探測邊界層大氣溫度的轉動喇曼激光雷達

劉玉麗

(國防科技大學 電子對抗學院 導航和制導對抗系，合肥 230037)

引　言

邊界層內的大氣溫度變化，對解釋地球溫暖化現象、太陽輻射、提高氣象預報準確度等具有重要的意義[1]。邊界層內的溫度由于受地表輻射的影響，變化復雜，經常產生逆溫層。另外，邊界層的逆溫結構常會抑制近地面污染物的擴散，導致逆溫層下污染物的集聚。因此，對邊界層內大氣溫度的有效監測顯得尤為重要。目前常用的手段有激光雷達探測、氣球探空以及衛星反演。激光雷達在探測精度和空間分辨率上的優勢以及可以連續測量等特點使其越來越受到科技人員的重視[2]。

目前由于氣溶膠的影響以及探測機制本身的原因，不同的激光雷達在探測大氣溫度時有著不同的探測空間限制。鈉共振熒光激光雷達只適合探測80km～110km范圍空間內大氣溫度[3-4]，瑞利散射激光雷達只能探測30km～80km范圍空間的大氣溫度[5]，振動喇曼激光雷達適合探測10km～30km范圍內的空間大氣溫度[6]。純轉動喇曼激光雷達可以比較好地消除氣溶膠的影響，適合用于對流層特別是邊界層的大氣溫度的測量[7-8]。轉動喇曼激光雷達通常根據大氣中氮分子和氧分子的轉動喇曼散射回波信號比來反演大氣溫度[8]。MAO等人采用355nm作為探測激光波長大氣對邊界層的溫度進行測量，單脈沖激光能量約為300mJ，累積脈沖數約10000發，接收望遠鏡直徑250mm，采用一塊光柵和兩片干涉濾光片來提取轉動喇曼信號，夜晚2km處測量精度達到1K[9]。日本的IMAKI等人采用355nm作為探測激光波長，單脈沖激光能量約為200mJ，累積脈沖數約20000發，接收望遠鏡直徑250mm，采用一塊光柵和兩片干涉濾光片來提取轉動喇曼信號，白天2.5km處夜晚4.6km處測量精度達到1K[10]。德國的HAMMANN等人采用355nm作為探測激光波長，單脈沖激光能量約為200mJ，累積脈沖數約55000發，接收望遠鏡直徑400mm，采用干涉濾光片多色儀來提取轉動喇曼信號，晴朗天氣白天4.5km夜晚6.6km處測量精度達到1K，有云的天氣白天2.1km夜晚3.2km處測量精度達到1K[11]。

本文中采用雙光柵單色儀來分光，介紹了轉動喇曼激光雷達的總體結構和探測原理，模擬計算了該雷達的探測能力，實驗測量了邊界層內大氣溫度的垂直廓線，在2.5km信號起伏帶來的統計誤差達到1K。

1　測溫雷達系統

純轉動喇曼激光雷達的系統結構如圖1所示。該系統采用Nd∶YAG固體激光的二倍頻光波長532nm作為探測光，經過擴束器擴束準直后，單脈沖能量約100mJ,重復頻率為10Hz，光束發散角0.3mrad,有導光鏡導向大氣。激光與大氣中的氮分子和氧分子發生散射，后向散射光由直徑200mm的牛頓望遠鏡接收, 接收視場為0.2mrad，激光發射和接收信號屬于同軸系統，雷達的盲區約為300m。光纖將望遠鏡接收的回波信號導向雙光柵單色儀，此單色儀有兩塊光柵、兩個透鏡和兩塊焦板組成，第1塊光柵將中心波長分別為529.0nm,530.3nm,533.8nm,535.1nm的譜線分開，然后對米-瑞利散射信號進行一次剔除，第2塊光柵將中心波長為529.0nm和535.1nm的兩組譜線求和以及中心波長為530.3nm和533.8nm的兩組譜線求和，同時對米-瑞利散射信號進行二次剔除。最后由光電倍增管(photo multiplier tube, PMT)將光信號轉換成電信號輸出，經前置放大器放大后送到瞬態記錄儀和計算機，對信號進行采集和處理。此激光雷達所采用的系統參量如表1所示。

