激光沉积制造中的几何缺陷识别及基于模型重建的缺陷补偿

《Optics & Laser Technology》：Geometric defect identification in laser deposition manufacturing and defect compensation based on model reconstruction

气溶胶后向散射系数检测算法误差分析与多波长激光雷达系统研究，结合Scheimpflug原理扩展458nm检测波长，建立拉曼-米氏联合反演算法，量化边界条件与激光比浊率误差（8.5–11.5%、3.8–24.9%、7.4–16.9%），验证系统在晴、尘、雾-霾条件下的可靠性，提升激光雷达气溶胶测量精度。

　　本研究的主要目标是开发一种基于Scheimpflug原理的蓝色波段（458 nm）垂直剖面Mie散射激光雷达系统，该系统被集成到传统的脉冲Raman-Mie激光雷达中。这种创新方法扩展了现有大气激光雷达技术的检测波长范围，从而提高了对大气气溶胶光学和微物理特性的测量精度和可靠性。通过建立专门的算法来处理458 nm波段的气溶胶后向散射系数，并结合模拟研究和实际大气测量对相关误差进行全面量化，进一步验证了该系统在不同天气条件下的可行性。

大气气溶胶在地球-大气系统辐射平衡中扮演着至关重要的角色，因此准确获取气溶胶的空间-时间分布、光学性质和微物理性质对于研究气候变化、评估空气质量以及分析环境影响具有重要意义。尽管传统的单波长或多波长激光雷达系统已被广泛用于检测气溶胶的垂直分布，但它们仍然受到波长限制和几何重叠因子不完整等问题的制约。近年来，多波长脉冲Raman-Mie散射激光雷达因其能够获取所谓的“3β + 2α”光学参数而得到广泛应用，其中β代表气溶胶后向散射系数，α代表气溶胶消光系数。然而，受限于脉冲激光器的波长可用性和高昂的成本，扩展检测波长面临技术瓶颈。

针对这一问题，研究团队提出了一种基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统，即Scheimpflug激光雷达（SLidar）。这种系统可以利用脉冲或连续波二极管激光器，提供广泛的波长选择能力。其高时空分辨率、低盲区和成本效益使其成为近地面大气测量的重要工具。然而，将Mie散射SLidar集成到传统的脉冲Raman-Mie激光雷达中，虽然能够拓展操作波长范围，提高气溶胶光学和微物理特性的测量精度，但也带来了协同多波长反演气溶胶光学性质的挑战。

在Fernald算法中，边界条件和激光雷达比（lidar ratio）是影响反演精度的两个关键因素。目前，确定边界条件的方法包括清洁层法、迭代法和参数化校准法。清洁层法依赖于无气溶胶的分子光学性质，因此在高气溶胶负载条件下效果不佳。而迭代法虽然可以在不假设清洁大气条件下获取消光系数的边界值，但其过程复杂，且仅在有限的气象条件下验证。参数化校准法则通过假设固定的复折射率来建立多波长后向散射比的实证公式，再利用Raman通道获取的后向散射比来推导Mie散射通道的边界条件。然而，这种假设与实际大气中的复折射率存在偏差，从而影响了反演结果的准确性。

研究团队在本工作中，针对458 nm波段的气溶胶后向散射系数建立了专门的反演算法，并通过模拟研究和实际大气测量对其相关误差进行了全面量化。通过综合考虑新增波长与现有波长之间的间隔以及激光器的性能，优化了系统的整体设计。所提出的算法能够有效利用Raman-Mie激光雷达获取的激光雷达比和边界条件，从而实现对458 nm波段气溶胶后向散射系数的高精度反演。

为了验证该算法的有效性，研究团队开发了一个模拟模型，并将其与航空调查数据进行对比。航空调查数据是由安装在河北省气象改造飞机上的粒子测量系统（PMS）采集的，该系统配备了四个探头，能够测量云滴、气溶胶粒子、云凝结核和降水粒子的尺寸分布。通过该数据集，研究团队能够模拟不同天气条件下气溶胶的特性，并进一步评估算法在实际应用中的表现。此外，该系统在晴朗、多尘和雾-霾等不同天气条件下的实际测量也表明了其在复杂气溶胶环境中的适用性。

本研究的成果为提高基于激光雷达的大气气溶胶测量的准确性和可靠性提供了重要的理论基础和技术支持。通过引入新的波长和改进的反演算法，研究团队成功地扩展了激光雷达系统的检测能力，使其能够更全面地表征大气气溶胶的特性。特别是在近地面区域，气溶胶的复杂性和多模态分布使得传统的单波长或有限波长的激光雷达系统难以提供足够精确的数据。而本研究提出的系统和算法则能够在更广泛的波长范围内进行高精度测量，从而为大气科学研究、环境监测和气象预报等领域提供了新的工具和方法。

此外，本研究还强调了多波长激光雷达系统在获取额外独立信息内容方面的重要性。不同波长对粒子大小具有不同的灵敏度范围，因此通过增加波长间隔可以提高系统的信息维度。这不仅有助于更准确地反演气溶胶的光学和微物理特性，还能增强对复杂大气条件的适应能力。然而，目前大多数脉冲激光雷达系统仍然存在近地面盲区和较长的过渡区，这使得在这些区域内的气溶胶测量变得困难。而基于Scheimpflug原理的激光雷达系统则能够有效解决这一问题，从而实现更全面的近地面气溶胶监测。

本研究的另一个重要贡献是提出了一种专门针对458 nm波段的气溶胶后向散射系数的反演算法。该算法结合了SLidar和Raman-Mie激光雷达的优势，通过利用Raman通道获取的激光雷达比和边界条件，对Mie散射通道的数据进行反演。这一方法不仅提高了反演的准确性，还为未来多波长激光雷达系统的开发提供了新的思路。通过模拟和实际测量，研究团队全面评估了该算法在不同天气条件下的表现，并得出了系统误差的范围。结果显示，在晴朗、多尘和雾-霾等不同大气条件下，由激光雷达比和边界条件引起的系统误差分别为8.5–11.5%、3.8–24.9%和7.4–16.9%。这些误差范围的分析为后续的算法优化和系统改进提供了重要的参考依据。

总体而言，本研究通过将Scheimpflug原理引入传统的脉冲Raman-Mie激光雷达系统，成功开发了一种新型的蓝色波段垂直剖面Mie散射激光雷达。该系统不仅拓展了检测波长范围，还提高了近地面气溶胶测量的精度和可靠性。同时，研究团队提出了一种专门的反演算法，结合了Raman和Mie散射通道的数据，为未来多波长激光雷达系统的应用奠定了基础。这一成果对于提升大气气溶胶测量的科学价值和实际应用能力具有重要意义。