大气科学概论第七章激光雷达大气探测进展无云粒子卜令兵.ppt

1、激光大气探测进展卜令兵大纲 激光雷达基本原理 激光雷达应用 气溶胶探测激光雷达 温度探测激光雷达(瑞利-拉曼) 多普勒测风激光雷达 差分吸收激光雷达 激光大气探测的典型应用 结论一、基本原理基本组成激光雷达方程N(z)： number of photons detected at the range the overlap factor between the telescope field of view (FOV) and the laser beam at the range z, the lidar efficiency, TA the one-way transmittance of

2、 the lower atmosphere PL the laser power, the effective backscatter cross section nS(z) the number density of the scattering matter at range z,AR the receiving telescope aperture area测量对象激光雷达优点：具有垂直分辨能力 探测时间的连续性 高时、空分辨率 高精度 缺点: 探测能力受天气状况影响 12211221221122( ) exp 2(/1)( )( )/( )()2( )exp 2(/1)( )()/()

3、ccczzzzccczzX zssz dzzsszX zX zssz dz dzzssz 12211221221122( ) exp2(/1)( )( )/( )()2( )exp2(/1)( )()/()ccczzzzccczzX zssz dzzsszX zX zssz dz dzzssz /s 2( )( )X zP z Z1S28 /3S这里下标1、2分别表示气溶胶与空气分子， 二、激光雷达的基本应用1、气溶胶探测激光雷达性能参数指 标探测对象大气气溶胶（沙尘）消光系数的垂直分布；大气边界层变化过程；卷云云底、云顶、云中心及云的消光系数、退偏振度；大气水平能见度探测波长532 nm，1

4、064 nm有效探测高度对流层顶；平流层高度分辨率 7.5 m测量误差夜晚：20%, 白天：30%10-410-310-210-11000123456789101112131415 20:00, July 18, 2003 Molecule(532nm) 532 nm 1064 nmAltitude (km)Extinction coefficient (km -1)微脉冲激光雷达激光器及发射系统激光波长523 nm脉冲重复频率2500 Hz脉冲能量8 J 工作寿命10,000小时计算机接口/控制RS-232眼睛安全性符合ANSI Z136.1 2000接收器望远镜类型马克苏托夫-卡塞格林收发

5、合置焦距2400 mm直径178 mm视角100 mrad 数据系统光子探测器雪崩光电二极管，光子计数模式测距分辨率15 m，30 m，75 m (可编程)最大探测距离60 km多通道计数器两个多通道光子计数器，温度能量监测A/D转换器，USB计算机接口。典型气溶胶观测特征10-410-310-210-11000123456 Height(km)Aerosol Extinction Coefficient (km-1) 02:00 08:00 14:00 20:00 Molecular Extinction Coefficient气溶胶消光系数日分布特征早上08:00气溶胶分布比较小，到中午1

6、4:00过后逐渐增加到最大，在傍晚20:00开始回落，夜间02:00达到最小 10-310-210-11000123456 Height(km)Aerosol Extinction Coefficient (km-1) Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan基于偏振探测的激光雷达 水云的退偏振比一般小于0.15，卷云的退偏振比在0.5左右，有时可以达到0.8，而混合云的退偏振比在两者之间. 退偏振比在002到06之间变化，不存在明显的波长依赖性 在由中国、日本、韩国等国的激光雷达联合组成的亚洲激光雷达观测网中，已有多台偏振激光雷达对起源于蒙古和我国西北的沙尘暴粒子的时空分布进行

7、探测 偏振激光雷达系统沙尘气溶胶的退偏2、温度测量激光雷达532nm LaserLaserpower unitSubsidiarypower unitPMT highervoltage unit 532nm607nmReceivertelescopeirisLDBSBSF LAFL532H PMT532L PMT607 PMTP7882ComputerPCI9812PMTGate unitF filterA attenuatorL lensBS bean splitterDBS dichroic beam splitter激光雷达观测结果实例10-510-410-310-210-123456

8、Altitude (km)Backscatter Coefficient (km-1Sr-1) 09/06/03 20:15 DWL(Low) RRML 532L(a)81216210240270 Temperature(K)Altitude(km)2009/06/18/22:03 40000shots model Lidar2530354045200220240260280300 Temperature(K)Altitude(km)2009/06/18/21:23 10000shots model Lidar年年月月天数天数年年月月天数天数2009 102201012131152011101

