閆召愛　胡　雄　郭商勇　程永強(qiáng)　郭文杰②　潘藝升②

①（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心　北京　100190）

②（中國科學(xué)院大學(xué)　北京　100049）

星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)性能分析

閆召愛*①胡雄①郭商勇①程永強(qiáng)①郭文杰①②潘藝升①②

①（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心北京100190）

②（中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)可以用來測(cè)量全球的中間層頂及低熱層區(qū)域的大氣風(fēng)場(chǎng)、溫度及鈉原子數(shù)密度等。為了從理論上分析星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)的可行性，該文依據(jù)激光雷達(dá)方程，對(duì)星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)的回波信號(hào)強(qiáng)度以及大氣參數(shù)測(cè)量精度進(jìn)行仿真計(jì)算。分析結(jié)果顯示在使用400 km軌道高度，30.0°觀測(cè)角度，9.0 W激光發(fā)射功率，1.0 m接收望遠(yuǎn)鏡口徑，2.0 km垂直距離分辨率，30.0 s信號(hào)累積時(shí)間情況下，可獲得0.8 m/s視線風(fēng)速測(cè)量精度，1.5 m/s水平風(fēng)速測(cè)量精度和2.5 K溫度測(cè)量精度。

激光雷達(dá)；中高層大氣；多普勒；鈉熒光

1　引言

地球大氣中間層頂及低熱層區(qū)域（約70～110 km）的觀測(cè)對(duì)于中高層大氣動(dòng)力學(xué)過程研究、全球環(huán)境變化研究、宇宙塵埃研究以及保障航天活動(dòng)等具有重要的意義。對(duì)這一區(qū)域的觀測(cè)研究在國際上受到了高度重視。美國國家航空航天局（NASA）于1991年發(fā)射了一顆高空大氣研究衛(wèi)星UARS（Upper Atmosphere Research Satellite），用于進(jìn)行中間層和熱層的大氣觀測(cè)。2001年，美國NASA又發(fā)射了熱層-電離層-中間層能量和動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星TIMED（Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamiscs），重點(diǎn)進(jìn)行60～180 km高度的大氣層觀測(cè)。這些探測(cè)技術(shù)都采用的是被動(dòng)式測(cè)量技術(shù)［1］。

若使用主動(dòng)式探測(cè)技術(shù)，那么探測(cè)的精度和分辨率都將得到提高。目前，激光探測(cè)技術(shù)用于中間層頂區(qū)域的探測(cè)得到了迅速發(fā)展。自20世紀(jì)60年代開始，鈉熒光激光雷達(dá)、鉀熒光激光雷達(dá)、鈣熒光激光雷達(dá)、鐵激光雷達(dá)等逐漸被建立起來用于觀測(cè)中間層頂及低熱層大氣［2］。其中以鈉熒光激光雷達(dá)最為普遍。

1990年美國科羅拉多州立大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)合作建立了首臺(tái)先進(jìn)的窄線寬雙頻鈉熒光多普勒激光雷達(dá)，用于測(cè)量中間層頂大氣溫度和風(fēng)速［3，4］。隨后，他們采用激光頻率穩(wěn)定技術(shù)、激光頻率調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展了大氣風(fēng)場(chǎng)/溫度探測(cè)三頻鈉熒光多普勒激光雷達(dá)［5，6］。2010年中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心研制成功了首臺(tái)車載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)，可以同時(shí)測(cè)量大氣風(fēng)場(chǎng)、溫度以及鈉原子數(shù)密度等［7，8］。

但是，國際上還沒有星載鈉激光雷達(dá)在運(yùn)行。2008年希臘雅典娜研究中心提出了全球中間層激光雷達(dá)探測(cè)計(jì)劃GLEME（Global Lidar Exploration of the MEsosphere），利用鈉激光雷達(dá)探測(cè)中間層頂區(qū)域的大氣溫度和水平風(fēng)場(chǎng)［9］。美國國家航空航天局（NASA）Goddard飛行中心于2013年底公布了其發(fā)展星載鈉激光雷達(dá)探測(cè)中間層頂區(qū)域大氣的工作。

