在许多光电系统中,如激光雷达、激光通信、光电探测等,对其 滤光和鉴频的能力提出了越来越高的要求。 采用传统的光学高分辨技术满足这些应用要求,存在高光谱分辨率与系统稳定性、技术复杂性、 甚至成本的矛盾,而采用基于原子跃迁的高分辨光学技术(即原子滤光技术),可以在很大程度上缓解这一矛盾。 在光电系统接收端采用原子滤光技术后,在其发射端也必须采用同种原子的同种跃迁控制激光波长, 从而构成了原子控制的光学信道。介绍了原子控制光学信道的作用、原理、构成,以及几种采用 原子控制信道进行高分辨率滤光和高精度鉴频的光电系统。

提出并设计了一套基于光纤F-P滤波器的可见波长域全光纤水汽拉曼激光雷达系统, 实现对大气水汽和气溶胶的精细探测。讨论了光纤F-P腔内损耗和腔镜反射率对F-P透射谱的细度、 峰值透过率以及带宽的影响,得到腔内损耗在小于3%的情况下,光纤F-P滤波器具有较高的峰值透过率(大于0.5)和较窄的谱线 带宽(小于0.9 nm)。通过结合光纤带通滤波器和二级级联光纤F-P滤波器的参数设计,在三个独立的光通道中分别实现水 汽拉曼信号(660 nm)、氮气拉曼信号(606 nm)和米瑞利信号(532 nm)的窄带宽、 高透过率严格滤波,并获得对杂散光的高抑制率。通过系统仿真,对各散射信号强度分布、水汽廓线和探测信噪比进行了数 值仿真计算,验证了系统方案的可行性。

设计了一款由可见光波段的光纤布喇格光栅和光纤耦合器构建的全光纤转动拉曼激光雷达分光系统。 利用相位掩模板侧向成功刻写530 nm波段光纤布喇格光栅,并初步测试其透射谱和反射谱性能。为提高光纤光栅 中心波长与大气氮气分子转动拉曼谱线的匹配特性,利用悬臂梁设计高调谐灵敏度的调谐系统。实验结果表明, 成功研制的可见光波段光纤布喇格光栅反射率约为95%,带宽约为0.3 nm,应力调谐系统可实现±0.6 nm范围18 pm/r 的波长调谐。

介绍了基于LabVIEW编程语言开发的米散射大气激光雷达数据采集与可视化软件。 设计中利用LabVIEW调用光子计数卡(MSA300)的动态链接库,实现了激光雷达软件对大气回 波数据的实时采集与显示,根据Fernald方法即时处理回波信号并显示消光系数与回波强度时间高度显示图(THI)。 软件采集的数据直接转换并保存为ASCII码文本格式,便于数据的后期处理与分析。初步实验效果表明,软件能够对 大气回波信号、消光系数与THI图进行实时可视化显示,便于直观了解大气激光雷达连续探测的大气气溶胶和云时 空变化信息。实验表明,软件具有良好的实时性与准确性。

中间层顶区域大气温度和风场是研究中高层大气动力学的重要参量。 简要介绍中国科学技术大学钠测温测 风激光雷达系统。其可用于高分辨率探测中间层顶区域 (80~105 km)大气温度和风场。 给出了该激光雷达测量大气温度和风场的基本原理,对系统的发射部分、 接收部分和光电探测采集及时序控制部分进行简要介绍,给出了该系统探测的大气温度和风场的结果。 温度和风场结果分别与TIMED/SABER卫星仪器和武汉地基流星雷达观测结果进行了对比。

