2[ ... ]华灯鑫 1,2,**
作者单位
摘要
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 陕西省现代装备绿色制造协同创新中心, 陕西 西安 710048
针对飞机起降安全的斜程能见度探测问题,研制了一台4通道的米-拉曼散射扫描型激光雷达,可实现双波长无假定的大气消光系数廓线反演,进而可精细探测大气斜程能见度。基于大气能见度理论,假设观测路径附近无光源且忽略气溶胶粒子谱分布影响,分析了采用大气平均消光系数反演斜程能见度的有效性。该激光雷达采用Nd∶YAG激光器的基频(1064 nm)和三倍频(355 nm)激光脉冲作为光源,采用以二向色镜和窄带干涉滤光片为核心的拉曼光谱分光系统,利用有限状态机理论和多线程并发技术实现多模块协同控制软件。结合侧向散射型能见度仪,开展初步观测实验与分析。结果表明,当天气为多云转阴,地面水平能见度为9 km,俯仰角为26°时,所研制系统累积观测4 min的有效探测距离优于11 km,近地面分析结果取得了很好的一致性。
传感器 激光雷达 斜程能见度 大气消光系数 拉曼光谱分光 有限状态机 
光学学报
2022, 42(12): 1228001

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