1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026
2 北京遥测技术研究所，北京 100076
气溶胶对全球生态系统、物质循环具有重要影响，研究气溶胶光学参量等基础数据反演的准确性意义重大。利用来自欧洲气溶胶研究激光雷达网的4个观测站点（波坦察、莱比锡、里尔、埃武拉）在两次集中观测任务中的数据，对使用不同大气模式的温度、压强数据在反演气溶胶光学参量（消光和后向散射系数）及气溶胶分类中所产生的影响进行研究。结果表明：选用不同的大气模式对气溶胶光学参量进行反演会导致计算结果出现偏差，其中对于Raman法获取气溶胶消光系数的影响较大，在355 nm和532 nm处的最大偏差均可达到~20%。大气气溶胶浓度也会对不同模式的气溶胶光学参量反演结果产生影响，并且随观测波长的不同而有所差异。此外，不同大气模式会使气溶胶激光雷达比以及Ångström指数等与气溶胶类型相关的参量反演结果产生偏差，并最终影响气溶胶的分类。文中研究结果对于揭示大气模式的选取在反演气溶胶光学参量中的重要性以及对于气溶胶分类乃至大气科学的相关研究都具有重要的参考价值。
大气模式 气溶胶 激光雷达 偏差 气溶胶分类 atmospheric model aerosol lidar deviation aerosol classification 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220262
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
3 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽 亳州 233527
4 西北核技术研究所，陕西 西安 710024
太阳光背景辐射严重影响拉曼激光雷达白天探测的性能。为提高拉曼激光雷达白天探测的高度和精度，设计了激光波长为354.8 nm的拉曼激光雷达系统，讨论了354.8 nm和532 nm激光光源对拉曼激光雷达探测性能的影响，完成了系统的光路设计。偏振分光棱镜和1/4波片组成的光开关与收发合置的望远镜相结合，减小了系统的接收视场角，优化了白天探测的性能。以最小的温度不确定度为标准，通过仿真分析选取了转动拉曼通道干涉滤光片的各项参数，并对系统的探测性能进行了仿真。仿真过程中激光能量取200 mJ，频率50 Hz，积分时间20 min，距离分辨率105 m。收发合置的拉曼激光雷达系统在考虑退偏的情况下，白天探测的温度不确定度在3180 m以下小于1 K。白天探测水汽混合比的统计误差在2400 m以下，小于0.001 g/kg。仿真结果表明，白天探测的性能得到了一定程度的提高。
激光雷达 拉曼散射 收发合置 温湿度探测 lidar Raman scattering monostatic temperature and humidity detection 红外与激光工程
2021, 50(9): 20200410
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230031
2 合肥师范学院 物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230031
白天太阳光背景辐射严重降低雷达系统的信噪比, 从而影响探测高度和精度。为实现对中高层大气相关参数的全天时测量, 利用Nd:YAG激光器产生的355 nm激光束作为光源, 研制了用于全天时的超窄带滤光器。从原理出发, 利用FP标准具透过率曲线单支具有超窄带宽的特性, 设计了一款用于进行白天观测的级联式超窄带滤光器; 给出了该超窄带滤光器近似透过率函数形式, 定义了滤光器性能评价函数, 给出了设计方法; 通过定义的滤光器性能评价函数, 对超窄带滤光器主要参数进行了优化设计, 给出了各光学部件具体参数, 给出了超窄带滤光器的信噪比提升效果; 最后, 通过具体实验对各标准具及级联状态下的系统透过率进行了标定, 经曲线拟合表现出较好的一致性。
激光雷达 滤光器 法布里-珀罗标准具 超窄带 lidar filter Fabry-Perot etalon ultra-narrow 红外与激光工程
2020, 49(2): 0205003
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230031
2 合肥师范学院 物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230031
为实现近距离风场的精确实时观测, 基于连续相干探测技术, 选取人眼安全的1.55 μm为工作波长, 设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性, 望远镜采用同轴透射式结构, 有效口径为70 mm, 测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号, 并设计了谱质心算法估计径向风速, 提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明, 所设计激光风速仪输出信号稳定, 时间分辨率为1 s, 风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验, 两设备测得风速数据相关系数为0.997, 标准差为0.090 m/s, 最大相差0.480 m/s。
遥感 风速仪 连续激光 相干探测 remote sensing anemometer continuous wave laser coherence detection 红外与激光工程
2019, 48(12): 1203008
1 宁波大学 信息科学与工程学院, 浙江 宁波 315211
2 复旦大学 微电子学院, 上海 201203
3 温州大学 数理与电子信息工程学院, 浙江 温州 325035
通过研究光学散斑提出一种二相滤波的可重构光学物理不可克隆函数设计方案.首先利用微粒空间布朗运动引起的随机偏差, 结合光干涉和衍射机理, 实现随机、不可克隆的光学散斑; 然后, 采用模式选择和二相滤波的方法, 实现物理不可克隆函数数据可重构并降低系统误差; 最后, 通过电荷耦合器件系统采集光学散斑图像, 进行二值化和冯诺依曼处理, 实现随机性高、鲁棒性强和可重构的物理不可克隆函数输出.制备了10组光学物理不可克隆函数样品并进行测试, 每组样品可产生512位二进制数据.实验结果表明所设计的光学物理不可克隆函数输出数据通过美国国家标准技术研究测试, 不同工作模式下随机性达99%, 二相滤波后系统误差降低3%.