采用模拟探测技术研发了具有三维扫描功能的微脉冲米散射激光雷达产品, 用于高密度气溶胶聚集地区的 大气气溶胶光学特性及云的精确探测。详细介绍了该系统的整体结构、系统控制和数据采集处理软件。 利用该系统对西安地区气溶胶及城市边界层特性进行观测研究,实验结果表明:在激光脉冲能量为50 μJ, 重复率1 kHz,望远镜接收孔径为254 mm, 信号平均时间40 s及距离分辨率为7.5 m的条件下,系统测量气溶胶的有效距离可 达到白天3~5 km左右,夜晚15 km。系统可以为研究大气变化,特别是颗粒污染物的产生、 传输和扩散的特性提供科学的测量数据。

通过武汉物理与数学所的白天钠激光雷达,对武汉(30°30′N, 114°E) 上空的钠层昼 夜变化特性及潮汐波活动进行了观测。在一次持续时间超过两天的观测中,钠层表现出了 很强的日周期变化特性,钠层的柱密度、层宽度、质心高度都呈现出24 h的变化周期。 各个高度上的钠层密度变化也呈现出清晰的24 h下行波的相位传播现象。这些结果都可 以归因于一个显著的日潮汐波扰动。从观测数据中提取出来的潮汐相位与GSWM00模式符合得很好。 在其它的三个短时间白天观测中我们也观察到了显著的钠层日周期变化,而平均钠层日变化呈现出了 显著的日潮汐波传播结构。这个结果与已有的报道很符合,即日潮汐波是武汉上空主要的潮汐波。

海面上空气溶胶的产生和传输在一定程度上和风有关,研究气溶胶和风速间的关系, 对增加大气模式的预测精度有重要意义。使用CALIPSO卫星CALIOP激光雷达L2(V3.01)气溶胶层与云层数据, 与准同步AQUA卫星的AMSR-E海面风速数据,采用2007年和2008年1月、4月、7月、10月共8个月的观测数据, 研究波长为532 nm的气溶胶光学厚度(AOD)与海面风速间的关系及其随季节、年份的变化。结果显示,无云条件下, 全球海洋上空AOD与风速存在关系：当风速在0~12 m/s时, AOD随风速增大而增加,当风速在4~12 m/s时, AOD与风速近似线性关系,当风速大于14 m/s时, AOD趋于平稳。

采用夜间数据反演海面风速已经取得较好的研究成果。 由于受到太阳直射光和天空背景辐射等因素的影响, 星载激光雷达信号在白天的信噪比较差。基于已有的反演关系模型,采用CALIPSO星载激光雷达532 nm通道2007年1月、4月、7月 和10月的单脉冲昼夜数据,将大气气溶胶光学厚度(AOD)数据用来做大气双程透过率校正, 以准同步AMSR-E v7版本的海面风速为真值,进行反演海面风速的昼夜对比研究。研究结果表明,采用白天数据反 演海面风速是可行的。通过采用恰当的关系模型来反演白天风速可以提高探测精度。

云的垂直结构(CVS)是云的重要特征量,在大气模式研究 中有着有着十分重要的影响。利用CALIPSO星载激光雷达2007~2010年间Level 2 Version3的云数据对中国海域及其周边海域云的垂 直结构及其分布随年度和区域的变化进行了统计分析。 结果表明:层数不同的云在研究区域内发生的概率(COF)差别较大,云顶海拔高度(LTA)不同的 云沿纬度方向的分布差异明显, LTA在10~20 km的云出现的概率较高而且大多出现于靠近赤道区域。由于有些云CALIPSO信号不能穿透, 可能使云层数以及云顶高度的统计结果偏小。

利用法拉第反常色散滤光器(FADOF)透射频谱曲线稳定而又可调谐的特点,设计了一种测速多普勒激光雷达, 一方面用其对发射激光稳频,同时用同种原子的FADOF对回波光鉴频,使发射激光频率和鉴频曲 线建立相对稳定的关系,可有利于提高测速精度。试验系统采用Cs原子FADOF, 在-40~40 m/s的 测速范围内,测速误差为±0.74 m/s。

