1 空军工程大学基础部，陕西 西安 710051
2 西安应用光学研究所国防科技工业光学一级计量站，陕西 西安 710065
将厚度相同的平板状样品材料堆叠起来，测量其中两种层叠组合样品的透射率，通过代数运算导出单层样品的反射率，在不测量反射率的情况下，利用单层样品的双光谱解析法来确定透明固体的光学常数。该方法既克服了双光谱法测量反射、透射光谱条件不一致的问题，也避免了反演法的迭代误差和计算耗时问题。作为应用示例，在2~18 μm范围内用傅里叶变换红外光谱仪测量了硒化锌（ZnSe）单层、双层样品的透射率，用本文方法计算其光学常数并评估测量误差。所得ZnSe消光系数的相对误差在3.5~5.5，7.0~8.5，14~18 μm范围内小于10%，而在15.0~17.5 μm范围内小于5%；折射率的相对误差在3~15 μm范围内小于0.5%，而在7~12 μm范围内小于0.25%，消光系数及其误差对折射率及其测量精度几乎没有影响。通过数值模拟研究了单层、双层样品透射率与光学常数及样品厚度的关系，指出样品厚度对减小透射率的测量误差及光学常数的精确确定至关重要。应用示例和数值模拟结果表明：对于高透固体材料，在光谱仪透射率精度为0.001的情况下，通过调整单层样品的厚度，使其透射率t在0.004~0.953范围内，并使双层样品透射率在t2~t/（2-t）范围内，这将有助于提高透射率的测量精度，进而实现光学常数的精确确定。
光学常数 折射率 消光系数 衰减系数 层叠样品透射光谱 解析解 光学学报
2025, 45(11): 1130001
大气气溶胶的垂直结构影响着气溶胶光学特征、大气环境污染分布和区域气候变化等。本文在地基站点数据验证的基础上，利用2013―2022年云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星 (CALIPSO) 观测反演的气溶胶消光系数及其类型等垂直信息，研究了长三角中心海陆上空气溶胶垂直结构的季节分布和年度变化特征。结果表明，陆地上空气溶胶消光系数显著大于海洋上空，且陆地上空以污染大陆型和污染沙尘型气溶胶为主，海洋上空则以清洁海洋型和沙尘海洋型气溶胶为主。其中，春季受蒙古高原和塔克拉玛干沙漠的沙尘以及偏北风的影响，沙尘型气溶胶会长距离输送到长三角中心海陆上空；夏季城市工业发展带来的煤烟型气溶胶主要聚集于陆地1.5~3.5 km高度处，而海洋上空以海洋型气溶胶为主，且其消光系数在0~1.5 km高度处显著小于其他季节；秋冬季陆地上空的污染沙尘型气溶胶和污染大陆型气溶胶富集于0~1 km高度处，冬季地面气溶胶消光系数全年最高 (约 0.5 km-1)，但海洋上空的海洋型气溶胶始终占有较高比例，消光系数的季节性变化不大。整体而言，近10年内长三角中心区海陆上空整层气溶胶光学厚度 (AOD) 呈逐年下降趋势。
大气与环境光学学报
2025, 20(3): 338
1 南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学大气物理学院, 江苏 南京 210044
高浓度的大气颗粒物会引起大气能见度降低，并对人身健康产生负面影响，因此，对颗粒物浓度的时空变化特征进行连续监测与预测估算对环境污染评估与治理具有十分重要的意义。本工作利用2021年12月至2022年2月济宁市任城区的气象数据、国家环境空气质量监测点电化厂站空气质量数据以及激光雷达探测信号反演得到的近地面气溶胶消光系数 (EC)，基于机器学习算法建立了颗粒物浓度估算模型。该模型首先以前24 h的空气质量指数 (AQI) 滑动平均值100为临界值，将样本分为清洁与污染两种背景条件。随后采用随机森林 (RF) 算法对输入因子进行重要性排序，并按照这种RF模型重要性排序，将因子分别逐个放入随机森林 (RF)、基于思维进化算法优化反向传播神经网络 (MEA-BPNN)、广义回归神经网络 (GRNN) 和小波神经网络 (WNN) 模型中，通过对比均方根误差 () 建立不同大气背景下颗粒物浓度反演的最优模型与最优输入因子个数。最后，将颗粒物估算模型应用于实际大气观测数据，基于最优模型与输入因子，对不同大气背景下的颗粒物浓度水平分布进行估算。
激光雷达 气溶胶消光系数 颗粒物质量浓度 机器学习 lidar aerosol extinction coefficient particle mass concentration machine learning 大气与环境光学学报
2025, 20(2): 176
Author Affiliations
Abstract
1 Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China
2 Science College, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China
