基于純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)的中低空大氣溫度高精度探測(cè)

李亞娟， 宋沙磊， 李發(fā)泉， 程學(xué)武，陳振威， 劉林美， 楊勇， 龔順生

1 中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，波譜與原子分子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

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基于純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)的中低空大氣溫度高精度探測(cè)

李亞娟1,2， 宋沙磊1*， 李發(fā)泉1， 程學(xué)武1，陳振威1， 劉林美1， 楊勇1， 龔順生1

1 中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，波譜與原子分子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

本文介紹了一套純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman測(cè)溫激光雷達(dá)系統(tǒng)，通過(guò)高分辨光譜分光與濾光優(yōu)化設(shè)計(jì)、收發(fā)精確匹配以及弱信號(hào)檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在武漢城市上空從10 km至40 km的中低空大氣溫度高精度探測(cè).觀測(cè)結(jié)果與同時(shí)段探空氣球進(jìn)行比對(duì)，在30 km以下激光雷達(dá)探測(cè)溫度與探空氣球得到的溫度數(shù)據(jù)吻合較好，最大偏差約為3.0 K，表明了該激光雷達(dá)溫度測(cè)量的可靠性.采用30 min時(shí)間分辨率，在10～20 km高度范圍內(nèi)溫度統(tǒng)計(jì)誤差約為0.3 K(300 m空間分辨)；20～30 km統(tǒng)計(jì)誤差約為0.8 K (600 m空間分辨)；30～40 km統(tǒng)計(jì)誤差約為3.0 K(900 m空間分辨).通過(guò)整晚的溫度廓線反演，為研究中低層大氣中的波動(dòng)現(xiàn)象提供依據(jù).該轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了至40 km高度的高精度大氣溫度探測(cè)，進(jìn)一步可與Rayleigh測(cè)溫激光雷達(dá)30～80 km的高度銜接，為實(shí)現(xiàn)中低層大氣連續(xù)觀測(cè)研究提供了重要手段.

純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman；激光雷達(dá)；大氣溫度；熱結(jié)構(gòu)

1 引言

大氣溫度是大氣物理與化學(xué)、天氣分析與預(yù)報(bào)及大氣環(huán)境研究中的一個(gè)重要?dú)庀髤?shù).10 km以下的對(duì)流層大氣溫度與人類活動(dòng)密切相關(guān)，其變化也間接反映了臭氧的變化(王衛(wèi)國(guó)等，2006)；10～20 km的上對(duì)流層與下平流層(Upper Troposphere/Lower Stratosphere, UTLS)之間的物理化學(xué)過(guò)程及其效應(yīng)對(duì)氣候變化起著重要的作用(Stohl et al., 2003)；地球大氣中的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，如潮汐波、行星波、重力波等大氣波動(dòng)的形成、傳播和破碎，覆蓋了從對(duì)流層到熱層各個(gè)大氣層段，直接影響大氣溫度變化(Hauchecorne et al., 1992; Alpers et al., 2004; Rauthe et al., 2006).因此，實(shí)現(xiàn)各個(gè)層段的大氣溫度連通性探測(cè)，對(duì)研究各大氣層之間的能量傳播以及人類活動(dòng)對(duì)大氣環(huán)境的影響都具有重要意義.

利用激光在大氣中的多種散射機(jī)制，大氣探測(cè)激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)從近地面到中間層低熱層(Mesosphere and Lower Thermosphere, MLT)多個(gè)層段大氣溫度等參數(shù)的探測(cè)，并具有極高的時(shí)間分辨率和空間分辨率.其中，Rayleigh散射激光雷達(dá)基于理想氣體定律和靜力學(xué)平衡兩個(gè)假設(shè)，通過(guò)測(cè)量純凈大氣的相對(duì)密度，可以較為準(zhǔn)確地反演出大約30 km以上大氣的絕對(duì)溫度.但受氣溶膠等因素影響，對(duì)30 km 以下大氣溫度的測(cè)量則有較大的偏差(Hauchecorne and Chanin, 1980; Whiteway and Carswell, 1995; Singh et al.,1996; Nee et al., 2002).采用振動(dòng)Raman散射機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流層中上部到30 km附近的大氣溫度探測(cè)，但是由于其散射截面較小，而且受氣溶膠、云和臭氧濃度等因素的影響，使得探測(cè)高度和精度相對(duì)受限(Keckhut et al., 1990; Faduilhe et al., 2005; 吳永華等, 2004)；純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman測(cè)溫機(jī)制由于其散射截面大于振動(dòng)Raman散射截面，而且區(qū)別于彈性散射回波信號(hào)，不受大氣消光的影響，因而可實(shí)現(xiàn)低層大氣溫度的高精度探測(cè)(Cooney, 1972; Arshinov et al., 1983; 劉玉麗等, 2006)，探測(cè)范圍基本上達(dá)到了Rayleigh散射激光雷達(dá)的高度范圍下限，從而與Rayleigh測(cè)溫的起始高度進(jìn)行銜接，是實(shí)現(xiàn)中低空大氣溫度探測(cè)的有效手段.

