新型白光LED光源雷达大气气溶胶多波长探测方法与实验研究

Aerosol detection is the important part of the global climate and environmental change study. Light wave detection laser radar with high spatial and temporal resolution and real-time detection ability has attracted widespread attention as an effective tool for aerosol detection，but its application is affected due to the limitations of the laser wavelength of lidar, We propose a new multi-wavelength aerosol radar detection method using white LED light source. Through high spectral spectroscopic and detection, the wide spectrum information of atmospheric echo signal can be obtained. The LED lidar detection mechanism and its implementation method are detailed studied in our project. This research focuses on the energy gathering of the LED light source, beam quality and light pulse modulation, high spectral spectroscopic of atmospheric echo signal and its detection, as well as the inversion method of aerosol properties and particle size distribution in high-precision. The LED lidar experimental system will be built to carry out the fine detection research for aerosol optical and physical properties and in a wide spectral range. The model of the relationship between aerosol radiation and wavelength will be established. By analyzing meteorological data, the forming mechanism of haze weather will be revealed. The research results will provide a new method and technical support for solving the detection problem of aerosol optical characteristics in spatial and temporal which can not be achieved in specific wavelength, and particle size distribution in high-spectral resolution. And lay a foundation for the study of the influence of aerosol radiation effect on climate and air quality forecast.

气溶胶探测是研究全球气候及环境变化的重要组成部分，激光雷达因具有高时空分辨率与实时探测能力，成为气溶胶探测有力工具，但因其激光波长有限，对气溶胶的探测研究受到限制。项目采用白光LED作光源，提出一种新型气溶胶多波长雷达探测方法，通过高光谱分光与检测获得大气回波信号的宽光谱信息。重点研究白光LED光源雷达气溶胶探测机理与实现方法，主要解决LED光源能量聚集、光束质量与光脉冲调制，大气回波信号高光谱分光与检测，以及气溶胶特性和粒谱分布的高精度反演方法。建立LED雷达系统，在低层大气中开展气溶胶宽光谱范围的光学和物理特性研究，建立气溶胶辐射与波长关系模型；通过气象数据分析，揭示雾霾天气的形成机理。研究成果可为解决目前无法实现在特定波长上对气溶胶特性进行时空分布探测研究，以及高分辨率的粒谱分布探测等研究难题提供新的方法与技术实现手段，为研究气溶胶辐射对气候的影响效应以及空气质量预报奠定基础。

为了研究气溶胶的特性，需要对其时间和空间分布进行观测，LED光源雷达大气气溶胶探测技术，具有LED丰富的波长及较小距离的探测盲区的优势，可以弥补激光雷达探测的不足，对于研究气溶胶在不同波长下的光学特性以及在低空大气中的含量和时空分布特性，具有重要的学术意义与科学研究价值。.项目研究了大功率LED光源雷达气溶胶探测机理及其系统优化设计方法，研究内容涉及LED的光源技术、雷达探测技术、高光谱分光与检测方法、参数反演算法以及系统标定和实验方法。研究了大功率LED雷达探测光源实现方法，包括采用大功率LED构建雷达准直脉冲光源的实现方法、LED光源的高精度准直方法，以及LED光源的脉冲调制技术。研究了多波长光谱信号的精细分光和微弱信号的提取与高精度参数反演方法，进行了系统标定。开展了实验观测研究，通过在各种不同天气条件下对低层大气气溶胶的观测结果，研究了不同波长下的气溶胶消光系数随时间的高度分布变化规律，并与气象数据进行了对比，得到了较为吻合的结果。.研究并设计了新型脉冲LED遥感光源，获得了峰值功率毫瓦级、脉宽200ns的LED脉冲光束，并将LED出射光线的发散角控制在11~25mrad范围内，解决了制约LED应用于遥感雷达的关键技术问题，为LED光源雷达技术的研究提供了技术保障。.设计并研发了一套基于大功率LED光源的新型单波长雷达系统，开展了夜间多波长分时垂直观测实验，首次获得了西安城区上空300m高度内475nm、530nm、625nm波长的大气回波信号，并反演得到各波长下气溶胶消光系数的垂直时空分布廓线。通过夜间连续观测实验，得到530nm波长气溶胶消光系数的THI图，研究分析了低空大气气溶胶含量随时间的变化特征。.提出并研制了一种基于白光LED光源雷达的新型气溶胶多波长同步探测雷达系统，实现了不同波段Mie散射回波信号的分离和提取。开展了不同天气条件下夜间观测实验，获得4个波长300m高度内气溶胶消光系数廓线，通过夜间连续观测实验，借助THI图对近地面大气气溶胶浓度随时间的变化情况进行了详细的分析。