懸空波導的拉曼激光雷達探測能力仿真統計研究

馬征征

(中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

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懸空波導的拉曼激光雷達探測能力仿真統計研究

馬征征

(中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

摘要基于高空氣球探空儀實測的34例懸空波導事件,仿真研究了拉曼激光雷達對其的探測能力,以指導設備選型和工作模式設置．利用蒙特卡洛方法計算了典型配置下激光雷達對各個波導的辨識概率,統計得到了平均辨識概率和能夠辨識波導數．進一步考察了辨識概率隨波導參數的分布,以及雷達參數對探測能力的影響．結果表明:拉曼激光雷達系統對懸空波導的辨識能力具有顯著的挑剔性．最后,給出推薦的設備型號和工作模式．

關鍵詞懸空波導;拉曼激光雷達;辨識概率;探測能力

引言

大氣波導作為一種特殊電波環境能夠影響電波傳播,因此具有十分重要的意義．按照出現高度,其可以分為表面波導和懸空波導．兩者相比,懸空波導的出現高度較高,通常介于幾百米至幾千米,因此探測手段較少．然而我國海域遼闊,臨海海域波導發生頻率很高,這對探測提出較高需求．目前成熟的探測方法主要是通過高空氣球攜帶無線電探空儀升空,通過實地測量溫度、濕度和壓強等大氣參量來間接獲得折射率,提取波導．

激光雷達作為一種遙感探測設備,能夠通過拉曼散射技術測量溫度和濕度來間接獲得大氣折射率,探測懸空波導．目前,美國賓州州立大學和英國奇爾波頓天文臺等單位均已成功開展了拉曼激光雷達對懸空波導的探測[1-2]．近些年國內也開展了利用拉曼激光雷達探測表面波導的研究,而對懸空波導的研究卻較為有限[3-6]．對比無線電探空儀這種傳統手段,激光雷達不僅能夠獲得連續和即時的大氣折射率剖面,還能夠通過俯仰和掃描探測獲得二維或三維的波導結構．但從早期搭建的設備系統來看,其探測精度要相當于或略低于無線電探空儀[7]．依據激光雷達探測原理分析,懸空波導所處的高度較高(距離較遠),因此,激光雷達所接收的信號光子數較少,泊松起伏噪聲所占的比重會增大,進而影響測量精度．這是拉曼激光雷達測量懸空波導的主要誤差來源．

中國電波傳播研究所的ATS(氣溶膠-溫度-鈉)激光雷達具備米、拉曼、瑞利和共振熒光散射等多種探測能力．該雷達暫不具有探測大氣波導的能力,但能夠探測氮氣的振-轉拉曼散射信號,這是濕度探測的兩個通道之一．本文將以高探氣球實測的懸空波導事件為例,仿真研究拉曼激光雷達對懸空波導的探測能力,為設備改進和選型、工作模式設置提供指導．

1探測原理

拉曼激光雷達技術已較為成熟．其通過探測振-轉拉曼散射信號測量大氣濕度,通過探測純轉動拉曼散射信號測量大氣溫度．拉曼激光雷達方程為

(1)

式中: 系數K=AN0Δrη,所含各量均是與距離無關的量,A是接收望遠鏡物理面積,N0是發射光子數,Δr是距離分辨率,垂直探測時即為高度分辨率,η是系統效率; O(r)是重疊因子,r是探測距離; 體后向散射系數β(λ0,λX,r)=n(r)σ(λ0,λX),n(r)是被探測物數密度,σ(λ0,λX)是微分后向散射截面,λ0和λX分別是發射波長和散射波長,下標X表示不同的波長(或物質種類)； 消光系數α=αa+αm,即包含氣溶膠消光系數和分子消光系數； 噪聲NB可以通過擬合消除．

對于濕度探測,通常采用對水氣和氮氣分子兩個通道測量結果的比值來確定．水汽分壓e(r)為

(2)

式中,PN2(r)為氮氣分壓．

對于溫度探測,通常采用兩個不同波長或波段內純轉動拉曼散射信號的測量結果反演．由于兩個通道波長相近,消光系數近似相同．兩通道比值為

(3)

