[发明专利]一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达系统

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达遥感探测技术领域，具体涉及一种能够全天时准确测量大气温度和气溶胶消光系数、体后向散射系数的激光雷达系统。

背景技术

当激光在大气中传播时，会与大气分子(主要为N₂和O₂分子)及气溶胶粒子相互作用而产生次级辐射。次级辐射包括弹性的Mie散射(由气溶胶粒子产生)、Rayleigh散射(由大气分子产生)，以及非弹性的Raman散射。弹性散射谱信号波长与发射激光波长几乎无差异，Raman散射谱信号波长与发射激光波长不同。分子的Raman散射谱包括振转Raman散射谱和纯转动Raman散射谱。在频谱上，振转Raman谱远离弹性谱，纯转动Raman谱的Stokes谱和Anti-Stokes谱分居弹性谱两侧。图1展示了在532.23nm激光辐射下，大气N₂和O₂分子产生的Anti-Stokes纯转动Raman谱谱线的频谱分布。其中，N₂分子纯转动Raman谱谱线间距～0.22nm,O₂分子由于偶数J谱线缺失而实际谱线间距～0.32nm，二者谱线在频谱上交叠。

纯转动Raman测温激光雷达常通过提取大气分子在不同频谱位置的两组纯转动Raman谱线信号来获取温度剖面。理想情况下，倘若纯转动Raman测温激光雷达采用的滤波光学元件具有足够窄带宽，能够准确提取出源自N₂或O₂分子的两支纯转动Raman单谱线信号，各Raman通道雷达方程可表示为：

上式中，N代表提取的单谱线回波强度，J代表转动量子数，C为系统常数，z为探测高度，n为大气分子数密度，σ为微分后向散射截面，T代表温度，下标a与m分别代表气溶胶和大气分子，α为消光系数。其测温的理论依据是：在热平衡状态下，低空各种大气分子的布居数满足Boltzmann分布，进而分子纯转动Raman谱线对应的回波强度与温度相关。对大气分子任意两支纯转动Raman单谱线回波信号的强度比R，与温度关系在形式上都可准确表述为(A与B为常数)：

然而，受元件工艺水平等因素的限制，当前常见的纯转动Raman测温激光雷达各Raman通道多采用带宽0.5-1.0nm的滤波器件提取谱线回波信号。由图1可知，大气N₂和O₂分子产生的纯转动Raman谱在频谱上密集分布且存有交叠，此时各Raman通道实际提取的信号并非纯转动Raman单支谱线信号，而是多支大气N₂和O₂分子纯转动Raman谱线信号的合成：

上式中，i(＝1,2)代表两路Raman探测通道，J_N2与J_O2分别代表能够进入各Raman通道的源自N₂和O₂分子的各支纯转动Raman谱线信号对应的转动量子数。此时，两组Raman信号的比值与温度关系在理论上并不严格遵循(2)式，依旧采用两路Raman信号的比值进行温度反演会引入系统误差。

Mie散射激光雷达通过接收弹性回波以获取大气气溶胶的光学参数信息，对应的雷达方程可表示为：

其中，下标e代表弹性散射，β为体后向系数。在式(4)中，大气分子的消光系数α_m和体后向系数β_m常可由无线电探空数据获得，可视作已知量，气溶胶消光系数α_a和体后向系数β_a为待求量。

考虑到仅由雷达方程(4)不能同时求解出两个未知量α_a和β_a，Fernald(1984)首次假定气溶胶消光系数与体后向散射系数之比(即雷达比)在所有探测高度上为一个给定常数值，然后发展出气溶胶消光系数与后向体散射系数的求解算法。该算法的主要缺陷是需预先设定雷达比。对实际大气而言，雷达比在所有探测高度上为同一常数值的假设通常不成立。另一种求解气溶胶光学参数的方法是，联合Mie散射回波信号和N₂分子振转Raman回波信号：先借助Raman回波信号获取N₂分子Raman频移后波长对应的气溶胶消光系数，然后假定不同波长λ处气溶胶消光系数满足Angstrom关系(t为给定常数)：