劉玉麗

(國(guó)防科技大學(xué) 電子對(duì)抗學(xué)院 導(dǎo)航和制導(dǎo)對(duì)抗系，合肥 230037)

引　言

邊界層內(nèi)的大氣溫度變化，對(duì)解釋地球溫暖化現(xiàn)象、太陽(yáng)輻射、提高氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度等具有重要的意義[1]。邊界層內(nèi)的溫度由于受地表輻射的影響，變化復(fù)雜，經(jīng)常產(chǎn)生逆溫層。另外，邊界層的逆溫結(jié)構(gòu)常會(huì)抑制近地面污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致逆溫層下污染物的集聚。因此，對(duì)邊界層內(nèi)大氣溫度的有效監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。目前常用的手段有激光雷達(dá)探測(cè)、氣球探空以及衛(wèi)星反演。激光雷達(dá)在探測(cè)精度和空間分辨率上的優(yōu)勢(shì)以及可以連續(xù)測(cè)量等特點(diǎn)使其越來(lái)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(cè)機(jī)制本身的原因，不同的激光雷達(dá)在探測(cè)大氣溫度時(shí)有著不同的探測(cè)空間限制。鈉共振熒光激光雷達(dá)只適合探測(cè)80km～110km范圍空間內(nèi)大氣溫度[3-4]，瑞利散射激光雷達(dá)只能探測(cè)30km～80km范圍空間的大氣溫度[5]，振動(dòng)喇曼激光雷達(dá)適合探測(cè)10km～30km范圍內(nèi)的空間大氣溫度[6]。純轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼激光雷達(dá)可以比較好地消除氣溶膠的影響，適合用于對(duì)流層特別是邊界層的大氣溫度的測(cè)量[7-8]。轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼激光雷達(dá)通常根據(jù)大氣中氮分子和氧分子的轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼散射回波信號(hào)比來(lái)反演大氣溫度[8]。MAO等人采用355nm作為探測(cè)激光波長(zhǎng)大氣對(duì)邊界層的溫度進(jìn)行測(cè)量，單脈沖激光能量約為300mJ，累積脈沖數(shù)約10000發(fā)，接收望遠(yuǎn)鏡直徑250mm，采用一塊光柵和兩片干涉濾光片來(lái)提取轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼信號(hào)，夜晚2km處測(cè)量精度達(dá)到1K[9]。日本的IMAKI等人采用355nm作為探測(cè)激光波長(zhǎng)，單脈沖激光能量約為200mJ，累積脈沖數(shù)約20000發(fā)，接收望遠(yuǎn)鏡直徑250mm，采用一塊光柵和兩片干涉濾光片來(lái)提取轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼信號(hào)，白天2.5km處夜晚4.6km處測(cè)量精度達(dá)到1K[10]。德國(guó)的HAMMANN等人采用355nm作為探測(cè)激光波長(zhǎng)，單脈沖激光能量約為200mJ，累積脈沖數(shù)約55000發(fā)，接收望遠(yuǎn)鏡直徑400mm，采用干涉濾光片多色儀來(lái)提取轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼信號(hào)，晴朗天氣白天4.5km夜晚6.6km處測(cè)量精度達(dá)到1K，有云的天氣白天2.1km夜晚3.2km處測(cè)量精度達(dá)到1K[11]。

本文中采用雙光柵單色儀來(lái)分光，介紹了轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼激光雷達(dá)的總體結(jié)構(gòu)和探測(cè)原理，模擬計(jì)算了該雷達(dá)的探測(cè)能力，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了邊界層內(nèi)大氣溫度的垂直廓線，在2.5km信號(hào)起伏帶來(lái)的統(tǒng)計(jì)誤差達(dá)到1K。

1　測(cè)溫雷達(dá)系統(tǒng)

純轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼激光雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用Nd∶YAG固體激光的二倍頻光波長(zhǎng)532nm作為探測(cè)光，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器擴(kuò)束準(zhǔn)直后，單脈沖能量約100mJ,重復(fù)頻率為10Hz，光束發(fā)散角0.3mrad,有導(dǎo)光鏡導(dǎo)向大氣。激光與大氣中的氮分子和氧分子發(fā)生散射，后向散射光由直徑200mm的牛頓望遠(yuǎn)鏡接收, 接收視場(chǎng)為0.2mrad，激光發(fā)射和接收信號(hào)屬于同軸系統(tǒng)，雷達(dá)的盲區(qū)約為300m。光纖將望遠(yuǎn)鏡接收的回波信號(hào)導(dǎo)向雙光柵單色儀，此單色儀有兩塊光柵、兩個(gè)透鏡和兩塊焦板組成，第1塊光柵將中心波長(zhǎng)分別為529.0nm,530.3nm,533.8nm,535.1nm的譜線分開(kāi)，然后對(duì)米-瑞利散射信號(hào)進(jìn)行一次剔除，第2塊光柵將中心波長(zhǎng)為529.0nm和535.1nm的兩組譜線求和以及中心波長(zhǎng)為530.3nm和533.8nm的兩組譜線求和，同時(shí)對(duì)米-瑞利散射信號(hào)進(jìn)行二次剔除。最后由光電倍增管(photo multiplier tube, PMT)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，經(jīng)前置放大器放大后送到瞬態(tài)記錄儀和計(jì)算機(jī)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理。此激光雷達(dá)所采用的系統(tǒng)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(cè)原理

