《大气激光监测》

第一章 引论(E. D. Hinkley)1

符号汇编表4

参考文献10

第二章 空气纯度管理的遥感(S. H. Melfi)11

2．1 大气12

2．1．1 大气结构13

2．1．2 对流层14

气溶胶和粒子15

碳的氧化物17

硫化物17

氮化物18

臭氧19

烃19

2．1．3 平流层20

气溶胶和粒子20

次要的分子成分21

2．2 污染物一般迁移模式22

2．2．1 数学模式描述22

2．2．2 发展和验证模式所必需的监测24

2．3 激光系统的遥测能力24

2．3．1 单端系统25

激光雷达25

喇曼激光雷达26

共振激光雷达26

差分吸收散射的激光雷达26

收发分置的激光雷达27

测量能见度的喇曼激光雷达27

2．3．2 双端系统27

长光程吸收28

2．4 空气纯度管理的遥测28

2．4．1 遥测的优点29

无干扰监测29

光程的积分测量29

地面和高空测量30

远景监测30

在辽阔的地域内测量30

2．4．2 遥测的应用31

2．5 结论31

参考文献32

第三章 激光通过大气的传输(V. E. Zuev)33

3．1 分子吸收33

3．1．1 基本定义33

3．1．2 分立谱线的吸收37

3．1．3 大气气体吸收光谱的一般特性40

3．1．4 实验46

3．1．5 理论53

3．1．6 布给定律对吸收的适用范围54

3．2 分子散射57

3．3 微粒散射59

3．3．1 散射系数；吸收系数；衰减系数59

3．3．2 单个粒子的散射60

3．3．3 云和雾的散射61

3．3．4 霾的散射62

3．3．5 降水的散射64

3．3．6 气溶胶散射相函数65

3．3．7 布给定律对散射的适用范围65

3．4 总衰减：激光大气探测的有效波段66

3．4．1 非浑浊大气66

3．4．2 霾68

3．4．3 云和雾69

3．4．4 降水70

3．5 大气模式70

3．6 均匀性偏差70

3．6．1 大气湍流效应70

3．6．2 气溶胶闪烁72

参考文献74

第四章 用弹性后向散射与差分吸收激光雷达测量粒子和气体(R. T. H. Collis和P. B. Russell)76

4．1 背景材料76

4．2 光探测与激光测距(激光雷达)原理78

4．2．1 激光雷达方程82

4．2．2 激光雷达系统与装置84

激光器84

探测器85

光学元件86

数据的获得、显示与处理86

系统的组合88

4．2．3 人眼安全91

4．3 测定接收激光雷达信号的大气影响92

4．3．1 弹性后向散射94

气体分子的后向散射94

粒子的后向散射95

4．3．2 衰减102

气体分子的衰减102

粒子的衰减103

4．3．3 多次散射105

4．4 差分吸收激光雷达技术107

4．4．1 工作原理108

4．4．2 测量灵敏度110

4．4．3 潜在误差113

4．5．1 微粒物质的半定量测绘与监测115

4．5 按照大气意义阐明单一波长的激光雷达测量115

4．5．2 激光雷达方程的解116

4．5．3 由光学测量导出气溶胶物理量118

4．6 激光雷达测量实例125

4．6．1 弹性后向散射应用126

观察云与雾126

在视觉上“清晰”的空气中观察133

观察大气运动147

4．6．2 差分吸收法应用149

水汽149

污染气体150

4．7 结论153

4．7．1 现有能力与局限性153

4．7．2 未来展望154

参考文献155

第五章 喇曼散射和共振荧光探测原子和分子(H. Inaba)162

5．1 散射机理和荧光机理162

5．2 喇曼散射和共振荧光的基本特征167

5．2．1 喇曼散射167

5．2．2 共振喇曼散射和荧光的区别177

5．2．3 近共振喇曼散射179

5．2．4 共振散射185

5．2．5 人气中的荧光及其猝灭190

5．3 应用喇曼散射与共振荧光的激光雷达方法的工作原理和特性194