3 Lidar and Device Laboratory, Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China
4 Key Laboratory of Laser Device Technology of China North Industries Group Corporation Limited, Chengdu 610041, China
5 China Research and Development Academy of Machinery Equipment, Beijing 100089, China
Coherent lidar (CL) addresses existing constraints in CL data products by enabling simultaneous observation of multiple meteorological parameters such as cloud height, extinction coefficient, aerosol concentration, and wind field evaluation. A detailed analysis of CL echo signals was performed at a wavelength of 1550 nm, enabling accurate measurements of cloud height and aerosol concentration. Extensive data analyses and validation tests were conducted, aligning them with a 532 nm direct aerosol lidar (AL). The assessments of the aerosol extinction coefficient demonstrated notable consistency. This underscores the potential of advanced CL for providing prolonged and consistent observations across diverse meteorological conditions.
coherent lidar aerosol extinction coefficient aerosol concentration wind Chinese Optics Letters
2025, 23(1): 011203
光谱反演法可实现液体光学常数（消光系数和折射率）的确定，其中双厚度透射法是有代表性的光谱反演法之一。由于液体自身无法形成确定的形状，需要盛放在透明容器（液体池）中，因而通过实验测量得到的光谱透射率包含了液体池光学常数的影响，这使得基于双厚度透射法所建立的光谱透射率方程极为复杂，难以求得解析解，通常采用反演法来计算液体的光学常数。现有的反演法存在如下问题：一是反演迭代耗费时间，二是反演迭代会引入误差，三是反演法得到的液体折射率存在二值问题。为解决上述问题，基于三层介质结构（液体池），考虑光在两种介质分界面上的多次反射，建立液体厚度满足整数比的光谱透射率方程组。通过代数运算获得与消光系数有关的多项式方程，求解并选择大于0小于1的实数根来计算消光系数；另求解关于液体池光学窗口反射率的一元二次方程，选择大于0小于1的根来计算液体和容器分界面的反射率，进而计算得到液体折射率的两个值。再用另一材料制作的液体池测量液体的光谱透射率，然后结合已经得到的消光系数作相关计算，会另外得到液体折射率的两个值，从四个值中选择相同者即为液体的折射率。作为应用示例，选用文献中水在0.5～1.0 μm光谱范围的光学常数作为“理论值”、光学常数已知的石英玻璃和有机玻璃作为液体池材料。在不考虑仪器测量误差的情况下，将上述文献数据代入光谱透射率方程，计算得到的透射率作为“实验数据”。然后用多项式求根的方法确定水的光学常数，所得结果与“理论值”完全符合。模拟过程和计算结果表明：新方法是可用的，该方法解决了反演法的计算耗时、迭代误差以及折射率的二值问题，为液体光学常数的确定提供了一个新选择。
光学常数 折射率 消光系数 衰减系数 双厚度透射率模型 Optical constants Refractive index Extinction coefficient Attenuation coefficient Double thickness transmittance model 光谱学与光谱分析
2024, 44(10): 2733
1 中国气象局气象探测中心, 北京 100081
2 安徽蓝科信息科技有限公司, 安徽 合肥 230031
3 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, 中国科学院大气光学重点实验室,安徽 合肥 230031