但是轉(zhuǎn)動(dòng)Raman散射信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)于Mie散射和Rayleigh散射弱3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，要實(shí)現(xiàn)從近地面至30 km以上大氣溫度的高精度測(cè)量，除了需要高功率激光源和大口徑望遠(yuǎn)鏡接收，關(guān)鍵技術(shù)還在于實(shí)現(xiàn)對(duì)Mie-Rayleigh散射信號(hào)6～8個(gè)數(shù)量級(jí)的抑制，以保證高的信噪比.隨著高分辨濾光和弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)的溫度探測(cè)范圍已經(jīng)從地面1～2 km(Cooney and Pina, 1976; Mao et al., 2009)延伸到了平流層中上部(30 km以上)(Nedelijkovic et al.,1993; Behrendt and Reichardt, 2000; Behrendt et al., 2004; Achtert et al., 2013).

基于轉(zhuǎn)動(dòng)Raman測(cè)溫激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，德國(guó)萊布尼茨大氣物理研究所(IAP)利用三種不同的激光雷達(dá)測(cè)溫機(jī)制拼接初步實(shí)現(xiàn)了1～105 km范圍內(nèi)的大氣溫度探測(cè)(Alpers et al., 2004)，并基于此開展了對(duì)大氣重力波的深入研究(Rauthe et al.,2006).瑞典的Esrange轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了5～35 km范圍的大氣溫度探測(cè)，與Rayleigh測(cè)溫機(jī)制結(jié)合，為研究重力波的傳播過(guò)程、極地平流層云(PSCs)的形成以及大氣中的微觀物理特性(Achtert et al., 2013)提供了重要手段.武漢大學(xué)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)基于雙光柵分光的方法完成了對(duì)5～30 km大氣溫度的探測(cè)研究，根據(jù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果就對(duì)流層中逆溫層對(duì)溫度變化的影響進(jìn)行了分析(Jia and Yi, 2014).

由此可見，利用轉(zhuǎn)動(dòng)Raman機(jī)制實(shí)現(xiàn)近地面至30 km以上大氣溫度探測(cè)，并與中層Rayleigh測(cè)溫機(jī)制有效銜接，是研究大范圍大氣波動(dòng)現(xiàn)象及其微觀物理特性的重要前提.為了更為準(zhǔn)確地銜接Rayleigh散射激光雷達(dá)和轉(zhuǎn)動(dòng)Raman散射激光雷達(dá)的測(cè)溫廓線，并相互驗(yàn)證這兩種機(jī)制激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的可靠性，需要進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)動(dòng)Raman散射激光雷達(dá)的探測(cè)范圍，使得兩者有較為充足的重疊探測(cè)區(qū)域.

本文介紹了中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研制的一臺(tái)用于探測(cè)中低層大氣溫度分布的純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)武漢城市上空10～40 km范圍的大氣溫度垂直探測(cè).觀測(cè)結(jié)果與探空氣球進(jìn)行比對(duì)，具有較好的一致性，驗(yàn)證了本激光雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性.雖然本文報(bào)道的是轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)10～40 km的探測(cè)結(jié)果，但是通過(guò)增加一個(gè)低空通道的方法，很容易將本轉(zhuǎn)動(dòng)Raman測(cè)溫技術(shù)下推到低空，探測(cè)從近地面到約15 km高度.這樣就實(shí)現(xiàn)了從近地面一直到約40 km的大氣溫度探測(cè).此范圍貫穿對(duì)流層及大部分平流層，為研究該范圍大氣中的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)過(guò)程奠定了很好的基礎(chǔ).

2 轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)測(cè)溫原理

轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)測(cè)溫是基于大氣中N2、O2分子的轉(zhuǎn)動(dòng)Raman各條譜線強(qiáng)度隨溫度變化的原理實(shí)現(xiàn)溫度探測(cè)(Cooney, 1972; Penney et al., 1974).根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman躍遷選擇定則(ΔJ=±2)，純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman光譜有Stokes和anti-Stokes兩支譜線，對(duì)稱分布于發(fā)射激光波長(zhǎng)的兩邊.由于N2、O2分子的Stokes譜線受到大氣熒光的干擾(Kitada et al., 1994)，因此通常只取N2、O2分子的anti-Stokes譜線來(lái)分析其強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律，如圖1所示.轉(zhuǎn)動(dòng) Raman能級(jí)上的粒子數(shù)分布服從Boltzmann分布規(guī)律，在低轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)的位置，譜線強(qiáng)度隨著溫度的升高而明顯降低，表現(xiàn)為負(fù)的溫度相關(guān)性；在高轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)的位置，譜線強(qiáng)度隨著溫度的升高而增強(qiáng)，表現(xiàn)為正的溫度相關(guān)性.

