《气水汽、温度及气溶胶探测的拉曼激光雷达系统及实验研究》

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针对全球范围内大气参数实时监测技术需求,以地表30千米内与人类活动密切相关的大气空间为探测对象,依据大气分子的拉曼散射原理,开展具有自主知识产权的紫外域波长激光雷达探测大气水汽、温度和气溶胶特性的系统及实验研究,主要涉及拉曼激光雷达系统探测技术、微弱信号提取技术与方法、大动态范围的数据拼接与校正技术、多参量并行精细探测及反演技术和模块化系统集成技术与对比实验研究等多学科交叉技术。结合多年来研究大气水汽和温度拉曼激光雷达技术的积累,研制了以特殊分色片和窄带干涉滤光片为核心的高性能拉曼分光系统,实现了大气分子的振动和转动拉曼信号的高效精细提取技术,构建了拉曼激光雷达系统,实现了对大气水汽、温度与气溶胶廓线的精细探测。长期实验探测性能稳定,可靠性高,可作为区域性大气和空间环境地基激光雷达监测基地继续开展长期观测实验研究。研究成果:结合多年研究大气水汽和温度拉曼激光雷达的技术积累,研制了以特殊分色片和窄带干涉滤光片为核心的高性能拉曼分光系统,获得发明专利2件,构建了600毫米口径望远镜的拉曼散射激光雷达系统,实现了对大气水汽、温度与气溶胶廓线的精细探测。(1)振动拉曼信号分光系统:针对激光雷达回波信号中强烈的米-瑞利散射信号,为改善系统的分光效率与提高系统的稳定性,设计并研制了高反射率窄带宽分色片组合的振动拉曼信号分光系统,高效提取了水汽分子的振动拉曼散射信号,实现了米-瑞利散射信号8个量级以上的抑制率,显著提升了系统的探测距离与稳定性。(2)微弱回波信号高效提取技术:针对激光雷达回波信号中的强背景噪声,深入研究EMD-DISPO和Wavelet的噪声滤除技术,设计并选取了合适的小波基参数,利用小波多尺度变换对激光雷达回波信号进行分解和重构,有效滤除激光雷达回波信号中的强背景噪声。(3)大动态范围回波信号拼接及校正技术:针对激光雷达回波信号的大动态范围,为高保真度地获得回波信号,研究了模拟和光子计数探测模式的特征,提出了基于空间方差的数据拼接技术与方法,并结合激光雷达几何重叠因子的校正技术,实现了全程回波信号的有效提取与标定技术。(4)大气多参量精细反演算法:研究了大气水汽、温度和气溶胶精细反演算法,实现了大气水汽、温度、湿度和气溶胶廓线的精细测量。研究和分析了两年的实验观测数据,验证了拉曼激光雷达系统的探测有效性和可靠性。探测实验结果表明,搭建的拉曼激光雷达系统探测气溶胶廓线高达40千米的,温度廓线高达30千米(图2),水汽密度廓线高达15千米(图3)。(5)拉曼激光雷达实验样机与比对观测:利用工程化和模块化设计理念,开展拉曼激光雷达系统集成技术研究,设计友好的大气参数测试界面,编写专业的大气水汽密度、温度、湿度和气溶胶等参数反演程序,完成了高稳定性的拉曼激光雷达实验样机研制(图4)。为验证拉曼激光雷达系统的有效性和可靠性,结合探空气球测量数据,开展多角度多参数对比试验研究。实验与数据分析结果表明,所研制的拉曼激光雷达系统可获得晴空天气条件下30千米高度范围内的大气参数廓线,即使在西安雾霾天气条件下,也可获得10千米高度范围内的大气参数廓线;不同天气条件下的数据对比分析,表明了所研制仪器的有效性和可靠性,可作为区域性大气和空间环境地基激光雷达监测基地继续开展长期观测实验研究。

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