拉曼氣溶膠激光雷達探測原理

光波的物理量可由強度、波長（頻率）、相位、偏振態(tài)及指向性等來表示。光與物質(zhì)相互作用主要表現(xiàn)為吸收及散射現(xiàn)象，按作用機理可以分為氣溶膠等顆粒物引起的米氏散射，大氣分子及原子等引起的瑞利散射、拉曼散射、熒光及共振散射和吸收等現(xiàn)象。通過對各種散射機理及效果進行分析，可以探測物質(zhì)的物理及化學信息。大氣探測激光雷達工作原理與微波雷達相似。一般采用脈沖激光器作為發(fā)射源，向大氣中發(fā)射一束具有高指向性、高能量的窄脈沖寬度的激光束，通過望遠鏡收集大氣中物質(zhì)產(chǎn)生的后向散射光，并對散射光進行光譜分析，剔除雜散光信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得電信號，由計算機進行數(shù)據(jù)采集、信號分析及數(shù)據(jù)反演即可得到所需大氣參數(shù)或信息。

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大氣拉曼氣溶膠激光雷達

大氣氣溶膠的氣候強迫是目前氣候變化因素中不確定性大的一項。氣溶膠的光學特征直接影響大氣輻射過程,也可以通過在微物理過程中與云-降水的相互作用間接影響輻射過程。有必要對氣溶膠光學和微物理參數(shù)進行實時連續(xù)監(jiān)測,降低氣溶膠輻射強迫在天氣和氣候模式中的不確定性。本研究利用多波段Raman激光雷達(355、532和1064nm)對北京上空氣溶膠進行了連續(xù)觀測,建立了光學參數(shù)的自動算法[1,2],并在此基礎上提出了環(huán)境氣溶膠微物理參數(shù)的3波段Raman激光雷達反演算法[3,4]。實現(xiàn)了對北京上空氣溶膠光學和微物理參數(shù)垂直分布的實時監(jiān)測反演。2016年12月至今,在北京大學(39.99N,116.31E)校內(nèi)樓頂,利用北京大學環(huán)境科學系及國家重點實驗室的一臺多波段Raman激光雷達,對北京上空氣溶膠進行了連續(xù)觀測。利用觀測得到的米散射和Raman散射信號,建立了355、532和1064nm后向散射系數(shù)及355nm消光系數(shù)的自動反演算法,得到了北京地區(qū)上空氣溶膠光學特征。根據(jù)6S輻射傳輸模式中氣溶膠模型,假設北京上空氣溶膠由黑炭型(Soot)、可溶型(Water Soluble)和沙塵型(Dust)組合構成,各類型氣溶膠均假設為對數(shù)正態(tài)分布;利用T-matrix米散射模型,計算三種氣溶膠的光學參數(shù)(355、532和1064nm后向散射系數(shù)和355nm消光系數(shù))制作查算表,查算表變量包括三種氣溶膠數(shù)濃度(N1,N2,N3)和可溶性氣溶膠中心粒徑(rg)。對比光學參數(shù)的觀測值和模擬值,得到三種氣溶膠數(shù)濃度和可溶型氣溶膠中心粒徑的優(yōu)解,進而計算氣溶膠微物理參數(shù)(有效半徑、表面積濃度、體積濃度和復折射指數(shù)),個例和統(tǒng)計分析表明結(jié)果合理。

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拉曼氣溶膠激光雷達

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用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測技術手段的主動遙感設備。激光雷達是激光技術與現(xiàn)代光電探測技術結(jié)合的先進探測方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器以及光學擴束單元等組成;接收系統(tǒng)采用望遠鏡和各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等組合。激光雷達采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法按照探測的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多1普勒等激光雷達。

用激光器作為輻射源的雷達。激光雷達是激光技術與雷達技術相結(jié)合的產(chǎn)物 。由發(fā)射機 、天線 、接收機 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器等；天線是光學望遠鏡；接收機采用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等。激光雷達采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法分直接探測與外差探測?！?

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