在我國，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心基于車載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)的研究基礎(chǔ)，提出了星載鈉激光雷達(dá)新載荷技術(shù)的概念［10］，以探測(cè)全球的中間層區(qū)域大氣風(fēng)場(chǎng)、溫度以及鈉原子數(shù)密度，研究大氣中間層和低熱層大氣結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)等科學(xué)問題。本文的主要工作是基于激光雷達(dá)方程計(jì)算星載鈉熒光激光雷達(dá)的信號(hào)強(qiáng)度及測(cè)量精度，初步論證其可行性。

2　探測(cè)原理

在中間層頂區(qū)域的大氣層中，存在一金屬層，里面含有鈉原子。發(fā)射波長(zhǎng)589 nm的激光激發(fā)大氣中的鈉原子發(fā)射共振熒光；通過測(cè)量熒光光譜的多普勒展寬，可以獲得溫度信息；通過測(cè)量多普勒頻移，可以獲得風(fēng)速信息。鈉原子熒光光譜與鈉原子的溫度與運(yùn)動(dòng)速度直接相關(guān)。鈉原子作為示蹤物，其溫度、運(yùn)動(dòng)速度與大氣背景溫度、風(fēng)速相同，從而可利用鈉原子熒光的光譜測(cè)量得到中間層頂區(qū)域大氣溫度和風(fēng)速。

在鈉熒光激光雷達(dá)中，使用鈉原子熒光光譜D2線進(jìn)行測(cè)量。鈉原子D線躍遷能級(jí)分布圖如圖1所示。32p3/2→32s1/2，形成D2線，波長(zhǎng)為589.158 nm。對(duì)于D2線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，32p3/2又分裂為4個(gè)能級(jí)［2，5，11］。

中間層頂?shù)拟c原子多普勒展寬與絕對(duì)溫度的平方根成正比，與原子質(zhì)量的平方根成反比，可以表示為：

圖1　鈉原子D線躍遷能級(jí)分布圖Fig.1　Energy levels of sodium D transitions

其中kB是波爾茲曼常數(shù)，T是溫度，M是原子質(zhì)量，λ0是中心波長(zhǎng)。

鈉原子D2線線型可以表示為：

σD為多普勒展寬的均方根寬度，νn表示第n條譜線的相對(duì)頻率，ν為頻率，An表示第n條譜線的相對(duì)強(qiáng)度，V為鈉原子的視線速度，c為光速。D2線超精細(xì)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表1。

發(fā)射激光激發(fā)鈉原子產(chǎn)生共振熒光，共振熒光的線型是原子多普勒展寬線型與激光線型gL（ν）卷積的結(jié)果，可以表示為：

激光線型gL（ν）一般是寬度為σL的高斯線型。

大氣溫度決定鈉熒光的寬度，視線風(fēng)速?zèng)Q定其多普勒頻移。不同溫度、風(fēng)速時(shí)，鈉熒光譜線如圖2所示。

表1　鈉原子D2線超精細(xì)躍遷參數(shù)Tab.1　Parameters of Na D2hyperfine transitions

發(fā)射3個(gè)頻率的窄線寬激光，獲得兩個(gè)獨(dú)立的回波強(qiáng)度比值，可以將譜線的寬度和多普勒頻移同時(shí)測(cè)量出來，從而同時(shí)獲得大氣溫度和視線風(fēng)速，該技術(shù)稱為三頻多普勒技術(shù)。激光雷達(dá)使用3個(gè)頻率（F0，F(xiàn)P，F(xiàn)M）分別位于D2a譜線的峰值處和兩翼（見圖2）。D2a譜線上3個(gè)頻率（F0，F(xiàn)P，F(xiàn)M）處的大氣回波信號(hào)強(qiáng)度為N（F0），N（FP），N（FM），定義比值RT，RW如下：

