溫度是重要的氣象參數(shù),早在1971年,某專(zhuān)家學(xué)者利用瑞利激光雷達(dá)成功地對(duì)大氣溫度進(jìn)行了測(cè)量。然而,在30km以下的高度由于氣溶膠的影響,利用瑞利激光雷達(dá)難以進(jìn)行溫度精確的測(cè)量。在過(guò)去的幾10年激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中,有很多方法用來(lái)去除低空氣溶膠散射的影響。專(zhuān)家利用干涉儀(FPI)嘗試對(duì)大氣散射中氣溶膠散射信號(hào)和分子散射信號(hào)進(jìn)行分離。2005年，有專(zhuān)家學(xué)者成功地利用FPI實(shí)現(xiàn)24h測(cè)量,在5km以下測(cè)量精度達(dá)到2K。1983年,又有專(zhuān)家學(xué)者提出將原子吸收濾波器用于高光譜分辨率激光雷達(dá)(HSRL)測(cè)量大氣參量。他們?cè)贖SRL中使用了鋇原子吸收濾波器測(cè)量了大氣溫度。與FPI相比,原子(分子)濾波器光路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,不依賴(lài)于入射光的角度,光路調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單,其吸收線在濾波器溫度確定情況下比較穩(wěn)定,用于低空測(cè)量時(shí),在適當(dāng)溫度下對(duì)氣溶膠信號(hào)有強(qiáng)烈的吸收,這樣就可以提高分離氣溶膠米散射和大氣分子瑞利信號(hào)的精度。資料顯示專(zhuān)家曾在532nm采用2個(gè)碘分子濾波器,在對(duì)流層大氣溫度測(cè)量中取得了較好的結(jié)果。據(jù)各項(xiàng)資料調(diào)查統(tǒng)籌顯示基于碘分子濾波器的HSRL系統(tǒng),可以有效地分離氣溶膠散射和分子散射,從而利用瑞利散射測(cè)量對(duì)流層大氣溫度剖面。本文介紹了基于碘分子濾波器HSRL的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),給出了利用該系統(tǒng)測(cè)量大氣溫度的原理和方法,并將測(cè)量結(jié)果與氣象局探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

1基于碘分子濾波器HSRL及溫度測(cè)量原理

1.1基于碘分子濾波器HSRL系統(tǒng)

采用的HSRL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)和信號(hào)采集、處理及控制系統(tǒng)組成。高功率、窄線寬和頻率穩(wěn)定的532nm輸出激光發(fā)射系統(tǒng),其脈沖激光器為倍頻的激光器,種子激光器為雙波長(zhǎng)、窄線寬及可調(diào)諧半導(dǎo)體泵浦非平面環(huán)形腔的固體激光器。利用碘分子吸收線將激光器的頻率鎖定在工作頻率上。種子注入和頻率鎖定的激光通過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直后經(jīng)掃描鏡發(fā)射到大氣中,大氣回波信號(hào)通過(guò)掃描鏡和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收。接收到的回波信號(hào)分成兩路,如圖2(a)示,一路作為能量參考被直接探測(cè),另一路則通過(guò)碘分子濾波器。激光頻率鎖定在吸收線谷底中心位置時(shí),如圖2(b)示,由于碘分子濾波器具有很高的抑制比,氣溶膠散射幾乎完全被濾除。表1給出了HSRL系統(tǒng)的主要參數(shù)。

圖1大氣溫度測(cè)量HSRL系統(tǒng)

圖2基于碘分子濾波器HSRL探測(cè)原理示意圖

表1基于碘分子濾波器的HSRL主要性能指標(biāo)

1.2溫度測(cè)量原理

為便于分析,邊里省略了部分系統(tǒng)固有參數(shù)。式中:NRay和NMie分別為接收到的瑞利散射和米散射信號(hào);TRay和TMie分別為瑞利散射和米散射信號(hào)在碘分子濾波器的中心透過(guò)率;R為分光鏡反射率。TRay是瑞利光譜與碘分子濾波器光譜卷積的結(jié)果,不同高度、溫度、壓強(qiáng)不同,瑞利光譜也不同,首先采用標(biāo)準(zhǔn)大氣模型的溫度、壓強(qiáng)剖面以及瑞利S6模型來(lái)計(jì)算TRay剖線,然后將HSRL數(shù)據(jù)計(jì)算出的溫度結(jié)果再次待入到S6模型中計(jì)算TRay,如此反復(fù)多次,直到前后2次相差不超過(guò)1%。TMie可以通過(guò)直接測(cè)量激光在碘分子濾波器中心的透過(guò)率來(lái)獲得。