5．3．1 基本概念和激光雷达方程194

5．3．2 大气透射和消光198

5．3．3 喇曼散射方案和共振荧光方案的基本特性及其比较199

5．3．4 喇曼散射法测量大气温度的原理201

5．4 实验激光雷达系统和测量204

5．4．1 喇曼散射方案205

大气中主要分子成分的探测205

大气中水汽分布的测量207

监测大气中的分子污染物210

大气温度的遥测217

5．4．2 探测高层大气原子的共振荧光方案219

5．4．3 共振荧光法的室内实验224

5．5 激光雷达监测系统的探测灵敏度及其性能227

5．5．1 探测方法与接收系统的信噪比227

5．5．2 喇曼散射方案用于地面监测低层和高层大气的探测能力231

5．5．3 低层大气中近共振喇曼散射方案和共振散射方案的探测能力235

5．5．4 共振荧光方案用于地面监测低层和高层大气的探测能力240

5．5．5 机载探测、气球载探测和卫星测量的探测能力247

参考文献250

第六章 用吸收激光辐射的方法探测分子污染的技术(E. D. Hinkley, R. T. Ku和P. L. Kelley)255

6．1 分子污染物的吸收光谱256

6．1．1 分子激励的类型与光谱区之间的关系256

6．1．2 吸收线的特征259

6．2 监测所用的激光器265

6．2．1 染料激光器267

6．2．2 光混频器与参量振荡器268

6．2．3 半导体二极管激光器271

6．2．4 自旋反转喇曼激光器273

6．2．6 可调谐激光器小结275

6．2．5 高压气体激光器275

6．3 信号探测技术276

6．3．1 直接光子探测276

室温红外探测器277

致冷红外探测器278

6．3．2 光声探测279

6．3．3 外差探测285

6．4 差分吸收法监测的理论285

6．4．1 分立波长监测286

6．4．2 导数法监测289

多普勒增宽谱线的导数法监测289

压强增宽谱线的导数法监测292

佛克脱型谱线的导数法监测293

6．5 差分吸收法监测的应用294

6．5．1 分子污染物的单点取样法295

环境空气取样296

车辆排气取样296

烟囱气体取样300

6．5．2 现场定域监测301

车辆排气监测301

烟囱气体监测302

对流层与平流层现场监测302

6．5．3 长距离大气监测305

用分立可调谐激光器的长距离监测305

用连续可调谐激光器的长距离监测307

垂直分布监测309

6．6 激光安全311

6．7 结论312

参考文献312

第七章 激光外差探测技术(R. T. Menzies)318

7．1 外差辐射测量原理320

7．1．1 热辐射320

7．1．2 迪克(Dicke)微波辐射计322

7．1．3 红外波段中的光混频324

7．1．4 信噪比考虑327

本机振荡器起伏的限制327

其它噪声源334

7．2．1 气体红外发射率336

7．2 被动外差辐射计336

7．2．2 组件要求339

本机振荡器339

光混频器341

7．2．3 气体的外差探测实验344

7．2．4 与迈克耳孙干涉光谱仪的比较348

7．2．5 地面监测应用350

7．2．6 空中监测应用351

7．2．7 湍流对被动外差辐射计的影响357

7．3 生动监测系统中的外差技术358

7．3．1 用外差技术改善灵敏度358

连续波发射机359

脉冲发射机359

湍流效应360

7．3．2 大气造成的收发分置系统性能的下降360

气溶胶后向散射效应362

7．3．3 用收发分置系统作污染物探测实验364

7．3．4 空中激光吸收光谱仪368

7．4 在光谱适应性上的进一步改进372

7．4．1 红外二极管激光器372

7．4．2 高压气体激光器373

7．4．3 参量振荡器373

7．4．4 光电二极管可变电抗混频器374

7．5 结论374

参考文献375

附有标题的补充参考文献379

内容索引383