光学散斑 物理不可克隆函数 二相滤波 可重构 信息安全 Optical speckle Physical unclonable function Two-phase filtering Reconfigurable Information security
1 中国科学技术大学 地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室, 安徽 合肥 230026
多普勒测风激光雷达以其高分辨率、高精度、大探测范围、能提供三维风场信息的能力, 吸引了多国学者的关注, 并投入了大量的人力、物力进行研究。所研究的多普勒测风激光雷达采用种子注入的方式获得单纵模、窄线宽、高功率的激光输出。激光器中心频率的缓慢漂移、环境噪音、激光棒温度变化或者振动干扰都有可能导致激光器种子光的注入不成功, 出射激光光谱由注入成功时的单纵模输出变为多纵模输出。激光单纵模输出时线宽约为200 MHz, 而多纵模时激光线宽很宽。而种子注入不成功时所出射的多纵模激光脉冲将导致瑞利后向散射谱变宽, 会增加风速测量误差。该脉冲筛选电路在数据采集环节实现对多纵模激光脉冲的筛选, 有效降低了风速测量误差, 提高测风准确度。
遥感 激光雷达 多普勒测风 脉冲筛选电路 remote sensing lidar Doppler winds pulse screening circuit 红外与激光工程
2018, 47(2): 0230001
1 中国科学技术大学地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室, 安徽 合肥 230026
为满足氦(He)激光雷达系统的探测指标, 实现200～1000 km大气中He原子密度的测量, 对He密度探测激光雷达系统的参数和性能进行设计(主要包括激光发射部分、光学接收部分、数据采集和控制部分), 对比在不同亚稳态He密度、不同积分时间、不同距离分辨条件下系统接收光子数与距离的关系, 其中亚稳态He的密度对信号强度的影响最大。用较低高度的瑞利散射信号标定共振荧光信号, 获得相对数密度曲线和信噪比(SNR)曲线。仿真结果显示, 在积分时间为30 min, 距离分辨为50 km, 亚稳态He原子［He(23S)］密度最低的情况下, 在250～530 km高度范围内, 相对误差小于2%, SNR大于40。结果证明系统设计的参数可以满足高层大气He原子密度的探测要求, 对将来系统的实现有一定参考价值。
遥感 氦测密度激光雷达 热层 亚稳态氦 共振荧光
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 陆军军官学院, 安徽 合肥 230031
临近空间风场的探测, 在大气动力学研究和提高数值天气预报的准确性, 以及航空航天保障等方面具有重要意义。研制基于瑞利散射双边缘技术的60 km多普勒激光雷达用于临近空间大气风场的测量。激光雷达主要分为垂直指向测量系统和两台斜指向测量系统。工作波长355 nm, 探测距离15~60 km。为验证系统的可靠性和积累风场观测数据, 于2014年下半年进行了外场实验, 并与当地的探空气球数据进行对比, 结果显示60 km瑞利多普勒激光雷达风场测量数据与探孔气球数据具有良好的一致性。
瑞利散射 多普勒激光雷达 风场探测 数据对比 Rayleigh scattering Doppler lidar wind measurement data comparison 红外与激光工程
2016, 45(10): 1030002
1 合肥师范学院电子信息工程学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学技术大学地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
3 安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
开展了瑞利测风激光雷达系统性能改进和效率提升研究，改进接收系统光信号的耦合效率、传输效率和采集效率，使改进后的接收机光学效率比原接收机提高1.874倍，解决了系统在紫外波段光学效率低的问题。优化了校准参数，并将标准具表面反射率提高至80%，使激光频率锁定精度满足系统探测精度的需要。增加60 m准静态零风速实时校准管道，消除多普勒零点偏移产生的测量误差，提高了系统探测精度。利用改进的瑞利测风激光雷达进行大气风场探测实验，与探空气球相比风速和风向最大相差6.73 m/s和24.6°，平均相差1.28 m/s和2.65°，获取了多区域高时空分辨率的风场数据，为研究中高层大气变化规律、认识空间环境的区域变化特征提供了必要的数据支持。
遥感 测风 瑞利散射 激光雷达 风场观测
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院大学, 北京 100039
Fabry-Perot标准具是532 nm多普勒测风激光雷达的核心部件,其参数和加工精度直接影响整个系统的灵敏度和风 速测量的精度。对不同波长的回波信号进行模拟,分析所选测量激光波长532 nm的原因。通过对系统的灵 敏度和测量精度进行分析,优化设计标准具的主要参数,分析认为,标准具的自由光谱区为9 GHz,带 宽1.75 GHz,两边缘通道峰值间隔4 GHz,锁定通道与边缘通道峰值间隔为1.125 GHz时,系统的灵敏度 和测量精度最优。通过模拟计算标准具的主要缺陷对透过率的影响,确定标准具的表面加工精度要 求5 nm,平行调节时腔长的最大差值要求小于10 nm。
多普勒激光雷达 Fabry-Perot标准具 优化设计 灵敏度和精度分析 Doppler lidar Fabry-Perot etalon design and optimization analysis of velocity sensitivity and precision