其中:T(zc)和N(zc)分別為參考高度上的大氣溫度和密度;R為氣體普適數(shù);g(z)為重力加速度。參考高度上的大氣密度和溫度可由探空資料或者大氣模型給出。利用式(2)求得瑞利散射信號(hào)后,可以根據(jù)式(3)和式(4)求得大氣溫度。

3測(cè)量結(jié)果與討論

圖3為利用HSRL測(cè)量上空溫度剖面,測(cè)量累計(jì)時(shí)間為5min,(a)激光雷達(dá)信號(hào)從1.3km到9km,1.3km以下的信號(hào)由于幾何因子和光子計(jì)數(shù)飽和的影響需要進(jìn)行校正,本文沒(méi)有給出。可以看出,HSRL信號(hào)和探空數(shù)據(jù)吻合較好,在9km以下探測(cè)誤差小于3K,如(b)示。證明基于碘分子濾波器HSRL低空大氣溫度測(cè)量是可靠的。測(cè)量中發(fā)現(xiàn),HSRL溫度測(cè)量結(jié)果和探空數(shù)據(jù)存在著約7K的偏差,如圖4(a)所示,HSRL數(shù)據(jù)減掉這個(gè)偏差后就得到圖3校正后的結(jié)果。

分析認(rèn)為,HSRL溫度測(cè)量的誤差主要來(lái)自于2方面:參考高度上的初始值;HSRL的測(cè)量值NRay。計(jì)算表明,參考高度密度初始值對(duì)溫度結(jié)果影響不大,而溫度初始值則影響較大,圖4(b)給出了參考高度上溫度初始值偏差為5K對(duì)激光雷達(dá)反演大氣溫度結(jié)果的影響,溫度初始值變化時(shí)會(huì)引起HSRL溫度測(cè)量結(jié)果的變化,但是在不同的高度由初始值變化引起的溫度變化并不相同,較高處變化較大,較低處變化較小,這主要是由于低層大氣密度較大,使低層的溫度受參考溫度變化的影響較小。

對(duì)于HSRL測(cè)量值NRay引起的偏差,原因在于HSRL系統(tǒng)本身,包括其頻率的漂移、激光光譜的純度和背景光的影響等。觀測(cè)過(guò)程中,激光器的頻率被鎖定在碘分子吸收線谷底處,以便分離出大氣瑞利散射信號(hào)。激光器頻率的自由漂移和由于激光種子注入不完整引起的激光光譜純度變化都會(huì)引起HSRL測(cè)量值NRay變化,使HSRL計(jì)算得到的溫度值偏大。另外,背景光以及光電倍增管暗電流也是個(gè)不可忽視的問(wèn)題。雖然在信號(hào)處理時(shí)將其減去,但如果將背景光等估計(jì)偏大或偏小,都可能引起HSRL反演大氣溫度結(jié)果的偏差。

圖3(a)HSRL反演溫度與氣象局探空數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比結(jié)果;(b)HSRL溫度與氣球溫度偏差

圖4(a)HSRL數(shù)據(jù)整體偏差;(b)參考高度溫度初始值選取引起的偏差

3結(jié)論

基于碘分子濾波器的HSRL系統(tǒng)去除了氣溶膠信號(hào)的影響,從而可以利用瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量低空大氣溫度。給出了利用該系統(tǒng)對(duì)流層大氣溫度測(cè)量結(jié)果,與當(dāng)?shù)貧庀缶痔娇諗?shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果顯示出較好的一致性,溫度偏差在9km內(nèi)小于3K,證明了系統(tǒng)對(duì)低層大氣溫度的探測(cè)能力。討論了系統(tǒng)偏差和由于參考高度溫度初始值選取引起的溫度廓線的變化。利用瑞利散射強(qiáng)度測(cè)量溫度精度主要受大氣密度測(cè)量的影響,因此測(cè)量精度不是很高。進(jìn)一步的研究中,系統(tǒng)將增加測(cè)量通道,系統(tǒng)具有2個(gè)碘分子濾波器,兩者工作在不同的溫度下,從而可以利用瑞利散射光譜線寬與溫度的關(guān)系來(lái)更準(zhǔn)確地測(cè)量大氣溫度。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專(zhuān)注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售。

審核編輯 黃昊宇