注意到純轉動拉曼散射截面與溫度有關,比值中包含了溫度信息,即Q=Q(T)．通過與理論計算或標定的Q-T關系比對,即可得到溫度．更具體的反演過程以及散射截面和消光系數的計算可參考早期的工作[5-6]．

氣壓是相對穩定的量,這里直接使用無線電探空儀的測量結果．得到大氣折射率為

(4)

實際情況中,無論是濕度測量還是溫度測量,各通道獲得的信號(光子數)中均包含了起伏噪聲．根據激光雷達的探測原理,該噪聲服從泊松分布,有

k=0,1,2,…,N*(r),…,

(5)

在反演結果中引入誤差．其中,N*(r)是無信號起伏時接收光子數．

在使用蒙特卡洛方法進行仿真時,對各波導剖面各接收通道各高度門內的接收光子數均按照該概率分布方式處理．

2波導描述

圖1是懸空波導的幾何特征及描述參量示意圖．

圖中,橫軸是大氣修正折射指數,縱軸是高度．ht、hb、hei分別為波導層頂高度(通常所稱的波導高度)、波導層底高度、波導底高,ht和hb之間為波導層厚度,ht和hei之間為波導厚度,ΔM為波導強度．

我們于2009年6月17日至7月15日期間,赴廣東省汕頭市南澳島開展了高空氣球探空儀實驗．施放了28個高探氣球,所攜帶的探空儀記錄了高度、溫度、濕度、壓強、風速和風向等信息．

提取出高度在500 m以上、強度在3.0 M-unit以上的懸空波導,總計獲得了34個波導事件．這些波導的結構剖面分布如圖2所示．

圖1　懸空波導的幾何特征及描述參量

圖2　高空氣球探空儀實測的34例懸空波導結構剖面分布

所有34例懸空波導,波導高度范圍為575～5 005 m,平均值為2 144 m．波導厚度分布在33～208 m之間,平均值為86 m．波導層厚度分布在9～89 m之間,平均值為37 m．波導強度范圍為3.0～11.0 M-unit,平均值為5.0 M-unit．

事實上,探空儀獲得的波導參數相比真實值存在一定的誤差．根據本文的研究目的,將探空儀獲得的波導結果作為真實值,用以考察激光雷達對其的探測能力．這里,需要確立激光雷達辨識懸空波導的判據[9]．所謂成功辨識,要求測量到的波導強度值至少達到2.5 M-unit．

3仿真結果

3.1辨識概率隨波導參數的分布

參考中國電波傳播研究所的中型激光雷達系統,激光器采用美國Continuum公司的Powerlite 8020型號．發射波長為三倍頻354.7 nm,重復頻率為20 Hz,脈沖能量為300 mJ．發射累積時間為10 min．接收望遠鏡直徑設為1 m．高度門為400 ns即30 m．重疊因子為1,雷達效率簡單設定為1%[5]．

使用蒙特卡洛方法進行1 000次獨立的仿真,將其中成功辨識的次數除以仿真總次數,得到激光雷達分別探測34例懸空波導的辨識概率．圖3是辨識概率隨波導高度的分布．

圖3　辨識概率隨波導高度的分布

圖3中星號表示辨識概率隨波導高度的分布．對于34例懸空波導,激光雷達的辨識概率分布非常寬泛,從0%至100%．經計算,平均辨識概率為64%,辨識概率達到90%的波導共有17例．這表明,該激光雷達系統能夠成功辨識出50%(17/34)的懸空波導．圖中實線擬合了辨識概率隨波導高度的變化．其表現出辨識概率隨波導高度的升高而略微升高．該規律表明:在該條件下,波導高度對激光雷達探測能力未表現出明顯影響．辨識概率顯現出兩極分化的分布特征．這說明排除波導高度,存在對辨識概率影響起決定作用的其它因素．

