1 中国科学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
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
4 陆军炮兵防空兵学院基础部, 安徽 合肥 230031
5 陆军炮兵防空兵学院信息工程系, 安徽 合肥 230031
集后向散射激光雷达、侧向散射激光雷达及拉曼散射激光雷达为一体的激光雷达系统在探测对流层气溶胶消光系数时具有两个明显的优点,一是反演时不需要假设激光雷达比(LR),二是不存在近地面的过渡区和盲区。在2017年1月至2018年12月期间,利用一体化激光雷达系统在合肥进行了146天的数据探测,并对气溶胶消光系数进行了反演和统计分析,得出了气溶胶LR平均值为68.4 sr及LR平均值随月份的分布规律,还有气溶胶消光系数月平均、季平均及年平均情况。个例分析表明,高度在0.6 km以下的气溶胶消光系数随高度和时间的变化很复杂,传统后向散射激光雷达很难探测到。对比分析了利用LR经验值反演气溶胶消光系数引起的误差大小。这些探测结果为研究大气污染传输和大气污染防治提供了科学依据。
大气光学 气溶胶 消光系数 侧向散射激光雷达 拉曼散射激光雷达 激光雷达比 光学学报
2020, 40(11): 1101003
1 杭州电子科技大学 通信工程学院, 杭州 310018
2 国民核生化灾害防护国家重点实验室, 北京 102205
3 防化研究院, 北京 102205
对不同风速条件下，CCD侧向散射激光雷达的回波信号进行了分析.根据Mie散射原理及侧向散射激光雷达工作原理，确定了大气气溶胶浓度与激光雷达侧向散射光强的相关性；进一步考虑气溶胶浓度与风速的关联，利用实验装置获取了激光雷达侧向散射光强与风速的关系，分析了不同风速条件下侧向散射激光雷达的回波信号.在轴流风机以及自然风两种条件下进行对比实验发现，当风速范围在1~4.5 m/s时，侧向散射光强随风速的增加而增加；当风速范围在4.5~6.0 m/s时，光强随风速的增加较少.对实验结果归一化处理，得到风速范围在1~4.5 m/s时，风速每增加1 m/s，侧向散射光强在轴流风机及自然风的实验条件下分别增加了3.7%和3.9%；风速范围在4.5~6.0 m/s时，风速每增加1 m/s，侧向散射光强分别减少了3.1%和3.8%，在自然风况的各个风向上都基本符合这一变化趋势.
电荷耦合器件 侧向散射 激光雷达 风速 气溶胶 Charge-coupled device Side-scattering LiDAR Wind speed Aerosol
1 中国科学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
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 陆军炮兵防空兵学院基础部, 安徽 合肥 230031
4 安徽粮食工程职业学院信息技术系, 安徽 合肥 230011
5 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
基于CCD的侧向散射激光雷达不受几何因子的影响,是探测近地面气溶胶的有力工具。夜晚的探测技术已成熟,由于背景光中夜晚的月光和星光远弱于白天的太阳光,故利用夜晚探测技术得到的白天气溶胶信噪比很低。实验中选用窄带滤光片和小张角镜头,通过校正窄带滤光片透射率、缩短单次曝光时间、多次曝光平均等技术可有效提高白天探测气溶胶的信噪比。白天个例表明,侧向散射激光雷达与后向散射激光雷达反演的气溶胶后向散射系数廓线在0.75~1.50 km范围内的变化趋势一致,并对0.75 km以下侧向散射激光雷达探测的正确性进行了验证。对合肥地区近地面气溶胶后向散射系数进行了37 h的连续昼夜探测,并与同一地点的温度、PM2.5质量浓度联合进行分析。研究表明,改进后的白天侧向散射激光雷达技术是正确、可行的。
大气光学 后向散射系数 侧向散射激光雷达 气溶胶 窄带滤光片
杭州电子科技大学通信工程学院, 浙江 杭州 310018
根据CCD侧向散射激光雷达(Clidar)及Mie散射理论,建立侧向散射光强分布与PM2.5浓度的关系模型,并分析测量误差。在研究过程中,搭建以波长为532 nm的激光器为光源、CCD为接收器的Clidar PM2.5浓度测量系统装置;将获取的侧向散射回波信号图与BAM-1020颗粒物监测仪记录的PM2.5浓度进行对比,建立高、低增益下各等级模型的关系式。将高、低增益各等级模型的PM2.5预测值与实际测量结果进行对比,得到各模型的平均误差、残差方差和综合偏差率统计量,并确定最佳反演精度模型的增益和等级i值。结果表明:当PM2.5浓度在0~70 μg m
-3范围内时,高增益模型的反演精度高于低增益模型;对于高增益模型,S(20)模型的反演精度最高。
大气光学 大气污染监测 激光雷达 侧向散射 PM2.5 测量误差 光学学报
2017, 37(12): 1201003
1 杭州电子科技大学通信工程学院,杭州 310018
2 国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京 100000
本文建立了基于电荷耦合器件(CCD)的大气侧向散射系数廓线反演装置。利用该装置,测量了33°到145°散射角范围内的大气侧向散射光强;通过将CCD收集的空间散射光投射到平面散射角上,实现了CCD像元与散射角的对应,最终实现大气侧向散射系数廓线反演。装置采用的连续激光器还很好地解决了反演大气侧向散射系数廓线的实时性问题。
