中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
激光在海水传输过程中，接收视场逐渐增大、多次散射逐渐增强，导致叶绿素剖面反演误差较大。针对该问题，以反向传播（BP）神经网络为基础，建立了一个激光雷达回波信号反演叶绿素a浓度剖面的模型。数据集中包含标签-叶绿素a浓度与特征-激光雷达回波信号剖面。获得激光雷达回波剖面后，为了增强输入特征，使用随机抽样一致（RANSAC）算法剔除噪声，完成数据集搭建，进而以不同层网络的均方误差确定模型结构。反演结果显示：相比于传统的利用后向散射系数反演叶绿素浓度的方法，基于激光雷达回波的BP神经网络叶绿素剖面反演算法在验证集上的相对误差、均方根误差、平均误差分别降低了34%、0.363 mg/m3和0.213 mg/m3，相关系数提高了0.18。传统方法在50 m深度水体的叶绿素浓度相对误差为39%~93%，基于神经网络的剖面反演算法对应的相对误差为17%~36%，反演精度具有较大提升。对于实测数据，LIMC-BPNN反演结果的相对误差为13%。结果表明，相比于传统叶绿素反演方法，基于深度学习的叶绿素剖面反演算法能够有效提取激光雷达回波特征，得到更好的反演结果。
海洋光学 反向传播神经网络 垂直剖面 水体光学参数 叶绿素a 光学学报
2023, 43(24): 2401007
合肥工业大学光电技术研究院特种显示与成像技术安徽省技术创新中心, 省部共建现代显示技术国家重点实验室培育基地, 安徽 合肥 230009
为评估从偏振氧 A 带光谱中提取的气溶胶垂直剖面的信息量及提高光谱分辨率对偏振测量的气溶胶垂直剖面信息的影响, 采用线性化矢量辐射传输模型 (UNL-VRTM), 对氧 A 波段线偏振度 (DoLP) 星载测量中气溶胶垂直剖面的信息量及不同观测条件和光谱分辨率下 DoLP 的气溶胶峰高信息量变化的影响因素进行分析。研究结果表明, DoLP 所包含的气溶胶峰高的信息比辐射度更多, 辐射度的信号自由度 (DFS) 最高为 0.49, 而 DoLP 的 DFS 为 0.76; 且随着光谱分辨率的提高, 气溶胶峰高信息量增加, 对表面反射率、观测几何以及先验误差的依赖大大降低。
偏振 气溶胶垂直剖面反演 信息量分析 光谱分辨率 polarization retrieval of aerosol vertical profile information analysis spectral resolution 大气与环境光学学报
2022, 17(3): 360
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室, 北京 100029
3 清华大学环境学院, 北京 100084
气溶胶垂直廓线是评估污染物来源、 输送等途径的必要手段。 气溶胶污染对环境和人体健康带来直接的影响。 该研究于2019年4—5月, 利用中国科学院大气物理研究所(39.98°N, 116.39°E)的地基多轴差分光学吸收光谱(MAX-DOAS)仪, 对北京地区春季大气光谱垂直廓线进行了观测。 凭借MAX-DOAS实时、 在线、 连续的观测优势, 能有效的对气溶胶进行监测。 MAX-DOAS基于最优估算法(OEM)以及最小二乘光谱拟合法, 并以辐射传输模型SCIATRAN作为前向模型, 利用海德堡廓线(HEIPRO)算法反演得到气溶胶消光系数的垂直廓线, 通过对气溶胶消光系数在其路径的积分获得气溶胶光学厚度(AOD)。 利用地基太阳光度计观测的AOD和高塔观测的颗粒物质量浓度垂直廓线, 分别与MAX-DOAS观测的AOD和气溶胶消光系数垂直廓线进行对比, 验证MAX-DOAS算法的适用性。 研究结果表明, MAX-DOAS与太阳光度计观测AOD结果, 相关系数为0.92, 斜率为0.89。 三层气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度的皮尔森相关系数从低处到高处分别达到0.69(60 m), 0.77(160 m)和0.75(280 m)。 并且, 将气溶胶平均消光系数和对应三层(60, 160和280 m)的PM2.5平均质量浓度对比, 发现两者趋势一致。 同样的, 为了验证MAX-DOAS是否具备准确识别污染物的长距离输送的能力, 我们通过Angstrom指数确定沙尘天气, 通过计算梯度理查森数和边界层高度确定静稳天气, 分析了在特殊天气条件下, MAX-DOAS能够对沙尘和静稳天气做出及时、 准确的响应。 分析气溶胶平均消光系数, 发现气溶胶垂直廓线随高度升高呈现指数衰减变化的趋势, 并且气溶胶消光系数均值在1.5 km高度处约为近地面的50%左右, 而在1.5 km以上消光系数会随着高度的增加而快速减小。 当高度达到2 km左右时, 气溶胶消光系数均值下降到了0.1 km-1。 以上结果表明MAX-DOAS探测大气气溶胶垂直廓线具有较高的适用性。
颗粒物污染 气溶胶 垂直廓线 地基多轴差分光学吸收光谱 相关性 Particulate pollution Aerosol Vertical profile MAX-DOAS Correlation
1 中国海洋大学 信息科学与工程学部，山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
3 齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266071