圖4是辨識概率隨波導層厚度的分布．首先,從圖上看到,辨識概率隨波導層厚度表現出了十分顯著的分布特征．對于層厚度較窄的波導,辨識概率傾向于低值;而對于層厚度較寬的波導,辨識概率傾向于高值．這表明波導層厚度是影響辨識概率的一個決定性因素．其次,實線使用函數y=a—bc-x(x為橫軸坐標值,y為縱軸坐標值,a、b、c為擬合參數,下同)擬合了辨識概率隨波導層厚度的變化,展示出了隨波導層厚度增大,辨識概率從0%增大至接近100%的變化規律．

圖5是辨識概率隨波導厚度的分布．其大致展示了與辨識概率隨波導層厚度分布類似的規律．但從實線的擬合情況可以清楚地比對出,其變化程度不如圖4．這表明:同樣作為表征厚度的參量,波導層厚度對辨識概率的影響更具決定性．從圖1中波導層厚度的定義可以分析得到,波導層厚度內的折射率負梯度段是其被探測的基礎．

圖4　辨識概率隨波導層厚度的分布

圖5　辨識概率隨波導厚度的分布

圖6是辨識概率隨波導強度的分布．首先,從圖上看到,辨識概率隨波導強度表現出了顯著的分布特征．對于較弱的波導,辨識概率傾向于低值;而對于較強的波導,辨識概率幾乎全達100%．這表明波導強度是影響辨識概率的另一個決定性因素．其次,實線擬合了辨識概率隨波導強度的變化,展示出了隨波導強度增大,辨識概率從低值增大至接近100%的變化規律．

上面研究表明,波導層厚度和波導強度對辨識概率有著決定性影響．圖7是激光雷達探測懸空波導辨識概率隨這兩個因素的二維分布,以更好地體現出辨識概率分布規律．辨識概率值的大小通過圓圈顏色來表示．隨著辨識概率由低至高,圓圈的顏色由紅色向綠色轉變．其次,藍線使用函數(x-a)(y-b)=c(x為橫軸坐標值,y為縱軸坐標值,a、b、c為擬合參數)擬合了紅色和綠色圓圈的分割線．可以看到,辨識概率的低值(紅色圓圈)均出現在藍線的外側,即波導層厚度較窄或波導強度較弱的部分．因此,拉曼激光雷達系統對懸空波導的辨識能力具有顯著的挑剔性,其難以辨識具有窄波導層厚度或弱波導強度的懸空波導．

圖6　辨識概率隨波導強度的分布

圖7　辨識概率隨波導層厚度/強度的二維分布

3.2高度分辨率對探測能力的影響

下面考察不同高度分辨率下激光雷達對懸空波導的探測能力．其中,平均辨識概率是指34例波導辨識概率的平均值．辨識概率達到90%的波導,被認定為能夠成功辨識,簡稱能夠辨識．

從表1中看到,根據高度分辨率的不同,可以分為3個階段．

當高度分辨率大于30 m時,平均辨識概率較低,能夠辨識個數較少．這是因為許多具有較窄層厚度的波導在該高度分辨率下完全無法被檢測出來．

隨著高度分辨率繼續減小至7.5 m,平均辨識概率逐漸增大,能夠辨識個數趨向增加．這是因為在接收信號足夠強的前提下,高度分辨率越小,激光雷達能夠識別的高度向結構就越細．因此一些層厚度較窄的波導將能夠被辨識出來．

表1　不同高度分辨率下的激光雷達對

當高度分辨率從7.5 m減小至3 m時,平均辨識概率略微下降,能夠辨識個數減少．分析認為,這是因為高度分辨率提升的同時,單高度門內的接收信號光子數將相應降低,其中所含泊松起伏噪聲比重就越大．原本一些能夠辨識的波導可能被強噪聲所淹沒．因此當接收信號不夠強時,距離分辨率的減小將可能導致探測精度降低而得不償失．

最后,從表中可以選出在高度分辨率為7.5 m時,平均辨識概率達到最大值86%,能夠辨識個數達到最大值20個(20/34,59%)．該結果表明在該激光雷達系統配置下,高度分辨率選擇為7.5 m是最優的．

