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發布時間:2021-06-11 03:59  
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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、偏振態及指向性等來表示。光與物質相互作用主要表現為吸收及散射現象,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象。通過對各種散射機理及效果進行分析,可以探測物質的物理及化學信息。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射源,向大氣中發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產生的后向散射光,并對散射光進行光譜分析,剔除雜散光信號,經光電轉換后獲得電信號,由計算機進行數據采集、信號分析及數據反演即可得到所需大氣參數或信息。
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拉曼氣溶膠激光雷達測量范圍
氣溶膠顆粒物時空演化、邊界層高度、后向散射系數、消光系數、偏振系數、水汽混合比、粒子譜濃度、有效半徑、質量濃度、PM2.5、PM10時空演化等,滿足科研、氣象與環境預警等領域的大氣環境監測需求。
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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進行實時連續監測,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觀測,建立了光學參數的自動算法[1,2],并在此基礎上提出了環境氣溶膠微物理參數的3波段Raman激光雷達反演算法[3,4]。實現了對北京上空氣溶膠光學和微物理參數垂直分布的實時監測反演。2016年12月至今,在北京大學(39.99N,116.31E)校內樓頂,利用北京大學環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后向散射系數及355nm消光系數的自動反演算法,得到了北京地區上空氣溶膠光學特征。根據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正態分布;利用T-matrix米散射模型,計算三種氣溶膠的光學參數(355、532和1064nm后向散射系數和355nm消光系數)制作查算表,查算表變量包括三種氣溶膠數濃度(N1,N2,N3)和可溶性氣溶膠中心粒徑(rg)。對比光學參數的觀測值和模擬值,得到三種氣溶膠數濃度和可溶型氣溶膠中心粒徑的優解,進而計算氣溶膠微物理參數(有效半徑、表面積濃度、體積濃度和復折射指數),個例和統計分析表明結果合理。
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拉曼氣溶膠激光雷達功能
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1)能見度監測:
該雷達系統可以提供斜1視能見度(SVR),與跑道能見度(RVR)相比,斜1視能見度更能真實的反映飛行員的視覺感受。
2)云底高度監測:
該雷達系統可以提供三維空間云底高度,可以更真實的反映整個機場上空云的三維分布,而普通的云高儀采樣空間僅為其頭頂上方狹小的區域。
3)霧霾監測:
該雷達系統可以監測平流霧的分布、動向及來源,可以為航空預警提供預報服務。
4)氣溶膠類型甄別:
該雷達系統可以區分火山灰氣溶膠、天然灰塵、煙霧、海洋氣溶膠、冰云、水云等成分,為航空環境預警提供有力技術保障。