基于蒙特卡洛模拟方法，建立了一个水中激光偏振辐射传输模型，用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波，分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层，其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m3、1 mg/m3和10 mg/m3。模拟了激光发射波长为532 nm，接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号，并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明，由于激光在水中的多次散射过程，随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大，激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低，导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例，中浓度散射层情况下，在散射层上（0~10 m）、散射层中（10~30 m）和散射层下（30~40 m）的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%；在散射层中，低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时，退偏振比相对误差逐渐增大，在中浓度散射层情况下，其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明，偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时，由于多次散射过程的影响，传统的退偏振比算法会引入较大误差，有必要在反演算法中对其进行校正，以提高激光雷达的探测精度。
海洋激光雷达 偏振蒙特卡洛 水体光学参数 垂直剖面 退偏振比 oceanographic lidar polarization Monte Carlo water optical parameter vertical profile depolarization ratio 红外与激光工程
2021, 50(6): 20211035
1 中国海洋大学 信息科学与工程学院 海洋技术系, 山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室, 山东 青岛 266237
3 美国麻省大学波士顿分校, 美国 马萨诸塞州 02125
4 齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266001
激光雷达能够高效获取海洋光学特性的垂直剖面信息, 是海洋光学探测的重要手段之一。利用蒙特卡罗仿真方法, 基于Gordon(1982)的机载激光雷达测量水体光学参数模型, 研究了船载激光雷达在水中的传输过程和水中光场分布。特别研究考虑了接收视场角和望远镜半径等参数的影响, 建立了适用于船载海洋激光雷达的模拟系统。在激光雷达的传输等效为太阳光传输后, 该模拟系统与常用的HydroLight的模拟进行了比对印证并获得了一致的结果。在此基础上, 通过模拟得到的激光雷达回波信号分析了不同激光雷达测量模式及典型水体条件下激光雷达消光系数α和海水光学参数之间的关系。船载激光雷达结果表明, 在窄接收视场角情况下, 激光雷达消光系数α趋向于水体光束衰减系数c; 在宽接收视场角情况下, α趋近于水体的向下辐照度漫射衰减系数Kd。相比机载观测, 船载观测的α趋近Kd的速度变缓。在垂直分层水体中, 激光雷达在下层水体中测量的α值会向上层水体的α值偏移。该结果为研究海洋激光雷达测量参数与海洋光学参数之间的关系提供了进一步的认知。
海洋激光雷达 蒙特卡罗模拟 激光雷达消光系数 垂直剖面 oceanographic lidar Monte Carlo simulation lidar extinction coefficient vertical profile 红外与激光工程
2020, 49(2): 0205010
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
利用高分辨率傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术探测合肥地区大气硝酸(HNO3)的浓度,基于最优估算法由中红外太阳吸收光谱反演出HNO3的垂直廓线和柱总量。获得了2017年大气HNO3的垂直廓线和柱总量的时间序列,分析了HNO3的季节变化、浓度探测敏感性高度、反演平均核和自由度等特征。不同季节大气HNO3的垂直廓线表明,HNO3在20~30 km的大气平流层浓度较高,在对流层浓度较低。HNO3的柱浓度显示出明显的季节变化,春季出现最大值,冬季出现最小值,季节变化幅值为9.82×10 15 molecule/cm 2。为了对地基FTIR的观测进行比对,选取Aura MLS卫星数据产品与地基测量数据进行比对。比对结果表明,地基遥感观测与卫星数据显示出的季节变化一致;尽管卫星偏柱量整体小于地基遥感的柱总量,但两者的相关系数为0.83,表明两者具有较好的一致性。地基观测结果验证了地基FTIR技术观测大气中HNO3时空分布的可靠性和准确性。