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman譜線強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman譜線的兩個(gè)溫度敏感區(qū)域進(jìn)行分光探測(cè)，建立轉(zhuǎn)動(dòng)Raman溫度反演函數(shù).根據(jù)激光雷達(dá)方程，轉(zhuǎn)動(dòng)Raman散射的回波信號(hào)強(qiáng)度SRR如公式(1)所示，

(1)

從公式(1)可知，轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)的回波信號(hào)不僅與大氣參數(shù)有關(guān)，還與激光雷達(dá)系統(tǒng)的配置參數(shù)直接相關(guān)，包括激光雷達(dá)質(zhì)量因子(激光能量與望遠(yuǎn)鏡接收面積的乘積)、探測(cè)器效率、濾光片選擇Raman譜線的透過(guò)參數(shù)等.

在溫度反演時(shí)，通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman通道的信號(hào)強(qiáng)度之比Q(T)，如公式(2)所示，可以將激光能量、望遠(yuǎn)鏡口徑、大氣密度等系統(tǒng)參數(shù)和大氣參數(shù)抵消(Fraczek et al., 2013)，因而只需考慮兩個(gè)通道在所選濾光片下透過(guò)的分子Raman譜線強(qiáng)度.

圖1 激光波長(zhǎng)為532.1 nm，溫度分別為200 K和280 K時(shí)，大氣中N2、O2分子與激光相互作用產(chǎn)生的 純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman譜線(anti-Stokes)強(qiáng)度分布情況，RR1和RR2對(duì)應(yīng)譜線的兩個(gè)溫度敏感區(qū)域Fig.1 The anti-Stokes branch of pure rotational Raman spectrum of molecular nitrogen and oxygen at T=280 K and T=200 K. The laser wavelength is set at 532.1 nm in air. RR1 and RR2 are two regions of opposite temperature dependence

(2)

其中，SRR1、SRR2分別為低轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)所對(duì)應(yīng)Raman通道(RR1)的信號(hào)強(qiáng)度和高轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)所對(duì)應(yīng)Raman通道(RR2)的信號(hào)強(qiáng)度.

通過(guò)選擇適合的校準(zhǔn)函數(shù)，可以反演得到大氣溫度(Behrendt, 2005)：

(3)

式中，a,b,c為校準(zhǔn)系數(shù).利用與轉(zhuǎn)動(dòng)Raman測(cè)溫激光雷達(dá)同時(shí)段升空的探空氣球(搭載無(wú)線電探空儀)得到的不同高度處的溫度數(shù)據(jù)，與激光雷達(dá)同步探測(cè)得到的對(duì)應(yīng)高度處的兩Raman通道的信號(hào)強(qiáng)度之比結(jié)合，由最小二乘法便可以標(biāo)定各個(gè)常系數(shù)a，b，c，從而測(cè)得大氣溫度.在系統(tǒng)穩(wěn)定不變的情況下，一旦校準(zhǔn)系數(shù)確定，便可實(shí)現(xiàn)大氣溫度連續(xù)觀測(cè)而無(wú)需重復(fù)多次校準(zhǔn).

3 激光雷達(dá)濾光片參數(shù)模擬計(jì)算

一方面，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman通道內(nèi)的譜線強(qiáng)度分布決定了轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)對(duì)溫度的敏感性，需要通過(guò)高性能分光與濾光技術(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman譜線的選擇；另一方面，轉(zhuǎn)動(dòng)Raman的回波強(qiáng)度比大氣彈性散射回波強(qiáng)度要低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，要獲取高精度的轉(zhuǎn)動(dòng)Raman分子譜線信號(hào)，必須對(duì)彈性散射信號(hào)達(dá)到6～7個(gè)數(shù)量級(jí)的抑制.因此對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman通道的中心波長(zhǎng)和帶寬的選擇是轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行重要的基礎(chǔ).

隨著濾光片技術(shù)的發(fā)展，多腔窄帶薄膜干涉濾光片在超窄帶寬、高透射率和高帶外抑制能力以及溫度不敏感性等諸多方面性能優(yōu)越，同時(shí)改變干涉濾光片的角度可以調(diào)諧中心透射波長(zhǎng)和帶寬，在轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)分光與濾光應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì).本節(jié)通過(guò)對(duì)濾光片的參數(shù)選取進(jìn)行模擬計(jì)算，得出理論最優(yōu)的濾光片中心波長(zhǎng)和帶寬參數(shù)，為后續(xù)的激光雷達(dá)系統(tǒng)分光濾光設(shè)計(jì)提供理論參考.

首先考慮信號(hào)強(qiáng)度對(duì)溫度的敏感性：

(4)

激光頻率f=532.1 nm時(shí)，設(shè)定溫度在大氣可探測(cè)溫度200～280 K之間，濾光片中心波長(zhǎng)范圍528～532 nm，帶寬范圍0～3 nm，模擬計(jì)算得到的濾光片透過(guò)信號(hào)強(qiáng)度隨溫度的變化率如圖2a所示.顏色條所示大于0的區(qū)域表示信號(hào)與溫度呈正相關(guān)性，小于0的區(qū)域代表負(fù)相關(guān)性，兩個(gè)區(qū)域以中心波長(zhǎng)530.2 nm為界，可作為轉(zhuǎn)動(dòng)Raman通道選擇的依據(jù).在模擬計(jì)算時(shí)濾光片的透射曲線視為矩形，理想透射率τ=1，中心波長(zhǎng)(CWL)和帶寬(FWHM)的變化步長(zhǎng)均取0.01 nm.當(dāng)正負(fù)相關(guān)性達(dá)到最大時(shí)，兩個(gè)通道的中心波長(zhǎng)和帶寬分別對(duì)應(yīng)為：CWL1=531.03 nm，F(xiàn)WHM1=1.44 nm, CWL2=528.8 nm, FWHM2=3.0 nm.