9、23202010 10382041634513426252736082709581103901121021221116201212瑞利-拉曼-米散射激光雷达观测天数分布南京上空中层大气温度反演与研究2010年和2011年每年的3月至5月期间南京上空中层大气温度进行反演对比（同年对比）南京上空中层大气温度反演与研究2009年至2011年每年的10月至12月期间南京上空中层大气温度进行反演对比（同年对比）南京上空中层大气温度反演与研究整晚温度廓线南京上空中层大气重力波扰动初探3、多普勒测风激光雷达 风场多普勒效应cos2Vcos2 =Vc风速的测量转变激光频率的测量边缘技术歌德飞行研究中心的Kor

10、b 双边缘技术 法国Chanin Dreturn returnImaging Detector (CCD) Incoming signalFabry Perot etalonDout out密西根大学累积CCD条纹技术123456789 10 11 12 13 14 15 160.00.20.40.60.81.0 TransmittancePMT channles Null 10m/sSO2气体分子吸收谱2842852862872882892902912922932942952962972982993003013022.0 x10-194.0 x10-196.0 x10-198.0 x10-1

11、91.0 x10-181.2x10-181.4x10-18 SO2 absorption crosssection (cm2)wavelength (nm)ONOFF4、差分吸收激光雷达参数SO2NO2O3飘尘最小探测浓度(ppb)102560.05/km最高空间分辨率(m)7.57.57.57.5最小探测浓度时的空间分辨率(m)5001000500 7.5最大/平均探测距离(km)3/23/23/2 5/301x10122x10123x10124x10125x10126x1012101520253035404550 Alitude (km)Ozone number density (mole

12、cule/cm3)2001-12-21 Lidar SAGE IIHefei,China51015202530354001x10122x10123x10124x10125x1012 2000.07.16 SAGE II lidarHefei,Chinaozone number density (molecules/cm3)altitude (km) L625激光雷达观测的合肥上空平流层、对流层数密度分布以及与SAGEII观测结果的比较，结果一致性较好。大气臭氧探测05101520253035404501x10122x10123x10124x10125x10126x1012 ozone numb

13、er density and its standard deviation (molecules/cm3)altitude (km) 2001yearly average profile with 50 days合肥上空平流层、对流层臭氧数密度年平均分布。车载测污激光雷达 激光光源用的是德国Elight 公司的双波长可调谐Ti 激光器(调谐范围760860 nm) 。在SO2的测量中,激光器以20 Hz 的频率交替产生两个波长的脉冲激光,经二倍频、三倍频晶体后可以输出波长为286. 3 nm 和286. 9 nm 的波长对,此波长对分别对应SO2 吸收谱线的强吸收和弱吸收。0.60.81.01

14、.21.41.6-200020040060080010001200140020040426_pm_xg_SO2 SH1738DCH SH1804DCH20040427_nt_So2+xg SH2116 SO2 Density (ppb)Distance (km)2004年4月26/27日肥东二电厂附近的SO2浓度水平分布5、激光大气探测的典型应用 云自动化观测 雾霾观测与分析 机载云滴粒子探测北京考核场地南京考核场地中国华云技术开发公司的HY-CL51激光波长为910nm，发射功率19.5mw，重复频率10kHz中国华云技术开发公司的HY-CL31激光波长910nm，发射功率12mw，重复频率

15、10kHz凯迈（洛阳）环测有限公司的CYY-2B激光波长为905nm，发射功率为37.5mw，重复频率为5kHzMPLMPLMPL-ldrMPL-ldrWACR-Ldr雾霾探测的可行性雾霾探测未来激光雷达探测到进展亚洲激光雷达观测网（亚洲激光雷达观测网（AD-Net）(12 Lidars)欧洲激光雷达观测网（欧洲激光雷达观测网（EARLINET）(22 Lidars) 拉丁美洲激光雷达观测网（ Latin America Lidar Network）全球冰层地形、全球冰层地形、大气气溶胶和大气气溶胶和云层垂直分布云层垂直分布的探测的探测装载在装载在ICESat卫星上，于卫星上，于2003年年1

16、月月13日日发射上天发射上天GLAS（Geoscience Laser Altimeter System）ILT (Integrated Lidar Transmitter)ILR (Integrated Lidar Receiver)Beam Expander OpticsActive Boresight MechanismLaser Optics ModulesLaser RadiatorPMTsTelescopeOptical BenchAPD CALIPSO （NASA 2006年年4月月28日日 发射发射）Cloud- Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite ObservationSPARCLE 系统采用NASA/LaRC研制的半导体激光泵浦的Tm,Ho:YLF激光器，工作波长为2.051 mm脉冲能量为100 mJ，脉冲宽度为180 ns，重复频率为 6Hz。望远镜25 cmADM结论 充分发挥波长优势 技术优势； 长期观测； 科学研究 逐步业务化；