瑞利-拉曼-米氏散射激光雷達探測大氣溫度和密度的研究

瑞利-拉曼-米氏散射激光雷達探測大氣溫度和密度的研究

1主要的遙感探測激光雷達大氣溫度是描述大氣物理、氣候動力學、氣候和環(huán)境的基本原則之一。氣候溫度的變化導致氣候文化、動力學過程和微帶的分布發(fā)生變化。通過測量氣候溫度和密度，我們可以為時間分析和預測、環(huán)境和氣候動態(tài)過程提供重要數(shù)據(jù)。研究大氣溫度的變化趨勢、天氣過程分析和氣候模式檢驗均離不開有效的溫度觀測手段。目前,氣象部門主要使用無線電探空儀測量30km以下高度的溫度分布,然而,其時空分辨率易受風速的影響,并且探測高度受天氣條件的制約。中層大氣一般使用火箭探空或星載紅外或微波輻射計探測,但是,火箭探空價格不菲,因此不利于長期的觀測;而衛(wèi)星探測的空間分辨率較低(千米量級)。拉曼和瑞利激光雷達在大氣溫度和密度探測的時空分辨率、探測高度、測量精度和長期連續(xù)的觀測能力上,具有很大的優(yōu)勢,是其他遙感手段不能比擬的。近年,國外已有應用1~2m大口徑望遠鏡和高功率激光器,實現(xiàn)最大溫度探測高度達80km的瑞利激光雷達、以及最大探測高度達25km的拉曼激光雷達的報道。大氣氣溶膠和卷云則通過直接或間接效應影響地-氣系統(tǒng)輻射收支平衡,對氣候效應評估、大氣環(huán)境及激光大氣傳輸?shù)妊芯烤哂兄匾饬x,進行大氣氣溶膠光學特性的測量一直是氣侯、環(huán)境和大氣科學等研究領域中十分關心的問題,激光雷達為大氣氣溶膠和卷云的探測提供了有力的工具,國內外均開展了激光雷達探測氣溶膠和卷云的相關工作。激光雷達,尤其是大型拉曼激光雷達和瑞利激光雷達,系統(tǒng)復雜、價格高昂,不利于激光雷達組網(wǎng)建設,因此,單臺激光雷達高效綜合多種手段來遙感大氣參數(shù),已受到了人們的重視。由于瑞利-拉曼-米氏(Rayleigh-Raman-Mie,RRM)激光雷達采用瑞利、拉曼、米氏散射等多種手段探測大氣參數(shù),提高了激光雷達的資料覆蓋率,因此,研制結構緊湊的瑞利-拉曼-米氏激光雷達將有助于提高激光雷達的性價比,為我國激光雷達網(wǎng)組建的預先研究打下技術基礎。本文介紹一臺中國科學院安徽光學精密機械研究所研制的瑞利-拉曼-米氏溫度、氣溶膠和卷云探測激光雷達,首先敘述了各部分的技術結構和工作方法,給出激光雷達數(shù)據(jù)處理方法和典型的測量結果,然后將測量結果與其他激光雷達以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)作對比分析,驗證RRM激光雷達測量結果的可靠性,最后對合肥地區(qū)初步的溫度和氣溶膠測量結果做分析和討論。激光雷達觀測的大氣溫度、氣溶膠和云的光學特性等資料,將為氣象研究和大氣環(huán)境評估、航空航天及軍事應用提供重要的大氣參數(shù),并且有助于建設我國自主的大氣模式。地基激光雷達的探測資料,也可為衛(wèi)星測量提供對比驗證數(shù)據(jù)。2回波信號分析RRM激光雷達垂直向大氣中發(fā)射532nm的脈沖激光,通過探測激光與大氣相互作用的輻射信號來遙感大氣。RRM激光雷達通過測量氣溶膠532nm米氏散射信號,可以反演氣溶膠后向散射系數(shù)廓線。通過測量氮氣分子607nm振動拉曼信號,可以反演對流層溫度廓線,以及氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)、消光后向散射比廓線。通過探測空氣分子532nm瑞利散射信號,可以反演平流層溫度廓線。