圖2 (a)在不同的中心波長(zhǎng)和帶寬時(shí)，模擬計(jì)算得到的濾光片透過(guò)信號(hào)強(qiáng)度隨溫度的變化率；(b)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman 通道中的濾光片帶寬固定不變(0.7 nm, 1.1 nm)，選擇不同中心波長(zhǎng)時(shí)，模擬計(jì)算得到的溫度測(cè)量不確定度Fig.2 (a) Temperature dependency of the calculated signals for filters with different central wavelengths (CWL) and channel passbands (FWHM); (b) Simulated calculations of the temperature measurement uncertainty for different center wavelengths in the two rotational Raman channels with filter bandwidths of 0.7 nm and 1.1 nm

在選取最優(yōu)的濾光片中心波長(zhǎng)和帶寬時(shí)，除了信號(hào)強(qiáng)度對(duì)溫度的敏感性，還要考慮濾光片的透過(guò)率以及對(duì)彈性散射信號(hào)的抑制.

(5)

由于RR1通道離激光波長(zhǎng)更近，將通過(guò)設(shè)計(jì)更窄帶寬來(lái)抑制激光彈性散射信號(hào)；而RR2通道離激光波長(zhǎng)較遠(yuǎn)，則帶寬相對(duì)較寬.兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman通道(RR1，RR2)的濾光片帶寬分別設(shè)為0.7、1.1nm，模擬計(jì)算得到溫度測(cè)量不確定度如圖2b所示.當(dāng)ΔToptimum=1時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)通道的理論最佳中心波長(zhǎng)范圍分別在531.39～531.45 nm以及528.5～528.7 nm，如圖2b中矩形范圍所示.

然而在實(shí)際應(yīng)用中，濾光片的透射譜型和透過(guò)率難以達(dá)到理論模擬計(jì)算的理想?yún)?shù)，而且對(duì)彈性散射信號(hào)的抑制能力也跟發(fā)射激光的線寬密切相關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)Raman分光接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)將基于模擬計(jì)算所選擇的最優(yōu)中心波長(zhǎng)和帶寬范圍進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整.

4 轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括激光發(fā)射單元、接收分光單元和信號(hào)采集處理單元.系統(tǒng)主要參數(shù)見表1.發(fā)射單元采用Nd:YAG固體激光器倍頻輸出532.1 nm激光作為Raman激發(fā)光，單脈沖能量約為300 mJ，脈沖重復(fù)頻率30 Hz.經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，激光發(fā)散角為170 μrad，然后由導(dǎo)光鏡垂直導(dǎo)向大氣.接收分光單元采用1 m口徑的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡接收回波信號(hào)，經(jīng)光纖導(dǎo)入分光濾光系統(tǒng)，分到兩個(gè)Raman通道中的信號(hào)會(huì)聚到光電探測(cè)器PMT，最后由Licel瞬態(tài)記錄儀進(jìn)行采集并處理.

表1 轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the rotational Raman lidar

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic setup of the rotational Raman lidar

本激光雷達(dá)系統(tǒng)中激光發(fā)射波長(zhǎng)的選擇，主要出于集成Raman與Rayleigh散射兩種機(jī)制以實(shí)現(xiàn)中低空風(fēng)溫聯(lián)合探測(cè)的考慮，通過(guò)激光擴(kuò)束準(zhǔn)直、嚴(yán)格的收發(fā)匹配、高分辨的分光濾光以及弱信號(hào)檢測(cè)等技術(shù)，不僅可以提高系統(tǒng)整體的工作性能，也為獲取更高精度和高度的溫度數(shù)據(jù)提供了保障.

轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman通道的高分辨分光濾光接收.

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)分光與濾光設(shè)計(jì)圖 (a)分光與濾光光路圖；(b)準(zhǔn)直光路；(c)實(shí)測(cè)濾光片透過(guò)譜.Fig.4 Design of the light splitting and filtering system for rotational Raman lidar (a) Optical path of the light splitting and filtering; (b) Collimating system; (c) Transmittance profiles of the tested filters.