圖2　鈉原子D2線吸收光譜Fig.2　Sodium D2absorption spectrum

然后通過測(cè)量比值RT和RW，可獲得大氣溫度和風(fēng)速。

3　星載鈉激光雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)度仿真計(jì)算

為了從理論上分析星載鈉激光雷達(dá)的可行性，并為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，我們依據(jù)激光雷達(dá)方程對(duì)星載鈉激光雷達(dá)的回波信號(hào)強(qiáng)度以及大氣參數(shù)探測(cè)精度進(jìn)行仿真計(jì)算。

鈉激光雷達(dá)的大氣散射信號(hào)主要包括兩部分：鈉熒光信號(hào)NNa和瑞利散射信號(hào)NR（不采集低層大氣的米散射信號(hào)）。這兩部分信號(hào)的激光雷達(dá)方程可以表示為［2，12，13］：

NNa（λ，z，T，V）表示接收到的距離z-Δz/2～z+ Δz/2范圍內(nèi)的光子數(shù)；NR（λ，z，T，V）表示接收到的距離z-Δz/2～z+Δz/2范圍內(nèi)的大氣瑞利散射光子數(shù)；z表示視線距離；T表示大氣溫度；V表示風(fēng)速；PL（λ）表示發(fā)射的脈沖激光平均功率；Δt 表示信號(hào)累積時(shí)間；h表示普朗克常數(shù)；c表示光速；λ表示激光波長(zhǎng)；σNa（λ，z，T，V）表示鈉熒光后向散射微分截面；σR（λ，z，T，V）表示瑞利信號(hào)后向散射微分截面；nNa表示鈉原子數(shù)密度；nR表示大氣分子數(shù)密度；Δz表示視線方向信號(hào)累積距離；A表示接收望遠(yuǎn)鏡面積；η表示激光雷達(dá)系統(tǒng)效率；TR表示大氣對(duì)光信號(hào)的透過率；TNa表示鈉層對(duì)光信號(hào)的透過率。

鈉原子吸收光子后向各個(gè)方向發(fā)射熒光，各向同性，其后向散射微分截面σNa（λ，z，T，V）可以表示為鈉原子吸收截面σabs（λ，z，T，V）除以立體角度4π，即

鈉原子吸收截面σabs（λ，z，T，V）已有較準(zhǔn)確的理論模型，可參閱文獻(xiàn)［2，5，10］。當(dāng)T=200 K，V= 0 m/s時(shí)，在激光頻率F0處，鈉原子吸收截面σ（λ，z，T，V）值約為9.2×10-16m2sr-1（見圖2）。abs激光雷達(dá)方程中的Δz表示激光傳輸方向上的信號(hào)累積距離。當(dāng)觀測(cè)角度為φ，光斑直徑為D時(shí)，信號(hào)累積距離Δz對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)垂直距離分辨率可以表示為ΔH=Δzcosφ+Dsinφ。由于激光束光斑較小，本文中沒有考慮Dsinφ項(xiàng)對(duì)垂直距離分辨率的貢獻(xiàn)。

激光雷達(dá)方程中的Δt表示回波信號(hào)的累積時(shí)間。因?yàn)殁c熒光多普勒激光雷達(dá)所使用的鈉原子金屬層分布于地球各地的70～110 km上空，當(dāng)激光雷達(dá)工作在運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星平臺(tái)時(shí)，由于同一高度的大氣環(huán)境特性一致，所以可以對(duì)同距離運(yùn)動(dòng)方向上的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累積。

在進(jìn)行測(cè)量誤差計(jì)算時(shí)，主要考慮了光子隨機(jī)起伏引起的回波信號(hào)誤差，依據(jù)參數(shù)反演公式，進(jìn)一步可求得測(cè)量參數(shù)的誤差，具體過程可參考文獻(xiàn)［2］。

圖3是星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)觀測(cè)方式示意圖。該激光雷達(dá)工作在側(cè)視觀測(cè)方式下，激光束傳播方向與衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向垂直，與天底方向保持一定的夾角。此觀測(cè)方式借鑒了歐洲航天局ADM-Aeolus衛(wèi)星項(xiàng)目的觀測(cè)方式［14］。

