拉曼气溶胶激光雷达基本原理
以激光为光源，通过探测激光与大气相互作用的光波信号来遥感大气．光波与大气中介质相互作用，产生包含气体分子和气溶胶粒子有关信息的辐射信号，利用适当的反演方法就可以从中得到关于气体分子和气溶胶粒子的相关信息．利用弹性散射信号确定颗粒物消光系数的方法无法改变这样的事实：根据雷达信号来同时确定气溶胶消光系数和后向散射系数这两个未知的物理量．系统主要分为三个部分：光学发射与接收光学系统、光电探测组件中的电子学系统(包括激光器电源、信号放大、采集和控制单元)以及信号存储与数据处理系统．
应用：目前主要应用与大气温度测量以及大气污染测监测，北京奥运会期间曾经利用这项技术进行了大气能见度以及污染颗粒的检测。
拉曼气溶胶激光雷达探测
针对全球范围内大气参数实时监测技术需求，以地表30千米内与人类活动密切相关的大气空间为探测对象，依据大气分子的拉曼散射原理，开展具有自主知识产权的紫外域波长激光雷达探测大气水汽、温度和气溶胶特性的系统及实验研究，主要涉及拉曼激光雷达系统探测技术、微弱信号提取技术与方法、大动态范围的数据拼接与校正技术、多参量并行精细探测及反演技术和模块化系统集成技术与对比实验研究等多学科交叉技术。结合多年来研究大气水汽和温度拉曼激光雷达技术的积累，研制了以特殊分色1片和窄带干涉滤光片为核心的拉曼分光系统，实现了大气分子的振动和转动拉曼信号的精细提取技术，构建了拉曼激光雷达系统，实现了对大气水汽、温度与气溶胶廓线的精细探测。长期实验探测性能稳定，可靠性高，可作为区域性大气和空间环境地基激光雷达监测基地继续开展长期观测实验研究。
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大气拉曼气溶胶激光雷达
大气气溶胶的气候强迫是目前气候变化因素中不确定性大的一项。气溶胶的光学特征直接影响大气辐射过程,也可以通过在微物理过程中与云-降水的相互作用间接影响辐射过程。有必要对气溶胶光学和微物理参数进行实时连续监测,降低气溶胶辐射强迫在天气和气候模式中的不确定性。本研究利用多波段Raman激光雷达(355、532和1064nm)对北京上空气溶胶进行了连续观测,建立了光学参数的自动算法[1,2],并在此基础上提出了环境气溶胶微物理参数的3波段Raman激光雷达反演算法[3,4]。实现了对北京上空气溶胶光学和微物理参数垂直分布的实时监测反演。2016年12月至今,在北京大学(39.99N,116.31E)校内楼顶,利用北京大学环境科学系及国家重点实验室的一台多波段Raman激光雷达,对北京上空气溶胶进行了连续观测。利用观测得到的米散射和Raman散射信号,建立了355、532和1064nm后向散射系数及355nm消光系数的自动反演算法,得到了北京地区上空气溶胶光学特征。根据6S辐射传输模式中气溶胶模型,假设北京上空气溶胶由黑炭型(Soot)、可溶型(Water Soluble)和沙尘型(Dust)组合构成,各类型气溶胶均假设为对数正态分布;利用T-matrix米散射模型,计算三种气溶胶的光学参数(355、532和1064nm后向散射系数和355nm消光系数)制作查算表,查算表变量包括三种气溶胶数浓度(N1,N2,N3)和可溶性气溶胶中心粒径(rg)。对比光学参数的观测值和模拟值,得到三种气溶胶数浓度和可溶型气溶胶中心粒径的优解,进而计算气溶胶微物理参数(有效半径、表面积浓度、体积浓度和复折射指数),个例和统计分析表明结果合理。
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