如圖4a所示，望遠(yuǎn)鏡接收光由光纖OF接入組合準(zhǔn)直鏡CL，分光系統(tǒng)采用高分辨的干涉濾光片進(jìn)行分光與濾光，通過(guò)“Z”型光路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)Raman信號(hào)與彈性散射信號(hào)的分離，并提取出兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)Raman通道的回波信號(hào).利用濾光片的角度調(diào)諧和“Z”型光路設(shè)計(jì)可以縮短光路使系統(tǒng)更加穩(wěn)定.圖4b中準(zhǔn)直系統(tǒng)由三個(gè)透鏡設(shè)計(jì)組合而成，其有效焦距為73 mm.基于激光雷達(dá)接收分光系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算分析，IF1和IF2中心波長(zhǎng)分別為530.9 nm和528.9 nm，半高寬分別為0.7 nm和1.1 nm，分別對(duì)應(yīng)RR1和RR2轉(zhuǎn)動(dòng)Raman通道.其中，由于RR1通道的濾光片中心波長(zhǎng)距離發(fā)射激光波長(zhǎng)比較近，所以用兩個(gè)窄帶干涉濾光片IF1a和IF1b實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性散射信號(hào)7個(gè)數(shù)量級(jí)的抑制，而RR2的中心波長(zhǎng)距離發(fā)射激光波長(zhǎng)較遠(yuǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性散射信號(hào)6個(gè)數(shù)量級(jí)的抑制.圖4c表示接收光信號(hào)經(jīng)組合的準(zhǔn)直鏡后依次經(jīng)過(guò)干涉濾光片IF0、IF1a、IF1b和IF2后的透射譜型，其溫度測(cè)量的不確定度為ΔT=1.1×ΔToptimum，與模擬計(jì)算的最優(yōu)參數(shù)性能接近，該設(shè)計(jì)在理論計(jì)算中具有較高的測(cè)溫精度.

5 觀測(cè)結(jié)果與分析

轉(zhuǎn)動(dòng)Raman測(cè)溫激光雷達(dá)在武漢市晴朗的夜晚進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn).通過(guò)數(shù)據(jù)反演，獲得了武漢地區(qū)10～40 km高度(近300個(gè)小時(shí))的大氣溫度觀測(cè)結(jié)果.將激光雷達(dá)的大氣溫度探測(cè)結(jié)果與探空氣球探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的一致性，說(shuō)明了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)一晚上連續(xù)觀測(cè)，在10～40 km探測(cè)范圍內(nèi)具有較高的探測(cè)精度.

5.1 激光雷達(dá)溫度探測(cè)及與氣球探空數(shù)據(jù)的比較

轉(zhuǎn)動(dòng)Raman測(cè)溫激光雷達(dá)接收到的原始回波信號(hào)如圖5所示，觀測(cè)時(shí)間為2014年6月4日晚上20∶01—21∶02，采用300 m的空間分辨和1 h的時(shí)間分辨.由原始回波信號(hào)可以看出，在大約3 km高度信號(hào)開始進(jìn)入視場(chǎng)，直到10 km左右完全進(jìn)入視場(chǎng).由于采用旁軸發(fā)射，較高進(jìn)入視場(chǎng)有利于抑制低空過(guò)強(qiáng)信號(hào)所帶來(lái)的飽和效應(yīng)，從而保證高空信號(hào)質(zhì)量和探測(cè)高度，其高度探測(cè)可達(dá)到40 km.

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)原始回波信號(hào)Fig.5 Raw received signals of the rotational Raman lidar

基于圖5的原始回波信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)觀測(cè)反演得到的10～40 km范圍的溫度廓線如圖6所示.將激光雷達(dá)與探空氣球同時(shí)段觀測(cè)的溫度廓線進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果表明在10～40 km的整個(gè)探測(cè)范圍，激光雷達(dá)溫度探測(cè)的數(shù)值與變化趨勢(shì)與氣球探測(cè)的溫度數(shù)據(jù)都符合得很好：30 km以下兩者的最大偏差不大于3 K，只是在30 km以上兩者才出現(xiàn)了較大的偏離.這一方面是因?yàn)?，在同樣的時(shí)空分辨(1 h，300 m)下，激光雷達(dá)探測(cè)的統(tǒng)計(jì)誤差隨探測(cè)高度而增大.另一方面，由于探空氣球隨著飛行高度增加，水平方向上逐漸偏離激光雷達(dá)觀測(cè)上空(陳哲, 2010)，以及對(duì)30 km以上探空氣球的輻射標(biāo)定能力較差(張利等, 2013)等原因也可能導(dǎo)致兩者偏差的增大.

圖6a中激光雷達(dá)溫度探測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差隨高度的變化情況示于圖6b.可見，在同樣的時(shí)空分辨率下，激光雷達(dá)的探測(cè)誤差隨探測(cè)高度增加而增大，在10 km附近，統(tǒng)計(jì)誤差約為0.4 K，在探測(cè)高端的30～40 km范圍，最大統(tǒng)計(jì)誤差約為8 K，即探測(cè)高低端的統(tǒng)計(jì)誤差可相差約20倍.因此，為獲得高的溫度探測(cè)精度，可采用進(jìn)一步降低時(shí)空分辨率(特別是降低探測(cè)高端的空間分辨)的辦法.相反，如果對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨有較高的要求，則探測(cè)精度必然會(huì)降低.