在仿真計(jì)算時(shí)，衛(wèi)星軌道高度設(shè)為400 km；觀測(cè)角度為30.0°；鈉原子的數(shù)密度采用北京地區(qū)地基觀測(cè)結(jié)果的年平均值，最大數(shù)密度為4.25×109m-3，位于91 km左右處，如圖4所示；激光發(fā)射功率PL（λ）=9.0 W；接收望遠(yuǎn)鏡面積A=0.79 m2（望遠(yuǎn)鏡口徑為1.0 m）；系統(tǒng)效率η=0.01；垂直距離分辨率ΔH=2.0 km；信號(hào)累積時(shí)間Δt=30.0 s。大氣的溫度、密度值由大氣模式MSISE-00給出，大氣風(fēng)速值設(shè)為V=0 m/s。

圖3　星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)觀測(cè)方式Fig.3　Obervation mode of spaceborne sodium fluorescence Doppler lidar

圖4　北京地區(qū)鈉原子數(shù)密度年平均值Fig.4　The annual mean of sodium number density over Beijing

仿真計(jì)算中的主要參數(shù)（激光發(fā)射功率、信號(hào)累積距離、信號(hào)累積時(shí)間）的數(shù)值參考了NASA Goddard飛行中心星載鈉激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)值［15］；接收望遠(yuǎn)鏡口徑值參考了美國國家航空航天局（NASA）和法國國家航天中心（CNES）合作的“云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外探測(cè)者觀測(cè)”（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CALIPSO）計(jì)劃中的望遠(yuǎn)鏡口徑值［16］。衛(wèi)星軌道采用低軌道，有利于激光雷達(dá)回波信號(hào)的收集。為了測(cè)量大氣水平風(fēng)速，觀測(cè)方向與垂直于地球表面方向有一定的角度，綜合考慮水平風(fēng)速的測(cè)量精度和溫度測(cè)量精度，該角度設(shè)定為30.0°。星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)的主要參數(shù)見表2。

表2　星載鈉激光雷達(dá)主要參數(shù)Tab.2　Parameters of the space-borne sodium lidar

圖5是星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)仿真計(jì)算結(jié)果，縱坐標(biāo)是海拔高度。圖5（a）是F0，F(xiàn)P，F(xiàn)M 3個(gè)激光頻率信號(hào)強(qiáng)度，橫坐標(biāo)是光子數(shù)；圖5（b）是F0，F(xiàn)P，F(xiàn)M 3個(gè)激光頻率信號(hào)對(duì)應(yīng)的信噪比；圖5（c）是大氣溫度測(cè)量誤差；圖5（d）是視線風(fēng)速測(cè)量誤差。由圖可見，在91.6 km處接收到的信號(hào)最強(qiáng)。F0，F(xiàn)P，F(xiàn)M 3個(gè)激光頻率信號(hào)強(qiáng)度分別為11805，5126，4056個(gè)光子，它們對(duì)應(yīng)的信噪比分別為20.4 dB，18.5 dB，18.0 dB。在該處溫度測(cè)量誤差約為2.5 K，視線風(fēng)速測(cè)量誤差約為0.8 m/s。

圖5　星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.5　Simulation calculation results of spaceborne sodium fluorescence Doppler lidar

激光雷達(dá)的測(cè)量精度主要取決于接收到的回波信號(hào)強(qiáng)度。由激光雷達(dá)方程可知，接收到的回波信號(hào)強(qiáng)度與激光發(fā)射功率、接收望遠(yuǎn)鏡面積、信號(hào)累積距離、信號(hào)累積時(shí)間成正比；激光發(fā)射功率越高，接收望遠(yuǎn)鏡面積越大，信號(hào)累積距離（或時(shí)間）越長(zhǎng)，接收到的信號(hào)也就越強(qiáng)。另外，接收到的回波信號(hào)強(qiáng)度還與激光在傳輸過程中的耗散有關(guān)，在激光雷達(dá)方程中表現(xiàn)為透過率和項(xiàng)。由于70 km以上的大氣比較稀薄，大氣分子對(duì)激光的散射作用比較弱，所以大氣分子對(duì)激光束傳輸過程中的耗散影響非常小，≈1。而鈉原子層對(duì)激光的吸收作用比較明顯，對(duì)激光的透過率在100 km，90 km，80 km處分別為99.8％，96.0％，93.7％，在仿真計(jì)算時(shí)需要考慮。在激光發(fā)射功率、接收望遠(yuǎn)鏡面積等參數(shù)一定時(shí)，信號(hào)累積距離、信號(hào)累積時(shí)間越短，激光雷達(dá)的測(cè)量精度越低。因此，在進(jìn)行星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)參數(shù)配置時(shí)，還需要考慮實(shí)際應(yīng)用對(duì)測(cè)量結(jié)果精度和時(shí)空分辨率的需求。這與其它星載多普勒激光雷達(dá)參數(shù)配置問題是一致的［14］。