Fig.1　Structure of rotational Raman lidar system

Table 1　Basic parameters of rotational Raman lidar

2　探測原理

根據轉動喇曼譜的強度公式[12-13]，計算了氮氣在不同溫度的譜線的相對強度以及雙光柵單色儀的透過率曲線,如圖2所示。隨著溫度升高，低量子數的轉動喇曼譜線強度減小，高量子數的轉動喇曼譜線的強度增強。透過率曲線的中心波長分別為529.0nm,530.3nm,533.8nm,535.1nm，透過率約為30%，帶寬約為0.4nm。轉動Raman散射回波信號高低量子數強度比滿足指數關系[14]:

R(z)=Nl(z)/Nh(z)=exp[a/T(z)-b]

(1)

由此指數關系可以反演出大氣溫度:

Fig.2Transmissivity curves of N2by rotation Raman spectrum and double grating monochromator at different temperatures

T(z)=a/{ln[Nl(z)/Nh(z)]-b}

(2)

式中,Nl，Nh是對應高低量子數的后向散射回波光子數;a，b為系統常數，可通過激光雷達測的回波信號比和探空儀測的大氣溫度擬合出。

3　模擬計算

Fig.3　The variation of the simulated temperature error with height

的系統參量的選擇和探測性能提供了理論參考。

4　測量結果

測量結果部分給出了實驗中采集到的回波信號，大氣溫度的反演結果，以及大氣溫度的測量精度。溫度誤差由(2)式及誤差傳播理論可得到[17]：

(3)

溫度誤差與回波信號、定標常數a,b有關，定標常數帶來的誤差見參考文獻[17]。如果只考慮回波信號起伏帶來的誤差，則(3)式可簡化為:

ΔT=

(4)

(5)

為了證實測量邊界層大氣溫度的轉動喇曼激光雷達系統的可行性，2015-12-04晚上在合肥某地使用該雷達進行了邊界層大氣溫度觀測。數據采集系統采用的是德國Licel的瞬態記錄儀，分辨率為7.5m,約17min累加統計一組結果，間隔5min進行下一組采集,回波信號如圖4所示。圖4中，J為轉動量子數?？梢钥闯鲇行盘栔?km，2.5km以上高度基本上為背景噪聲。信號的垂直分辨率是7.5m，為了減小信號的隨機起伏，通過權重平滑法平滑到150m。從圖5中可以看出，邊界層溫度隨高度升高而遞減較快，雷達測量的大氣溫度和大氣模式表現了較好的一致性。0.5km以下激光雷達測量的結果偏小，可能是因為兩個通道的幾何重疊因子不同，以及混入了少量氣溶膠導致的。2.5km以上激光雷達測量的溫度的不確定性較大，是因為信噪比的下降而導致的。從圖6中可以看出，在2.5km處統計溫度誤差達到1K。這表明該激光雷達觀測的溫度分布是可靠的。測量結果比模擬結果差一些，可能是因為光路還沒有調整到最佳，大氣模式與真實的大氣溫度分布存在差異，模擬計算用的雙光柵單色儀的透過率函數與實際存在差異，系統的光學透過率比實際大等等。在后續的實驗中，要使測量高度進一步增大，可以增加發射激光脈沖的能量、選用口徑大的望遠鏡或用探空氣球來定標。

Fig.4　Echo signal of the rotational raman lidar

Fig.5　Temperature profile of the rotational raman lidar

Fig.6　Temperature error

5　結　論

為了研究邊界層內的大氣溫度，一個轉動喇曼雷達系統已經被搭建起來，由雙光柵單色儀來提取高低量子數兩組轉動喇曼信號。經過初步的研究，激光能量100mJ，平均脈沖數10000發，在2.5km信號起伏帶來的統計誤差達到1K，在2.5km以下雷達和大氣模式表現了較好的一致性。如果要使測量的高度升高，可以增加激光脈沖的能量、選用口徑大的望遠鏡或用探空氣球來定標。大氣邊界層的高度是氣象和環境部門研究的重點內容、也是表征大氣邊界層的一個重要參量，然而大氣邊界層的高度確與大氣垂直減溫率有關，因此探測邊界層大氣溫度的轉動喇曼激光雷達有著廣闊的應用前景。