5.2 不同時(shí)間、空間分辨下溫度探測(cè)的統(tǒng)計(jì)誤差

大氣的狀態(tài)和特性隨著高度升高具有顯著的變化.越往高空大氣越稀薄，激光雷達(dá)接收到的回波信號(hào)強(qiáng)度不僅與探測(cè)高度的平方成反比，而且與大氣的衰減密切相關(guān).因此在不同高度段，其回波信號(hào)具有不同的信噪比，而溫度測(cè)量的統(tǒng)計(jì)誤差直接受信噪比的影響.在激光雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的處理中，通常采用在同一時(shí)間分辨下，對(duì)探測(cè)的低、中、高段采用不同空間分辨的辦法，來(lái)盡可能縮小高、中、低空探測(cè)統(tǒng)計(jì)誤差的差異.

圖6 (a)實(shí)線為轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)獲取的溫度廓線，圓圈表示探空氣球發(fā)布的溫度數(shù)據(jù)；誤差棒顯示溫度統(tǒng)計(jì)誤差； (b)實(shí)線表示統(tǒng)計(jì)誤差，圓圈表示激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與探空氣球測(cè)量結(jié)果之間的溫度偏差Fig.6 (a) Temperature profiles measured by the rotational Raman lidar (solid line) in comparison with the simultaneous radiosonde (circles). Error bars show the statistical errors of the lidar measurement; (b) Statistical errors of the lidar measurement (solid line) and the temperature deviations between lidar and radiosonde (circles)

圖7給出了2014年4月4日晚上轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)探測(cè)得到的溫度廓線及測(cè)量統(tǒng)計(jì)誤差.在1 h積分時(shí)間內(nèi)，對(duì)不同高度段采用不同的空間分辨率，如圖7a所示，10～20 km高度范圍選用150 m空間分辨，20～30 km之間采用450 m空間分辨，30～40 km采用750 m空間分辨.圖7b給出了不同高度段采用不同空間分辨時(shí)的溫度統(tǒng)計(jì)誤差.10～20 km統(tǒng)計(jì)誤差約為0.3 K(探測(cè)范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)誤差的平均值)，20～30 km 統(tǒng)計(jì)誤差約為0.7 K，30～40 km范圍統(tǒng)計(jì)誤差約為2.3 K.

考慮到大氣中的一些波動(dòng)現(xiàn)象變化周期較短，只有探測(cè)出較穩(wěn)定的溫度廓線上的快速變化成分，才能捕捉到一些微小的波動(dòng)變化信息.因此，利用激光雷達(dá)探測(cè)高時(shí)間分辨下的溫度廓線有助于研究大氣中的波動(dòng)現(xiàn)象及微觀物理特性.為同時(shí)保證激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的信噪比，從而確保溫度探測(cè)的精度，仍要求對(duì)不同高度段采用不同的空間分辨率.將累積時(shí)間減少到30 min，2014年4月4日晚上激光雷達(dá)探測(cè)得到的溫度廓線及統(tǒng)計(jì)誤差如圖8所示，圖8a中顯示的溫度廓線在不同高度段采用了不同的空間分辨率：10～20 km高度范圍內(nèi)空間分辨率為300 m，20～30 km之間空間分辨率為600 m，30～40 km之間為900 m空間分辨.不同高度段的統(tǒng)計(jì)誤差如圖8b所示.10～20 km統(tǒng)計(jì)誤差約為0.3 K，20～30 km 統(tǒng)計(jì)誤差約為0.8 K，30～40 km范圍統(tǒng)計(jì)誤差約為3.0 K.

進(jìn)一步，采用10 min的時(shí)間分辨，2014年4月4日晚上激光雷達(dá)探測(cè)得到的溫度廓線及統(tǒng)計(jì)誤差如圖9所示，10～20 km探測(cè)范圍采用450 m空間分辨，統(tǒng)計(jì)誤差約為0.4 K；20～30 km之間采用750 m空間分辨，統(tǒng)計(jì)誤差約為1.1 K；30～40 km之間采用1200 m空間分辨，統(tǒng)計(jì)誤差約為3.8 K.

2014年4月4日晚上激光雷達(dá)探測(cè)得到的溫度廓線與探空氣球的結(jié)果相比較，在25 km以下吻合都比較好，最大偏差約為3 K.而在25 km以上，激光雷達(dá)探測(cè)得到的大氣溫度相比于氣球探測(cè)結(jié)果明顯偏低，最大偏差約為8 K.觀察比較氣球和激光雷達(dá)獲取的溫度廓線，在25 km附近均出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象.利用激光雷達(dá)探測(cè)這一高度的大氣溫度時(shí)，測(cè)溫精度約為1～2 K，而在這一高度探空氣球的測(cè)溫能力已接近其上限.因氣球隨高度增加會(huì)水平漂移，在25 km高度可能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離激光雷達(dá)觀測(cè)地上空.所以，在探測(cè)逆溫這種特殊的大氣現(xiàn)象時(shí)，由于地域的差異也使二者出現(xiàn)了較大偏差.