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼譜的強(qiáng)度公式[12-13]，計(jì)算了氮?dú)庠诓煌瑴囟鹊淖V線的相對(duì)強(qiáng)度以及雙光柵單色儀的透過(guò)率曲線,如圖2所示。隨著溫度升高，低量子數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼譜線強(qiáng)度減小，高量子數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼譜線的強(qiáng)度增強(qiáng)。透過(guò)率曲線的中心波長(zhǎng)分別為529.0nm,530.3nm,533.8nm,535.1nm，透過(guò)率約為30%，帶寬約為0.4nm。轉(zhuǎn)動(dòng)Raman散射回波信號(hào)高低量子數(shù)強(qiáng)度比滿(mǎn)足指數(shù)關(guān)系[14]:

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

(1)

由此指數(shù)關(guān)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(duì)應(yīng)高低量子數(shù)的后向散射回波光子數(shù);a，b為系統(tǒng)常數(shù)，可通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)的回波信號(hào)比和探空儀測(cè)的大氣溫度擬合出。

3　模擬計(jì)算

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

的系統(tǒng)參量的選擇和探測(cè)性能提供了理論參考。

4　測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果部分給出了實(shí)驗(yàn)中采集到的回波信號(hào)，大氣溫度的反演結(jié)果，以及大氣溫度的測(cè)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(hào)、定標(biāo)常數(shù)a,b有關(guān)，定標(biāo)常數(shù)帶來(lái)的誤差見(jiàn)參考文獻(xiàn)[17]。如果只考慮回波信號(hào)起伏帶來(lái)的誤差，則(3)式可簡(jiǎn)化為:

ΔT=

(4)

(5)

為了證實(shí)測(cè)量邊界層大氣溫度的轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼激光雷達(dá)系統(tǒng)的可行性，2015-12-04晚上在合肥某地使用該雷達(dá)進(jìn)行了邊界層大氣溫度觀測(cè)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是德國(guó)Licel的瞬態(tài)記錄儀，分辨率為7.5m,約17min累加統(tǒng)計(jì)一組結(jié)果，間隔5min進(jìn)行下一組采集,回波信號(hào)如圖4所示。圖4中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)?？梢钥闯鲇行盘?hào)至2km，2.5km以上高度基本上為背景噪聲。信號(hào)的垂直分辨率是7.5m，為了減小信號(hào)的隨機(jī)起伏，通過(guò)權(quán)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(dá)測(cè)量的大氣溫度和大氣模式表現(xiàn)了較好的一致性。0.5km以下激光雷達(dá)測(cè)量的結(jié)果偏小，可能是因?yàn)閮蓚€(gè)通道的幾何重疊因子不同，以及混入了少量氣溶膠導(dǎo)致的。2.5km以上激光雷達(dá)測(cè)量的溫度的不確定性較大，是因?yàn)樾旁氡鹊南陆刀鴮?dǎo)致的。從圖6中可以看出，在2.5km處統(tǒng)計(jì)溫度誤差達(dá)到1K。這表明該激光雷達(dá)觀測(cè)的溫度分布是可靠的。測(cè)量結(jié)果比模擬結(jié)果差一些，可能是因?yàn)楣饴愤€沒(méi)有調(diào)整到最佳，大氣模式與真實(shí)的大氣溫度分布存在差異，模擬計(jì)算用的雙光柵單色儀的透過(guò)率函數(shù)與實(shí)際存在差異，系統(tǒng)的光學(xué)透過(guò)率比實(shí)際大等等。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，要使測(cè)量高度進(jìn)一步增大，可以增加發(fā)射激光脈沖的能量、選用口徑大的望遠(yuǎn)鏡或用探空氣球來(lái)定標(biāo)。

Fig.4　Echo signal of the rotational raman lidar

Fig.5　Temperature profile of the rotational raman lidar

Fig.6　Temperature error

5　結(jié)　論

為了研究邊界層內(nèi)的大氣溫度，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)被搭建起來(lái)，由雙光柵單色儀來(lái)提取高低量子數(shù)兩組轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼信號(hào)。經(jīng)過(guò)初步的研究，激光能量100mJ，平均脈沖數(shù)10000發(fā)，在2.5km信號(hào)起伏帶來(lái)的統(tǒng)計(jì)誤差達(dá)到1K，在2.5km以下雷達(dá)和大氣模式表現(xiàn)了較好的一致性。如果要使測(cè)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(yuǎn)鏡或用探空氣球來(lái)定標(biāo)。大氣邊界層的高度是氣象和環(huán)境部門(mén)研究的重點(diǎn)內(nèi)容、也是表征大氣邊界層的一個(gè)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(guān)，因此探測(cè)邊界層大氣溫度的轉(zhuǎn)動(dòng)喇曼激光雷達(dá)有著廣闊的應(yīng)用前景。