大气温度、湿度及气溶胶廓线精细探测激光雷达

  • 时间:2017-05-03 16:06:25
  • 来源:技术研究院

主要内容

激光雷达作为一种主动遥感探测工具已有几十年的历史,已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。随着近年激光技术、信号探测技术和数据采集及控制技术的飞速发展,使激光雷达技术实用性及应用前景受到广泛的关注。

 相对于现有的微波、电磁波雷达技术来说,光波具有较短的波长,因此它可以利用光与大气中存在的分子和浮尘的相互作用来实现对大气光学及物理特性、气象/气候参数进行高时空分辨率的精细探测,是一种近年快速发展的全新探测技术,是现代雷达探测技术从厘米波,毫米波向光波探测技术延伸,实现遥感探测技术向高时空分辨率、高精度领域发展,所以激光雷达在大气遥测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势,是其它探测手段无法比拟的。

 大气温度,湿度及气溶胶(卷云)是描述大气状态的基本参数之一。由于很多重要的气象现象都是发生在大气对流层区域,温度,湿度及气溶胶的剖面测量对于大气及地球环境科学的研究、尤其是对城市区域气候、热岛效应等的研究就显得尤为重要。

 本项目的目标:是研制一台能全天候探测大气温度、湿度及气溶胶光学特性的全自动激光雷达系统。该系统具有能快速、实时及精确地进行对流层低层(高度<5km)的大气温度,水汽密度,相对湿度,气溶胶及云层(特别卷云)的光学特性的垂直剖面的探测能力。为大气及地球环境科学研究,精细气象预报及自然灾害预警预报,军事及航空、航天等特珠气象保障提供实时、精细精确的有效大气监测数据。

 本项目的研究内容:在过去已经研制的实验样机及工程样机的基础上,利用已经取得的实验成果及技术积累,拟通过西安理工大学激光遥感研究中心已经建立的高光谱分辨率激光雷达系统为平台,研制一台对人眼安全、结构紧凑、可连续稳定运行、全天候工作的大气温度,湿度及气溶胶剖面探测的新一代工程样机。在系统设计上采用模块化的安定结构设计,操作系统采用自动及手动操作的人机界面软件设计,在系统探测原理上重点是提高脉冲激光锁频及鉴频的精度,解决探测区域内高浓度气溶胶对高精度测量温度,湿度的影响、及白天工作背景光干扰影响等问题,预计可完善建成我国第一套人眼安全的底层大气温度,湿度及气溶胶剖面测量为一体的多参量激光雷达测量系统。

产品主要技术指标及特点

1、产品的高度范围:0.2-5.0km;精度:高度4.0km的精度1度以下。

2、湿度测量范围及精度。高度范围:0.2-5.0 km米;精度:高度2.5km的精度5%以下。

3、气溶胶的测量范围及不确定度。高度范围:0.1-15.0km,不确定度:高度15km的不确定度10%以下。

4、一个剖面数据的探测时间:用户可调,但标准探测时间5分钟。

5、操作控制:自动及手动。

6、系统总重及体积: 重量<300kg,体积1.5m*0.8m*1.8m。

  7、产品的特点:快速、实时及精确探测参量剖面,可连续或一定时间间隔的自动探测,利用网络可实现远程监控探测等。

应用领域

1、用于军事,航空航天等高精细特珠气象保障服务。

2、用于精确的气象预报及大气物理、光学研究。它可以提高现有气象预报的准确度及降雨降水等气象灾害预报,进行地表大气放射及地球表面的热收支平衡等的研究。

3、用于城市居住环境的调查研究。例如 通过对城市温度,湿度和城市气溶胶(灰尘)的高度剖面的观测,可以研究城市热岛效应及城市气溶胶(灰尘)的高度聚集,停留的规律,为高层楼房,大型设施的建设场地的密度规划等市政建设提供设计依据。

4、用于区域性气候变动的调查研究。例如,火力电厂,水电站及大坝等大型设施周围的区域性气候变动的调查和检测。

技术水平

大气温度,湿度是描述大气状态的基本参数之一。激光雷达作为大气环境监测的新技术手段,正受到全世界越来越广泛的关注。低层大气温度的全天候高精度测量技术属于当前激光雷达遥感技术的前沿课题。德国,美国及日本都投入大量资金和人力进行研发。但目前,国际上主要还是依靠探空气球等传统手段来测量底层温度,湿度剖面。测量时间长、时效性差、数据量不足,不能有效地为大气环境监测提供足够的数据以及满足气象服务的需求。