圖7 (a)時(shí)間分辨為1 h，對(duì)不同高度段分別采用不同空間分辨率得到的溫度廓線(實(shí)線所示10～20 km采用150 m空間分辨，虛線所示20～30 km采用450 m分辨，點(diǎn)線所示30～40 km采用750 m分辨)，誤差棒表示溫度統(tǒng)計(jì)誤差；(b)在 不同高度段溫度測(cè)量的統(tǒng)計(jì)誤差(實(shí)線)以及激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與探空氣球測(cè)量結(jié)果之間的溫度偏差(圓圈)Fig.7 (a) Combined temperature profile with 1 h integration and different spatial resolutions for different altitudes (the solid line is for 10～20 km with 150 m resolution, the dashed line is for 20～30 km with 450 m resolution, and the dotted line is for 30～40 km with 750 m resolution). Error bars show the statistical errors of the lidar temperature; (b) Statistical temperature errors of the lidar measurement for different altitudes with different spatial resolutions (solid line) and the temperature deviations between lidar and radiosonde (circles)

圖8 (a)時(shí)間分辨為30 min，對(duì)不同高度段分別采用不同空間分辨率得到的溫度廓線(實(shí)線所示10～20 km采用300 m空間分辨，虛線所示20～30 km采用600 m分辨，點(diǎn)線所示30～40 km采用900 m分辨)，誤差棒表示溫度統(tǒng)計(jì)誤差；(b) 在不同高度段溫度測(cè)量的統(tǒng)計(jì)誤差(實(shí)線)以及激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與探空氣球測(cè)量結(jié)果之間的溫度偏差(圓圈)Fig.8 (a) Combined temperature profile with 30 min integration and different spatial resolutions for different altitudes (the solid line is for 10～20 km with 300 m resolution, the dashed line is for 20～30 km with 600 m resolution, and the dotted line is for 30～40 km with 900 m resolution). Error bars show the statistical errors of the lidar temperature; (b) Statistical temperature errors of the lidar measurement for different altitudes with different spatial resolutions (solid line) and the temperature deviations between lidar and radiosonde (circles)

圖9 (a)時(shí)間分辨為10 min，對(duì)不同高度段分別采用不同空間分辨率得到的溫度廓線(實(shí)線所示10～20 km采用450 m空間分辨，虛線所示20～30 km采用750 m分辨，點(diǎn)線所示30～40 km采用1200 m分辨)，誤差棒表示溫度統(tǒng)計(jì)誤差； (b)在不同高度段溫度測(cè)量的統(tǒng)計(jì)誤差(實(shí)線)以及激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與探空氣球測(cè)量結(jié)果之間的溫度偏差(圓圈)Fig.9 (a) Combined temperature profile with 10 min integration and different spatial resolutions for different altitudes (the solid line is for 10～20 km with 450 m resolution, the dashed line is for 20～30 km with 750 m resolution, and the dotted line is for 30～40 km with 1200 m resolution). Error bars show the statistical errors of the lidar temperature; (b) Statistical temperature errors of the lidar measurement for different altitudes with different spatial resolutions (solid line) and the temperature deviations between lidar and radiosonde (circles)

5.3 激光雷達(dá)整晚連續(xù)觀測(cè)得到的大氣溫度廓線

圖10a中給出了2014年8月4日晚上21∶42至8月5日早上04∶51整晚(約7個(gè)小時(shí))觀測(cè)得到的溫度廓線圖(藍(lán)線表示)，以及當(dāng)?shù)靥娇諝馇蚍謩e于8月4日晚上20時(shí)和8月5日早上08時(shí)發(fā)布的溫度數(shù)據(jù)(紅圈和黑圈表示).將激光雷達(dá)在2014年7月30日20∶01—21∶56與同時(shí)段探空氣球進(jìn)行校準(zhǔn)以后得到的校準(zhǔn)系數(shù)對(duì)8月4日整晚的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，激光雷達(dá)系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，因此可以固定校準(zhǔn)系數(shù)而不用再次校準(zhǔn).

整晚上得到的溫度廓線采用30 min時(shí)間分辨，10～20 km高度范圍采用300 m空間分辨，20～30 km之間采用600 m空間分辨，30～40 km采用 900 m空間分辨.觀測(cè)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)可以探測(cè)10～40 km范圍的整晚大氣溫度廓線.將8月4日晚上21:42—22:12觀測(cè)得到的激光雷達(dá)溫度廓線與當(dāng)天晚上20時(shí)發(fā)布的探空氣球溫度比對(duì)，在10～30 km探測(cè)范圍內(nèi)溫度偏差小于3 K.同時(shí)將8月5日早上04∶21—04∶51觀測(cè)得到的激光雷達(dá)溫度廓線與當(dāng)天早上08時(shí)發(fā)布的探空氣球溫度進(jìn)行比對(duì)，激光雷達(dá)探測(cè)溫度相比于探空氣球普遍偏低，10～20 km溫度偏差小于2 K，直到30 km最大偏差約為5.3 K.通過(guò)晚上和早上激光雷達(dá)與探空氣球探測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，二者吻合較好，從而說(shuō)明了轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)可以連續(xù)穩(wěn)定工作的可靠性.