3.3雷達參數對探測能力的影響

考察另外兩套不同激光器下雷達系統對懸空波導的探測能力．表2采用了比Powerlite 8020型號性能更優秀的Powerlite 9030型激光器;而表4中Surelite I-20型激光器性能要比Powerlite 8020型低一些,但其具有無需冷凝箱和價格便宜的優勢．

表2　采用Powerlite 9030型激光器時雷達系統對

從表2可以看到,采用Powerlite 9030激光器后,在高度分辨率為30 m以上時雷達系統探測性能幾乎沒有提升．這再次說明制約該階段探測能力的因素是較大的高度分辨率,而不是系統性能．而在較小高度分辨率條件下,探測能力均表現出了一定程度的提升．最優探測性能對應的高度分辨率仍為7.5 m．此時平均辨識概率達到89%,能夠辨識個數達到25個(25/34,74%)．

從表3可以看到,采用Surelite I-20型激光器后,能夠辨識個數出現下降．尤其在高度分辨率較小時,能夠辨識個數顯著下降,探測能力大打折扣．當高度分辨率為30 m時,能夠辨識個數達到最大值,僅為12個(12/34,35%)．因此不推薦使用Surelite I-20型激光器．

表3　采用Surelite I-20型激光器時雷達系統對

4結論

基于高探氣球探空儀實測的34例懸空波導事件,參考中國電波傳播研究所激光雷達系統配置,仿真研究了激光雷達對懸空波導的探測能力．

通過研究辨識概率隨波導參數的分布,得到如下結論:波導的出現高度未對激光雷達探測能力表現出明顯影響,其不是影響辨識概率的決定性因素．波導層厚度是影響辨識概率的一個決定性因素．相比波導厚度,波導層厚度對辨識概率的影響更具決定性．波導強度是影響辨識概率的另一個決定性因素．拉曼激光雷達系統對懸空波導的辨識能力具有顯著的挑剔性,其難以辨識具有窄波導層厚度或弱波導強度的懸空波導．

通過研究高度分辨率對探測能力的影響,得到如下結論:在高度分辨率為7.5 m時,能夠辨識個數達到最大值20個(59%)．在該激光雷達系統配置下,高度分辨率選擇為7.5 m是最優的．

最后,通過研究雷達參數對探測能力的影響,得到如下結論:采用Powerlite 9030型激光器后,最優探測性能對應的高度分辨率仍為7.5 m．能夠辨識個數提升至25個(74%)．采用Surelite I-20型激光器后,探測能力下降明顯,故不推薦使用Surelite I-20激光器．

致謝: 感謝中國電波傳播研究所的康士峰研究員、張玉生高工、韓杰和郭相明工程師等在大氣波導探測方面提供的幫助．

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A simulated statistical study on Raman lidar detection ability to elevated ducts

MA Zhengzheng

(NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

AbstractWith respect to 34 elevated duct events obtained by high-altitude balloon with radiosonde, we studied the detection ability of Raman lidar to them by simulation, to help selecting instrument type and setting operation mode. Using Monte-Carlo method, we calculated the identification probability of each duct detected by a lidar with typical configuration, consequently gained the statistically average identification probability and number of identifiable ducts. Furthermore, we surveyed the distribution of identification probability with parameters of duct, and the detection ability with parameters of lidar. The result indicates that the detection ability of Raman lidar to elevated ducts possesses remarkable difference. Finally, we bring forth the recommended instrument type and operation mode.

Keywordselevated duct; Raman lidar; identification probability; detection ability

收稿日期：2015-05-25

中圖分類號O439

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0376-06

DOI10.13443/j.cjors.2015052501

作者簡介

馬征征(1982-),男,湖北人,武漢大學空間物理學博士,中國電波傳播研究所高級工程師,主要研究方向為激光雷達和大氣探測等.

馬征征. 懸空波導的拉曼激光雷達探測能力仿真統計研究[J]. 電波科學學報,2016,31(2):376-381. DOI: 10.13443/j.cjors.2015052501

MA Z Z. A simulated statistical study on Raman lidar detection ability to elevated ducts[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):376-381. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015052501

資助項目: 國家自然科學基金 (41104102)

聯系人： 馬征征 E-mail: zh.zh.ma.7@gmail.com