大气光学 傅里叶变换红外光谱技术 硝酸 垂直廓线 柱浓度
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心, 福建 厦门 361021
甲醛(HCHO)在大气光化学反应中扮演着重要的角色, 是一种重要的气溶胶前体物和光化学氧化指示剂。 大气中HCHO的来源主要是直接排放和光化学反应生成。 大气光化学反应与太阳辐射强度密切相关, 一般来说, 太阳辐射强度越强, 大气光化学反应越剧烈, HCHO的二次来源产率也就越高。 故针对HCHO的研究成为当今大气环境研究的一个重要课题。 介绍了基于多轴差分吸收光谱技术 (MAX-DOAS) 获取对流层HCHO垂直柱浓度(VCD)及垂直廓线的反演算法。 该方法是基于非线性最优估算法的两步反演方法, 首先反演气溶胶垂直廓线, 然后在此基础上反演HCHO垂直廓线。 其中第二步气体廓线反演时, 气溶胶廓线线型会影响气体廓线反演的权重函数从而影响气体垂直廓线反演的精度, 为此, 研究了三种不同气溶胶廓线类型(指数型、 高斯型和玻尔兹曼型)对HCHO垂直廓线反演的影响。 结果表明, 在三种气溶胶廓线类型条件下, 当气溶胶光学厚度(AOD)为0.1时, 气体反演的总误差、 平均核的包络线、 灵敏高度上限、 自由度以及HCHO垂直廓线结果都比较接近, 即气溶胶廓线类型对HCHO垂直廓线反演的影响很小。 而对于200 m以下(含200 m)的近地面, 通过指数型、 高斯型和玻尔兹曼型气溶胶廓线获取的HCHO体积混合比(VMR)与真实HCHO VMR的差异分别为36.89%, -0.04%和23.30%, 表明使用指数型和玻尔兹曼型气溶胶廓线类型反演HCHO垂直廓线会高估近地面HCHO浓度, 而高斯型气溶胶廓线类型则正好相反。 此外, 还反演了北京国科大站点一次污染过程中HCHO的垂直廓线, 分析了污染过程中HCHO的垂直分布特征。 结果表明, HCHO主要集中在1.0 km以下且一天中高值出现在午后, 主要来自于本地产生, 即西南风将污染的VOCs气团带到观测点, 经过本地的光化学反应产生HCHO而积累, 造成了此次HCHO浓度升高。 结合气流后向轨迹分析, 来自站点西南方向的输送是引起HCHO污染的重要原因。 故观测站点的HCHO主要受污染输送和二次氧化的影响。 最后对比了此次污染过程中不同气溶胶条件对HCHO廓线反演的误差影响。 结果显示, 气溶胶浓度高时, 反演的灵敏高度和自由度下降, 反演的高度分辨率下降, 且反演总误差增加。
多轴差分吸收光谱 HCHO垂直分布 反演算法 气溶胶廓线类型 污染过程 Multi-axis differential optical absorption spectro The vertical profile in HCHO Inversion algorithm Aerosol profiles types Polluted episode 光谱学与光谱分析
2019, 39(8): 2325
淮北师范大学物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000
针对被动多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演痕量气体SO2中吸收强度弱以及易受反演波段和大气气溶胶状态影响的问题,研究了基于地基MAX-DOAS的对流层SO2垂直廓线及垂直柱浓度的反演方法。通过反演误差对比确定了SO2的最佳反演波段(307~330 nm),并精确获取了差分斜柱浓度。鉴于大气中气溶胶状态是影响SO2等痕量气体反演的重要因素,反演中采用两步反演方法:第一步通过测量O4气体的差分斜柱浓度来反演气溶胶廓线;第二步将气溶胶廓线输入到辐射传输模型中,利用痕量气体浓度垂直反演算法获取对流层(0~4 km)中SO2的垂直分布廓线和垂直柱浓度。将SO2廓线在0~100 m的反演结果和地面点式仪器数据进行对比,结果发现两者的一致性较高。研究表明,基于MAX-DOAS反演对流层中SO2的垂直分布及垂直柱浓度是一种有效的手段。
大气光学 对流层SO2垂直廓线 被动多轴差分吸收光谱技术 气溶胶
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230031
报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪, 为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。 太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式, 具有精度高、 全时空特点。 测量了该太阳跟踪仪的跟踪精度, X和Y轴方向跟踪精度分别达到0.068°和0.06°, 能够满足激光外差辐射计在大气和天文领域中对太阳光收集的要求。 进而把太阳跟踪仪与实验室研制的激光外差辐射计集合起来, 测量了3.5 μm附近的太阳光谱, 得到了CH4在整层大气中的吸收情况, 为下一步反演整层大气中CH4的柱浓度和垂直廓线奠定了基础。
太阳跟踪系统 激光外差辐射计 柱浓度 垂直廓线 Solar tracker Laser heterodyne radiometer Column concentration Vertical profile 光谱学与光谱分析
2017, 37(11): 3626