介绍了多普勒激光雷达于2011年3月21日至4月19日期间在北京南郊进行的观测实验, 利用Fernald方法对气溶胶消光系数进行了反演和重点分析。结合同一时段探空气球得到的数据, 分析大气结构及其变化。观测数据表明:在晴朗无云并且大气较为清洁的条件下,气溶胶消光系数从低空向高空平缓递减； 遇到多云天气,气溶胶消光系数会在云层处增大;另外,低空的气溶胶消光系数有较明显的日变化特征, 早上相较于晚上要低些。实验期间,地面至10 km的气溶胶平均光学厚度在0.52。

多普勒测风激光雷达能够实现高时空分辨率的大气风场测量,中国海洋大学成功研制了可以测量风 廓线和三维大气风场的车载多普勒测风激光雷达,并已交付中国气象局使用。为了检验该激光雷达的测 量性能,2011年春季开展了车载激光雷达与探空气球风廓线同步观测实验,获取了55组比对数据。 介绍了此次同步观测实验,给出了激光雷达和探空气球风廓线数据的比对个例,并对所有比对 数据进行了统计分析。同步比对结果显示,激光雷达与探空气球风廓线数据的风速均方根偏差为2.76 m/s。 通过分析比对偏差,证明了激光雷达风廓线测量结果的准确性。

基于Fernald方法和Klett方法,推导出一个具有明确物理意义的 确定气溶胶消光系数边界值的表达式, 该式比目前用于确定边界值的Collis斜率法表达式增加了两项:空气分子消光系数项和后向散射项, 这两项与Collis斜率法的值符号相反。空气分子消光系数项较小,但后向散射项为后向散射系数的 倒数和导数的乘积,绝对值能达到Collis斜率法的75.2%。分析表明,考虑了新增两项反演的大气 气溶胶光学厚度(AOD)与实测更接近,所以增加这两项是合理的、必要的。不同标高反演2007年 9月20日的AOD在0.20~0.25之间,变化范围较小;反演的AOD方差为0.003, 相对较小。说明新方法对 标高的依赖较小且较稳定。分析424个时次晴空资料的反演结果可知,反演比实测大7.4%, 反演与实测的相关系数为93.2%, 相对误差和绝对误差分别为10.9%和0.03, 反演的AOD方差为0.02, AOD小于0.45(占到资料总数的91.7%)时,反演结果较好。

为了研究中国西北半干旱区卷云几何特征和光学特性的时空分布特征, 利用兰州大学半干旱气候与环境观 测站(SACOL, 35
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N, 104
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E) 的微脉冲激光雷达(MPL-4B)探测卷云过程,分析讨论了卷云的结构、 光学性质及其时间变化特征,结果表明,卷云高度分布范围为 7~10 km, 卷云经历了薄-厚-薄的过程, 平均厚度为 (2.0±0.5) km。卷云环境温度在 -51℃-39℃范围之内。卷云的光学厚度在 0.084~1.649 之间, 光学厚度随几何厚度的增加而增大,平均光学厚度为 0.651±0.403。卷云激光雷达比为 (17±17) sr。 薄卷云的激光雷达比要比厚卷云的大。光学厚度小于0.3的光学薄卷云出现高度在8.6 km以上, 环境温度低于-45℃, 几何厚度小于1.8 km, 雷达比分布在5~69 sr。

钠激光雷达、流星雷达和中频雷达是测量中间层顶水平风场的三个重要手段。Hawaii地区 在2002~2005年间同时存在这三种仪器,多次进行了对中间层大气水平风场的同时观测。 通过对2002年7月9日晚和2003年10月23日晚这三种设备连续8 h同时探测的风场数据进行对比分析, 发现钠激光雷达与流星雷达观测的径向风和纬向风结 果比较吻合,并且都远大于(约两倍)中频雷达观测的结果。风场的夜平均垂直廓线表明, 在速度较小并且风速变化比较平稳时,中频雷达能够表现出与钠激光雷达和流星雷达相对较 好的一致性;反之,差异较大。