RRM激光雷達主要包括激光發(fā)射單元、光學接收單元、信號檢測和處理單元三部分,圖1是系統(tǒng)的結構框圖。發(fā)射單元采用Continuum公司的SureliteII型激光器,波長532nm,單脈沖能200mJ,重復頻率20Hz。接收望遠鏡使用Meade公司350mm口徑的卡塞格林望遠鏡,接收視場2.5mrad。532nm和607nm回波光經(jīng)望遠鏡小孔光闌和準直鏡,通過607nm波長全反(反射率大于97%)、532nm波長高透的分色鏡(dichroicbeamsplitter)分離,607nm拉曼信號由607nm通道接收,532nm光再經(jīng)96%透射、4%反射的分束鏡(beamsplitter)分為高低兩路,分別被532nm高層和低層通道接收。532nm通道和607nm通道分別采用0.5nm和0.3nm帶寬的濾光片。拉曼回波信號較氣溶膠米氏散射回波信號弱約三個量級,故要求607nm拉曼通道對波長相鄰的532nm回波光有很強的截止能力,因此607nm通道增加對532nm光的截止片。瑞利和拉曼高層回波信號很微弱,為提高其信噪比,需要采用高靈敏度、高量子效率的探測器和光子計數(shù)技術檢測,故607nm通道和532nm高層通道采用濱松(Hamamatsu)公司的極高靈敏度、高增益的R4632型光電倍增管,信號采集選用FASTComTec公司的P7882型光子計數(shù)卡。532nm低層通道信號檢測采用Hamamatsu公司的H5783型光電倍增管,該型光電倍增管在低層大氣氣溶膠強回波信號的檢測上有較高的性價比,信號采集采用PCI-9812型A/D數(shù)據(jù)采集卡。RRM激光雷達進行溫度測量時,為防止低層大氣的強回波信號引起探測器飽和,利用光電倍增管門控控制器,實現(xiàn)對光電倍增管開關門時刻的控制。探測607nm通道拉曼信號的光電倍增管門控的開門高度一般為2km,探測532nm高層通道瑞利信號的光電倍增管門控的開門高度一般為20km,可以保證R4632光電倍增管線性工作,同時避開低層氣溶膠回波信號對分子瑞利信號的干擾。當使用532nm高層通道探測對流層氣溶膠和高層卷云時,強回波信號會使R4632飽和,故需要在532nm高層通道接收光路上加相應強度的衰減片,同時使532nm高層通道的光電倍增管門控的開門高度為5km,保證R4632光電倍增管的線性,通過532nm高低兩個通道米氏散射回波信號的拼接,反演對流層氣溶膠光學參數(shù)。通過控制532nm高層通道的光電倍增管門控的開門高度為10km,結合對接收光路加相應強度的衰減片,可以實現(xiàn)對平流層氣溶膠的探測能力。3微波測量結果驗證RRM激光雷達建成后,在晴朗無云的夜晚進行了觀測試驗,觀測地點位于合肥市西郊(31.9N,117.17E)。選擇RRM激光雷達2008年11月20日的溫度觀測結果,與中國科學院安徽光學精密機械研究所L625大型激光雷達(L625擁有氮氣607nm拉曼信號及空氣分子532nm瑞利信號的探測能力)同時、同地點的觀測結果,以及美國Aura衛(wèi)星的微波臨邊探測器(MicrowaveLimbSounder,MLS)傳感器同一天在(31.13N,113.22E)地點的觀測結果作對比,驗證RRM激光雷達的測量結果。3.1測量結果對比氮氣分子607nm的拉曼散射回波不受氣溶膠后向散射的影響,故利用拉曼信號,通過校正空氣分子、氣溶膠和臭氧透射率項的影響,可以反演氮氣分子密度,通常認為大氣中氮氣分子的體積混合比為常數(shù),從而得到空氣分子密度,結合理想氣體狀態(tài)方程和大氣靜力學方程,使用Shibata方法,反演出對流層大氣溫度,溫度定標值使用(massspectrometerincoherentscatterextended,MSISE)模式大氣當日的溫度值。