大气光学 激光雷达 侧向散射 电荷耦合器件 atmospheric optics lidar side-scattering charge coupled device
1 杭州电子科技大学通信工程学院， 浙江 杭州 310018
2 国民核生化灾害防护国家重点实验室， 北京 102205
基于侧向散射激光雷达方程和Mie散射理论，建立了PM2.5浓度与侧向散射光强的关系模型，提出了一种基于电荷耦合器件（CCD）实时监测近地面PM2.5浓度的方法。设计了以波长532 nm激光器为光源、CCD为接收器的侧向散射激光雷达装置，利用该装置测量了散射角在15°～45°之间的侧向散射回波信号图，从回波信号图提取灰度值矩阵并分析其光强分布。与赛默飞世尔科技公司PM2.5监测仪(SHARP)提供的测量结果对比，拟合了PM2.5浓度与3个灰度等级光总能量的关系式，拟合度均在0.97以上。该装置具有操作便利、移动便捷、监测实时、成本较低的特点，在近地面比后向散射激光雷达具有更高的精度与实用性，有助于建立PM2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图。
大气光学 电荷耦合器件 侧向散射激光雷达 光学学报
2016, 36(11): 1101002
1 解放军陆军军官学院基础部, 安徽 合肥 230031
2 合肥工业大学电子科学与应用物理学院, 安徽 合肥 230009
3 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
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
为了给环保部门防控大气污染提供科学依据，联合侧向和后向散射激光雷达系统对近地面气溶胶后向散射系数廓线进行高分辨率探测。分析发现，近地面气溶胶后向散射系数廓线随高度变化不尽相同，大致分为4种情况：多层结构、随高度升高而增加、随高度升高而减小以及不随高度变化。分析了连续两个夜晚的气溶胶后向散射系数廓线随时空的变化情况，并对2014年3月至2015年2月合肥西郊82个夜晚数据进行了统计分析，得出近地面气溶胶后向散射系数廓线按季节的分布规律。
大气光学 后向散射系数 侧向散射激光雷达 大气气溶胶
1 中国人民解放军陆军军官学院基础部物理教研室, 安徽 合肥 230031
2 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
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
反演PM2.5(直径小于2.5 μm的颗粒物)质量浓度廓线，不仅可以估算污染物的柱浓度，还可研究污染物在空间的扩散规律，为防控大气环境污染提供科学支撑。假设在大气边界层内一次PM2.5质量浓度廓线的探测过程中，气溶胶的种类和成分保持不变，则根据地面上气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度之间的比例关系，即可把激光雷达反演出的消光系数廓线转化为PM2.5质量浓度廓线。分析了两个晚上PM2.5质量浓度廓线个例及其随时空变化的情况，并对2014年3月至2015年2月探测到的82个晚上的数据按季节进行平均，获得了PM2.5质量浓度廓线的季节平均值。
大气光学 PM2.5质量浓度 侧向散射激光雷达 后向散射激光雷达 气溶胶消光系数
1 解放军陆军军官学院基础部物理教研室, 安徽 合肥 230031
2 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
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230031
分析了气溶胶消光系数和PM2.5 质量浓度之间的关系，提出了利用电荷耦合器件(CCD)侧向散射激光雷达系统和PM2.5 颗粒物探测仪相结合，反演PM2.5 质量浓度廓线的方法。通过个例研究，得出了在相对湿度变化不大时，地面上PM2.5 质量浓度和气溶胶消光系数成线性关系；分析了2014 年4 月13 日和2014 年12 月16 日合肥西区董铺岛PM2.5质量浓度廓线特征：随时间变化，在空间上是有结构的，在紧贴地面有较重的污染物层。探测实验结果表明基于CCD的侧向散射激光雷达和PM2.5 颗粒物探测仪相结合是探测近地面污染物质量浓度廓线行之有效的新方法。
大气光学 侧向散射激光雷达 气溶胶消光系数 PM2.5 质量浓度 激光与光电子学进展
2015, 52(11): 110102
1 解放军陆军军官学院基础部物理教研室, 安徽 合肥 230031
2 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
气溶胶是大气中污染物PM2.5 和灰霾的主要成分，近地面的气溶胶直接影响人们的生活和生产。利用电荷耦合器件(CCD）侧向散射激光雷达系统和相应的反演方法，对探测到的数据进行处理和分析。与后向散射激光雷达对比，验证了CCD 侧向散射激光雷达探测结果的正确性。分析了2014年4月合肥西区董铺岛3 km 高度范围内气溶胶后向散射系数的特点：随时间和高度变化；天气晴好时，地面上后向散射系数与地面站PM2.5质量浓度成正比；紧贴地面有一层较厚气溶胶。实验探测结果表明基于CCD 的侧向散射激光雷达是探测近地面气溶胶浓度的一种有效的新方法。
大气光学 气溶胶后向散射系数 侧向散射激光雷达 电荷耦合器件 PM2.5质量浓度