为了比较几种自动化测云仪器的性能,中国气象局气象探测中心在南京信息工程大学的 气象探测基地首次组织了一次为期近5个月的比对试验,试验仪器包括四台激光云高仪、 两部红外测云仪、一台全天空成像仪以及一部毫米波云雷达。对其中大部分仪器取得的 三个月云底高度数据进行了初步分析,结果表明:三台激光云高仪测量结果比较一 致;两部红外测云仪在测量低云时一致性稍差;云雷达与激光云高仪测量的最 低层云底高度数据一致性较差,但与红外测云仪的测量结果匹配较好。

中国科学院安徽光学精密机械研究所研制了一台ARL-1二氧化碳拉曼激光雷达,结合实际大气条件, 利用拉曼激光雷达的观测例子和分析仪观测结果,分析了拉曼激光雷达测量大气二氧化碳的不确定性。 分析结果表明,拉曼激光雷达在对流层低层具有良好的稳定性和较高的测量精度,在较好的天气条件下, 1 km高度范围内,ARL-1拉曼激光雷达的测量不确定性可控制在1.2 ppm内,在2 km高度范围内可控制在2.5 ppm内。

针对大气气溶胶监测的迫切需要,研制完成了用于大气气溶胶和云的结构与光学特性研究的微脉冲激光雷达系统。 主要介绍了该激光雷达系统的结构和主要技术参数，发射系统采用重复频率为2.5 kHz、单脉冲能量为6 μJ的 二极管泵浦Nd:YAG激光器,接收系统采用20 cm口径的施密特-卡塞格林式望远镜、0.5 nm的窄带干涉滤光片及光子 计数模式的光电倍增管。利用本系统对青岛地区对流层的大气气溶胶进行了观测,观测结果表明,该系统具备连续 观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。

根据国际机载荧光激光雷达系统发展趋势,对基于512通道ICCD的机载海洋荧光激光雷达系统进行了 实验室实验模拟和计算,对其可行性进行了评估。采用单脉冲能量70 μJ的355 nm Nd:YAG激光器 作为激发光源,直径100 mm的透镜收集探测距离5 m远的荧光信号,信号具有较好信噪比。 模拟计算表明,对于同样基于ICCD探测的机载海洋激光雷达,采用20 Hz、单脉冲能量80 mJ的激光器 和200 mm口径望远镜在150 m探测距离可获得与实验室相当的结果。

差分吸收激光雷达发射光束与接收视场的重叠区域用几何因子函数来描述, 几何因子是差分吸收激光雷达的重要参数。 提出了一种实验方法,实验使用米散射激光雷达和差分吸收激光雷达同时测量信号,通过对比分析两台激光雷达 采集信号计算得到的气溶胶散射比廓线,获得差分吸收激光雷达的几何因子。该方法的优点在于不需要预先得到 精确度高的激光雷达参数,比如望远镜直径,光束发散角,望远镜接收视场角等。该方法的应用有利于减少近 地面差分吸收激光雷达测量臭氧廓线的误差,提高差分吸收激光雷达的探测性能,有助于研究近地面层的臭氧时空分布特征。

多普勒激光雷达在大气风场探测中已经得到广泛应用。相比于Fabry-Perot(F-P)干涉仪、 Fizeau干涉仪, Mach-Zehnder (M-Z)干涉仪作为鉴频器具有透过率高、探测谱的范围宽、能进行视场展宽而获得大光通量、 所成直条纹可以与CCD匹配等优点,同时也可以实现大的风速探测范围,弥补现有直接探测多普勒测风激光雷 达探测范围较小,探测灵敏度的非线性问题。分析了基于M-Z干涉仪条纹成像技术的激光雷达大气风场探测 原理,对干涉仪鉴频系统进行了参数优化设计及仿真分析,通过设定实验参数,获得仿真结果,进行数据反演, 得到风速值与理论结果基本一致。