圖2(a)給出RRM激光雷達拉曼信號當天21∶30(本文所用時間均為北京時間)的溫度觀測結果,信號采樣的空間分辨率為30m,累積40000發(fā)激光脈沖,原始信號在扣除背景后,進行了平滑處理,10km以下信號平滑窗寬為300m,10km以上為450m,用以降低回波信號隨機起伏帶來的統(tǒng)計誤差。作為對比,同時給出了L625激光雷達的氮氣分子607nm拉曼信號測量的對流層溫度以及MLS衛(wèi)星的觀測結果。改造后的L625激光雷達,溫度探測不是其主要功能。當天,L625激光雷達拉曼信號溫度測量高度不足10km,然而作為同地點、同時的觀測,兩臺激光雷達之間的對比是很有意義的。分析圖2(a)的數(shù)據(jù),可見兩臺激光雷達當日的觀測結果較一致,一些細微的趨勢變化都具有很好的一致性。RRM激光雷達的觀測的時間較L625激光雷達遲2h,由于地表輻射在日落后逐漸下降,造成近地表大氣溫度逐漸下降,因此6km以下的溫度觀測結果較L625小約1K。MLS采用微波輻射計測量大氣溫度,空間分辨率較低,約為3km。圖2(b)為RRM激光雷達與MLS溫度測量結果的偏差。由于測量地點的差異,加上MLS測量時間為13∶55左右,此時地表輻射處在較大值,造成10km以下的測量結果相差較大,最大差異在6.12km處達到7.8K,隨著高度的上升,大氣溫度受地表輻射影響逐漸減弱,MLS與RRM激光雷達測量結果的差異逐漸減小,在13.77km處只有0.08K。L625激光雷達對合肥地區(qū)長期的溫度觀測指出,合肥地區(qū)自由對流層中溫度分布變化較明顯,尤其是10km以下溫度的變化幅度較大。與MLS的測量結果相對比,RRM激光雷達觀測結果反映出近期合肥地區(qū)自由對流層溫度變化符合L625的研究結果。3.2反演結果分析中層大氣溫度的觀測手段較少,因此開展激光雷達觀測平流層溫度是非常有意義的。532nm大氣回波信號包含氣溶膠米氏散射和分子瑞利散射兩個部分。利用瑞利散射激光雷達探測平流層中上部大氣溫度分布的原理是,認為平流層中上部532nm回波信號主要是分子的瑞利散射信號,忽略氣溶膠粒子的散射信號,通過校正空氣分子透射率的影響,反演出分子密度,結合理想氣體狀態(tài)方程和大氣靜力學方程,使用Shibata方法,計算得到平流層中上部大氣溫度分布,溫度定標值使用MSISE模式大氣當天的溫度值。目前合肥地區(qū)平流層氣溶膠處在背景期,相對比較清潔,可以認為25km以上高度大氣回波信號只包含瑞利散射信號。圖3(a)給出了RRM激光雷達瑞利信號2008年11月20日22∶30的溫度觀測結果,信號采樣的空間分辨率為150m,累積40000發(fā)激光脈沖,扣除背景后,對信號進行了平滑處理,平滑窗寬為1.5km。作為比較,同時給出了L625激光雷達的空氣分子532nm瑞利信號測量的平流層溫度以及MLS衛(wèi)星的觀測結果。圖3(a)中,當日L625激光雷達的瑞利信號溫度測量能力達到35km,分析圖3(a)的數(shù)據(jù),兩臺激光雷達當天的觀測結果有很好的一致性,22~32km最大差異1.3K,平均差異只有0.4K,這種差異是定標點不同造成的,分析表明兩臺激光雷達之間測量結果有很好的可比性。RRM激光雷達與MLS的觀測結果對比顯示,兩者一致性很好,22~55km高度溫度趨勢的變化符合的很好。