星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)的觀測(cè)角度是一個(gè)重要的參數(shù)。當(dāng)垂直于地球表面觀測(cè)時(shí)，由于衛(wèi)星與大氣層之間的距離最短，所以收到的回波信號(hào)最強(qiáng)。但這種觀測(cè)方式不能夠測(cè)量水平風(fēng)速。當(dāng)觀測(cè)角度逐漸增大時(shí)，衛(wèi)星與大氣層之間的距離逐漸增長(zhǎng)，激光束與大氣層的作用距離也增長(zhǎng)，測(cè)量精度隨之變化。當(dāng)觀測(cè)角度為70.7°時(shí)，激光束不再照射到地球表面，與地球表面最近的距離為20 km。為了使星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)能夠收到20 km以上大氣的信號(hào)（部分信號(hào)用于標(biāo)定工作），因此，觀測(cè)角度不能超過70.7°。下面仿真計(jì)算了不同觀測(cè)角度情況下，大氣溫度和水平風(fēng)速的測(cè)量精度。

設(shè)水平風(fēng)速為U，測(cè)量精度為δU，視線風(fēng)速為V，測(cè)量精度為δV ，激光束與垂直于地球表面方向的角度為φ（見圖3），那么它們之間的關(guān)系可以表示為：

圖6是不同觀測(cè)角度時(shí)的觀測(cè)情況，橫坐標(biāo)為觀測(cè)角度，單位為°。圖6（a）是衛(wèi)星發(fā)射激光到91 km大氣層的距離；圖6（b）是91 km處大氣溫度的測(cè)量誤差；圖6（c）是視線風(fēng)速（line-of-sight）和水平風(fēng)速（horizontal）測(cè)量誤差。可以看出，當(dāng)觀測(cè)角度為0°時(shí)，衛(wèi)星發(fā)射激光到91 km大氣層最近（309 km），大氣溫度和視線風(fēng)速測(cè)量誤差最小，分別為2.3 K 和0.7 m/s。隨著觀測(cè)角度的增大，大氣溫度和視線風(fēng)速測(cè)量誤差也逐漸增大。當(dāng)觀測(cè)角度為70.7°時(shí)，大氣溫度和視線風(fēng)速測(cè)量誤差分別為4.6 K和1.3 m/s。但水平風(fēng)速的測(cè)量誤差并不是隨觀測(cè)角度增大而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，它在觀測(cè)角度較小時(shí)，測(cè)量誤差比較大，后逐漸變小，在觀測(cè)角度為53.0°時(shí)，測(cè)量誤差最小為1.1 m/s，隨后又逐漸增大。對(duì)于水平風(fēng)速測(cè)量來講，53.0°的觀測(cè)角度比較好，但此時(shí)的溫度測(cè)量誤差比較大，約為3.1 K。為了兼顧水平風(fēng)速和溫度的測(cè)量精度，觀測(cè)角度可以選擇在30.0°左右，此時(shí)衛(wèi)星發(fā)射激光到91 km大氣層的距離為360 km，大氣溫度測(cè)量誤差為2.5 K，視線風(fēng)速測(cè)量誤差為0.8 m/s，水平風(fēng)速測(cè)量誤差為1.5 m/s。