本项目拟通过改进现有的紫外域波段高光谱分辨率激光雷达系统,实现了人眼安全、结构紧凑、可连续运行、全天候工作,高度5公里区域底层大气温度、湿度及气溶胶剖面高精度测量系统。其主要的技术创新点就是在选用紫外域波段的激光为光源,提高了测量信号的强度及人眼安全性,设计一套高精度的分光器保证测量信号的声噪比要求,同时有效地剔除天空背景光及地层大气内高密度气溶胶颗粒(灰尘)的影响,解决了激光雷达高精度测量底层大气温度,湿度的二大技术难题。

该项目已经完成了实验样机及工程样机的研制,激光雷达样机多次与探空气球进行实时探测比对,两者探测结果完全一致,其系统的创新性及技术含量趋于国际领先水平,特别在白天探测及高密度气溶胶条件下的温度探测技术,填补了激光雷达测温的国际空白。通过对原有样机的技术升级,特别是在系统稳定性、可靠性及数据产品反演等设计创新,可以使我国在底层激光测温领域达到国际领先,也可建成我国第一套人眼安全的底层大气温度,湿度及气溶胶剖面测量为一体的多参量激光雷达测量系统,成为该领域的高附加值,高技术的创新产品。

市场前景

国际上在激光雷达的产品化上近几年取得很快的发展,在气溶胶,风速风向及水汽密度探测上,已经有成熟的产品。激光雷达的载体平台已经从地基、车载、机载(船载)发展到星载激光雷达。美国、欧洲相继发射了卫星平台的激光雷达;即星载激光雷达。

激光雷达产品是高附加值,高技术含量的新颖产品,一台最简单的小型气溶胶雷达在国内的售价约在150万元人民币,香港新机场的测风激光雷达就达约800万元,所以价格较高。我国在激光雷达的产品研发上基本趋于空白状态,目前激光雷达的产品市场还是国外产品占据市场。

 由于激光探测大气温度的灵敏度较低,很容易受气溶胶及太阳背景光的影响,激光雷达全天候高精度探测大气温度技术上一直是热门研究领域,也没有较完美的系统及研究成果,这也制约了气象上很重要的相对湿度的探测。目前国际上常用探空气球来测量大气温度,湿度剖面,数据量少(点数据),成本高(一次性使用),对地定位精度较差(受风速风向影响),这些严重制约了高精度数值天气预报的精度。

 激光雷达具有测量定位精确,实时测量,3维剖面测量,数据量大,性能价格比高,不干忧天空航空器的飞行等优点。比较适用于城市的居住环境评价,地表境界层的气溶胶的光学特性及地表大气放射及地球表面的热收支平衡等的研究,提供城市空气质量指数的数字化预报,降雨降水等天气预报及灾害预报等,具有很强的社会服务价值,能产生很好的经济效益。日本某民间企业在做了大量市场前景调查的基础上,花费了4年多时间及一亿多日元经费研发该产品,可见其产业化前景的潜力。

 所以精细温湿度探测激光雷达的出现,可以部分替代传统的探空气球探测方式,在气象领域,环境及地球大气科学研究,军事特珠气象保障领域等有很好的市场潜力及美好的市场远景。

投资额及来源

  1. 利用西安理工大学现有的激光雷达平台,研发工程样机的研发费用约13

    万元(不含激光光源)。

    2、新规投入的场合,研发工程样机的费用需要250万元。

预期经济效率

目前单参量的小型气溶胶激光雷达的国内价格在150万元,单参量风速风向激光雷达(美国相干公司产品)市场价约800万元,德国Elight公司的大气污染探测激光雷达(SO2,NOx等)市场价在1000万元。

本项目研发的多参量探测系统日本公司的参考价格在500万元人民币。

市场预测:按第一年销售2台,第二年销售3台来计算,一年内就可以全部收回成本。属于高投入高回报项目。

服务方式及费用

   样机研制主要依托西安理工大学的激光雷达实验平台及相关技术、专利,完成激光雷达系统的技术研究与开发,实现上述测量指标。研发所需经费及技术分工主要设想:

   方式I(技术+资金):西安理工大学提供研究平台及测试手段,负责激光雷达系统的设计、调试、检测等技术开发,控制和数据反演软件开发,综合观测实验的维持与消耗等;投资方购置和提供激光雷达系统研制所必需的各硬件、部件,及必要的加工、工艺等技术支持。

方式II(委托开发):投资方以委托形式投入资金进行系统研发。