圖3(b)為RRM激光雷達與MLS當日溫度測量結果的差異,與衛(wèi)星的14個可比的觀測值有12個與RRM激光雷達的差異在±3K之內,平均差異為2K,考慮到觀測地點和時間的差異以及MLS本身的測量誤差等因素,上述分析表明RRM激光雷達的觀測結果是可信的。雖然目前合肥地區(qū)平流層相對比較清潔,圖3(a)反演結果表明,合肥地區(qū)25km以下高度仍然存在少量的氣溶膠,忽略它的影響引起RRM激光雷達和L625激光雷達在22~25km的觀測值較MLS測量值偏小。因此,若要利用對流層中上部以上高度的532nm回波反演大氣溫度,必須根據(jù)RRM激光雷達測量的氣溶膠散射比和消光系數(shù),對10~25km的532nm回波信號進行氣溶膠后向散射項和透射率的校正。這樣可以測量5~5km高度范圍內的溫度。重力波是中高層大氣最重要的動力學過程之一,重力波在大氣中的活動可以通過大氣密度或溫度的相對起伏表征。瑞利激光雷達通過探測平流層大氣溫度和密度的擾動變化,能夠得到高分辨率的大氣重力波活動的信息,對中小尺度的大氣波動過程研究具有重要的意義。圖4給出了RRM激光雷達2008年11月25日平流層溫度測量結果,激光雷達發(fā)現(xiàn)在50km附近出現(xiàn)逆溫層結構(箭頭處)。合肥地區(qū)這種中間層低層的逆溫結構經(jīng)常被探測到,它與行星波和重力波的活動密切相關。通過激光雷達長期的觀測,可以研究與大氣重力波活動的相關信息。4測量結果分析RRM激光雷達具備對流層氣溶膠參數(shù)的探測能力。圖5(a)給出了2008年12月1日18∶15測量的大氣氣溶膠后向散射系數(shù)垂直分布,當天晴朗無云,信號檢測累積10000發(fā)激光脈沖,信號采樣的空間分辨率為30m,回波信號由532nm高、低兩個通道拼接獲得。使用Fernald方法,反演氣溶膠后向散射系數(shù),氣溶膠消光后向散射比取50sr,分子消光后向散射比取8π/3sr,標定點處的氣溶膠散射比取1.01,空氣分子后向散射系數(shù)采用30N美國冬/夏季標準大氣模式,根據(jù)瑞利散射理論計算獲得。作為對比,給出了安徽光學精密機械研究所雙波長、雙視場(dual-wavelengthlidar,DWL)米氏散射激光雷達同地點的測量結果。對比兩條廓線可以看出,兩者整體結構吻合很好,其中1~3km的測量結果相吻合,3~6km由于標定點不同、測量時間的差異以及RRM激光雷達高低層的拼接區(qū)選擇在這里,引起測量結果的差異。在1~10km上,RRM激光雷達測量結果與DWL激光雷達的平均相對誤差小于15%,說明RRM激光雷達具備對流層大氣氣溶膠后向散射系數(shù)進行觀測的能力。RRM激光雷達532nm低層通道具有白天探測氣溶膠的能力,圖5(b)給出了2009年1月18日15點氣溶膠后向散射系數(shù)的測量結果。這種觀測能力使RRM激光雷達可對氣溶膠進行晝夜連續(xù)的觀測,適合研究大氣顆粒物消光、大氣邊界層光學厚度的變化,實時監(jiān)測城市上空大氣顆粒污染物的空間結構分布、時間演變特征。平流層氣溶膠是影響地球大氣系統(tǒng)輻射收支的一個重要的不確定因素,激光雷達是探測平流層氣溶膠最有效的手段之一。RRM激光雷達532nm高層通道使用的R4632光電倍增管靈敏度很高,信號檢測采用光子計數(shù)技術,因此532nm高層通道探測平流層氣溶膠可以獲得較理想的結果。圖6給出RRM激光雷達532nm高層通道平流層氣溶膠測量的結果。圖6(a)是2009年1月10日RRM激光雷達與DWL激光雷達測量結果的對比圖,兩臺激光雷達均累積10000次激光脈沖,信號采樣的空間分辨率均為30m。兩臺