圖6　不同觀測(cè)角度時(shí)的觀測(cè)情況Fig.6　Measurement results when different observational angles

4　結(jié)束語

星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)可以測(cè)量全球的中間層頂及低熱層區(qū)域的大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)以及鈉原子數(shù)密度，具有一定的發(fā)展前景。本文介紹了鈉熒光多普勒激光雷達(dá)的觀測(cè)原理，利用激光雷達(dá)方程對(duì)星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)的信號(hào)強(qiáng)度以及測(cè)量精度進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真計(jì)算表明，發(fā)展星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)具有一定的可行性。下一步，我們將進(jìn)一步對(duì)星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)論證。

［1］陳洪濱.中高層大氣研究的空間探測(cè)［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2009，24（3）:229-241.

Chen Hong-bin.An overview of the space-based observations for upper atmospheric research［J］.Advances in Earth Science，2009，24（3）:229-241.

［2］Fujii T and Fukuchi T.Laser Remote Sensing［M］.Boca Raton:CRC Press，2005:179-432.

［3］She C Y，Latifi H，Yu J R，et al..Two-frequency lidar technique for mesospheric Na temperature measurements［J］.Geophysical Research Letters，1990，17（7）:929-932.

［4］Bills R E.Iron and sodium Doppler/temperature lidar studies of the upper mesosphere［D］.［Ph.D.dissertation］，University of Illinois at Urbana-Champaign，1991.

［5］She C Y，Yu J R，Latifi H，et al..High-spectral-resolution fluorescence light detection and ranging for mesospheric sodium temperature measurements［J］.Applied Optics，1992，31（12）:2095-2106.

［6］She C Y and Yu J R.Simultaneous three-frequency Na lidar measurements of radial wind and temperature in the mesopauseregion［J］.Geophysical Research Letters，1994，21（17）:1771-1774.

［7］Hu X，Yan Z A，Guo S Y，et al..Sodium fluorescence Doppler lidar to measure atmospheric temperature in the mesopauseregion［J］.Chinese Science Bulletin，2011，56（3）:417-423.

［8］Hu X，Yan Z A，Guo S Y，et al..A sodium lidar to measure mesopause region wind and temperature at Langfang observatory（39.4°N，116.6°E）［C］.26th International Laser Radar Conference，Porto Heli，Greece，2012:1105-1108.

［9］Talaat E R，Sarris T E，Papayannis A，et al..GLEME:global lidar exploration of the mesosphere［C］.24th International Laser Radar Conference，Boulder，Colorado，USA，2008:832-834.

［10］吳小成，胡雄，閆召愛，等.大氣金屬層探測(cè)衛(wèi)星研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2014（S0）:73-75.

Wu Xiao-cheng，Hu Xiong，Yan Zhao-ai，et al..Atmosphericmetal layer detection satellite［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2014（S0）:73-75.

［11］閆召愛，胡雄，郭商勇，等.鈉原子D2線無多普勒飽和熒光光譜的測(cè)量［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（4）:1036-1040.

Yan Zhao-ai，Hu Xiong，Guo Shang-yong，et al..Sodium atoms D2line Doppler-free saturation fluorescence spectra measurements［J］.Acta Optica Sinica，2010，30（4）:1036-1040.

［12］徐麗，胡雄，閆召愛，等.鈉多普勒激光雷達(dá)大氣參數(shù)反演方法［J］.紅外與激光工程，2009，38（1）:140-143.

Xu Li，Hu Xiong，Yan Zhao-ai，et al..Retrieval method of atmospheric parameters for a sodium Doppler lidar［J］.Infrared and Laser Engineering，2009，38（1）:140-143.

［13］徐麗，胡雄，程永強(qiáng)，等.鈉多普勒激光雷達(dá)回波光子數(shù)仿真及大氣參數(shù)反演［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53（7）:1520-1528.

Xu Li，Hu Xiong，Cheng Yong-qiang，et al..Simulation of echo-photon counts of a sodium Doppler ldiar and retrievals of atmospheric parameters［J］.Chinese Journal of Geophysics，2010，53（7）:1520-1528.