4 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
2021年3月，中国北方出现了三次大范围的沙尘污染。为准确认识三次沙尘污染传输过程，分析研究了京津冀地区米散射气溶胶激光雷达的垂直观测结果。激光雷达垂直观测结果显示，2021年3月份，三次沙尘污染过程的传输顺序均为：张家口—北京—廊坊 (保定)—天津—秦皇岛。在此期间，京津冀地区全境范围内的污染天气受到西北风和北风作用，导致京津冀地区发生沙尘污染，其中，该地区的张家口和北京市受到这三次沙尘污染影响较重。在3月14—18日和3月27—31日两次较严重的沙尘传输过程中，污染在北京、廊坊、天津三个城市沿西北至东南方向传输，且三座城市的污染物质量浓度在依次降低。2021年3月份的这三次沙尘污染在沿西北到东南方向传输的过程中，对各城市影响在逐渐减弱。本工作根据气团移动轨迹和反演图谱对京津冀地区三次沙尘现象的污染过程作出了科学分析，为未来沙尘污染防治提供了案例和参考。
沙尘传输 米散射激光雷达 消光系数 退偏振比 sand-dust transport Mie scattering lidar extinction coefficient depolarization ratio 大气与环境光学学报
2024, 19(6): 665
大气与环境光学学报
2024, 19(4): 418
西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
针对单通道气溶胶激光雷达反演技术中的消光系数边界值问题，提出了基于指数迭代的气溶胶消光系数反演算法，以优化反演计算中的消光系数边界值。该算法利用4阶收敛的指数迭代法求解消光系数边界值与激光雷达回波信号之间的非线性方程，并通过Fernald法反演气溶胶消光系数。采用指数迭代结合Fernald法反演水平扫描数据和垂直定点探测数据，将Klett法和Mie-Raman法反演结果作为标准值，验证了指数迭代法的反演性能。数据分析结果表明，相比不动点迭代，指数迭代反演精度高，收敛速度快，迭代次数少，反演误差约为14%，迭代次数约为5，迭代时间约为9 μs，可快速准确地反演激光雷达水平扫描信号及垂直定点探测信号的消光系数边界值。
激光雷达 指数迭代 大气消光系数 边界值 激光与光电子学进展
2024, 61(23): 2301005
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
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 河南理工大学，河南 焦作 454000
金星上层霾消光和微物理特性的变化会影响金星大气的化学和辐射平衡，为研究其时空分布，选取2006~2013年间金星快车SPICAV SOIR仪器的太阳掩星数据进行分析。首先利用MODTRAN建模去除金星中上层大气的吸收效应，后利用剥洋葱法计算67~92 km高度处金星上层霾的消光廓线。研究表明：1）金星上层霾的消光系数总体趋势是随着高度增加而减小。不同区域间的消光系数变化较大，低纬度霾在任务开始时大幅增加，昼夜间霾的平均消光系数略有变化。霾层的垂直光学厚度在10-2数量级。2）上层霾的数密度随高度增加而减小，从南极到北极，上层霾的数密度呈现先增加后减小的趋势。3）低纬度地区的云顶高度较高，为82.7 ± 5.8 km；极区的云顶高度较低，北极地区云顶高度为73.3 ± 2.4 km，南极地区为79 ± 3.5 km。北极地区上霾层平均标高为4.0 ± 0.9 km。
金星大气 上层霾 MODTRAN建模 剥洋葱法 消光系数 数密度 Venus atmosphere upper haze MODTRAN modeling onion-peeling method extinction coefficient number density
1 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
针对透射式消光系数测量精度不高、难以实现自校准等问题，研究一种基于主动光源的多波段、多基线透射式消光系数测量方法，定量分析光电探测电路信号分辨率、噪声特性、动态范围、随机噪声、响应温度敏感性、数字信号处理、背景辐射等因素对消光系数的影响。结果表明：探测光电流应不小于1.27×10-7 A，每次移动距离应不小于1 m，每个测量点时长应不少于40 s，采样率应不小于10 kHz，在目前可实现的基线距离5~20 m范围内，采用谱峰搜索法或取样积分法进行准同步测量，消光系数测量精度受随机噪声影响小于0.8%，这为仪器实现高精度测量研究提供理论基础。
大气光学 消光系数 变基线透射仪 光电测量 大气透过率 光学学报
2024, 44(12): 1201013