［14］Paffrath U.Performance assessment of the Aeolus Doppler wind lidar prototype［D］.［Ph.D.dissertation］，Lehrstuhlfür Thermodynamic Technische Universit?t München，2006.

［15］Krainak M A，Yu A W，Janches D，et al..Self-Raman Nd:VO4 laser and electro-optic technology for space-based sodium lidar instrument［C］.SPIE Photonics West，San Francisco，California，USA，2014，DOI:10.1117/12.2041453.［16］Winker D M，Pelon J，Coakley J A，et al..The CALIPSO misson:a global 3D view of aerosols and clouds［J］.Bulletin of the American Meteorological Society，2010，91（9）:1211-1229.

閆召愛（1981-），男，山東巨野人，2011年獲得中國科學(xué)院研究生院空間物理學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心副研究員，主要研究方向?yàn)榇髿饧す饫走_(dá)技術(shù)。

E-mail:yanza@nssc.ac.cn

胡雄（1967-），男，湖北通城人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心臨近空間環(huán)境研究室主任，中國空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間物理學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，中國航空學(xué)會(huì)臨近空間飛行器專業(yè)委員會(huì)委員，中國宇航學(xué)會(huì)光電技術(shù)專業(yè)委員會(huì)委員，主要研究方向?yàn)榕R近空間環(huán)境探測(cè)、研究及預(yù)報(bào)。

郭商勇（1976-），男，山西臨汾人，助理研究員，主要研究方向?yàn)榇髿饧す饫走_(dá)技術(shù)。

E-mail:guosy@nssc.ac.cn

程永強(qiáng)（1981-），男，陜西渭南人，助理研究員，中國宇航學(xué)會(huì)光電技術(shù)專業(yè)委員會(huì)委員，主要研究方向?yàn)榕R近空間探測(cè)及激光雷達(dá)技術(shù)。

E-mail:chengyq@nssc.ac.cn

郭文杰（1989-），男，河北石家莊人，博士研究生，主要研究方向?yàn)榇髿饧す饫走_(dá)技術(shù)及大氣重力波研究。

E-mail:gwj2127@nssc.ac.cn

潘藝升（1989-），廣西欽州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕R近空間探測(cè)技術(shù)。

E-mail:panys01@hotmail.com

Performance Analysis of Spaceborne Sodium Fluorescence Doppler Lidar

Yan Zhao-ai①Hu Xiong①Guo Shang-yong①Cheng Yong-qiang①Guo Wen-jie①②Pan Yi-sheng①②
①（Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）
②（University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The spaceborne sodium Doppler lidar can be developed to measure global wind，temperature and sodium number density in the mesopause and lower thermosphere region.In order to analyze the feasibility of the lidar，simulation calculations about backscattering signals and measurement accuracy have been done in this paper.The analyzed result shows that the line-of-sight wind accuracy，horizontal wind accuracy and temperature accuracy are 0.8 m/s，1.5 m/s and 2.5 K when the height of satellite orbit is 400 km，observational angle is 30.0°，laser power is 9.0 W，receiver diameter is 1.0 m，vertical range resolution is 2.0 km，and signal integrated time is 30.0 s.

Lidar； Middle and upper atmosphere； Doppler； Sodium fluorescence

V556.5

A

2095-283X（2015）01-0099-08

10.12000/JR14140

閆召愛，胡雄，郭商勇，等.星載鈉熒光多普勒激光雷達(dá)性能分析［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)，2015，4（1）:99-106.http://dx.doi.org/10.12000/JR14140.

Reference format:Yan Zhao-ai，Hu Xiong，Guo Shang-yong，et al..Performance analysis of spaceborne sodium fluorescence Doppler lidar［J］.Journal of Radars，2015，4（1）:99-106.http://dx.doi.org/10.12000/JR14140.

2014-11-21收到，2015-02-11改回

中國科學(xué)院空間科學(xué)預(yù)先研究項(xiàng)目（XDA04077400，XDA04072300）資助課題

閆召愛yanza@nssc.ac.cn