圖10b為整晚溫度廓線的等值線圖.由顏色條顯示的溫度值可以看出，整個(gè)晚上中低空大氣的溫度變化特征為低空溫度較高，到18 km高度附近溫度降至最低，約195 K.18 km附近的大氣溫度轉(zhuǎn)折高度對(duì)應(yīng)為武漢上空的對(duì)流層頂和平流層底的過(guò)渡層，隨后溫度開始隨高度升高而增加，表現(xiàn)為明顯的平流層特征.通過(guò)高時(shí)空分辨和高精度的中低空大氣溫度探測(cè)，為研究小尺度重力波等微妙大氣波動(dòng)現(xiàn)象提供了重要手段.

6 結(jié)論

本文介紹了一套轉(zhuǎn)動(dòng)Raman測(cè)溫激光雷達(dá)系統(tǒng)的研制和觀測(cè)結(jié)果.該系統(tǒng)基于高分辨光譜分光與濾光技術(shù)，通過(guò)接收準(zhǔn)直和分光濾光的優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了具有高帶外抑制能力的轉(zhuǎn)動(dòng)Raman通道信號(hào)接收探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)武漢城市上空從10 km至40 km范圍的中低空大氣溫度垂直探測(cè).通過(guò)將激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果與探空氣球溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，在探空氣球的有效探測(cè)高度內(nèi)顯示出很好的一致性，表明該激光雷達(dá)測(cè)溫的可靠性.在文中所給出的典型時(shí)空分辨下(圖8)，10～20 km統(tǒng)計(jì)誤差約為0.3 K，20～30 km 統(tǒng)計(jì)誤差約為0.8 K，30～40 km范圍統(tǒng)計(jì)誤差約為3.0 K.同時(shí)觀測(cè)結(jié)果還給出了整晚的溫度廓線分布，表明本激光雷達(dá)能穩(wěn)定可靠的連續(xù)工作，從而為中低空大氣溫度連續(xù)探測(cè)提供了一種有效的探測(cè)手段.

圖10 (a)2014年8月4日晚上 21∶42至8月5日早上04∶51整晚觀測(cè)得到的溫度廓線(實(shí)線)，以及當(dāng)天晚上 20∶00和第二天早上08∶00探空氣球發(fā)布的溫度數(shù)據(jù)(圓圈)；(b)整晚觀測(cè)得到的溫度等值線圖Fig.10 (a) Temperature profiles (solid lines) measured by rotational Raman lidar from 21∶42 on August 4, 2014 to 04∶51 on August 5, 2014. The circles are the temperature data released by the local radiosonde at 20∶00 LT on August 4 and at 08∶00 LT on August 5; (b) Time-height contour of the temperature profiles observed all night long

本激光雷達(dá)可進(jìn)一步與Rayleigh測(cè)溫激光雷達(dá)30～80 km的高度銜接，為實(shí)現(xiàn)中低層大氣連續(xù)觀測(cè)研究提供了重要手段.同時(shí)，還可與窄激光線寬的鈉層共振熒光激光雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步將探測(cè)范圍覆蓋到80～110 km.這樣三種機(jī)制結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)從近地面直到110 km的全程大氣溫度探測(cè)，為研究大氣熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)提供重要的手段.

致謝 感謝湖北省氣象局和武漢市中心氣象臺(tái)提供的氣象數(shù)據(jù)支持.

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(本文編輯 何燕)

High-precision measurements of lower atmospheric temperature based on pure rotational Raman lidar

LI Ya-Juan1,2, SONG Sha-Lei1*, LI Fa-Quan1, CHENG Xue-Wu1,CHEN Zhen-Wei1, LIU Lin-Mei1, YANG Yong1, GONG Shun-Sheng1

1WuhanInstituteofPhysicsandMathematics,ChineseAcademyofSciences,StateKeyLaboratoryofMagneticResonanceandAtomicandMolecularPhysics,Wuhan430071,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Temperature is an important parameter in describing the atmospheric state. Large-scale temperature profile measurements with high temporal and vertical resolutions can provide a comprehensive understanding of the atmospheric dynamics and thermodynamics. Different from Rayleigh mechanism, a pure rotational Raman (PRR) lidar is preferred for the lower atmospheric temperature measurements even with the aerosol and optically cloud layers.The PRR lidar system based on an injection-seeded laser source and a 1 m diameter telescope is built for high-precision temperature measurement from 10～40 km over Wuhan. State of the art interference filters for light splitting and filtering are designed to extract the wanted PRR signals and suppress elastically backscattered light. With the optimum design of optical spectroscopy parameters, as well as exact light receiving and transmitting match, PRR scattering returns are detected by the weak signal detection technology.Lidar observation results are presented to investigate the overall lidar performance. The maximum deviation of temperatures measured by the PRR lidar and the local meteorological radiosonde below 30 km is about 3.0 K, which shows good consistency and validates the reliability of the PRR lidar. Obvious deviation may occur because of balloon drifts, regional differences and special phenomena like the thermal inversion layer. Temperature profiles at different temporal scales (10 min, 30 min and 60 min) are given for analysis of the wave properties and microstructures. The statistical temperature errors vary with the spatial resolutions in different detection ranges. For the lidar temperature profile of 30 min integration, the statistical error is about 0.3 K for altitudes of 10～20 km with 300 m spatial resolution; about 0.8 K for 20～30 km with 600 m resolution; while with 900 m spatial resolution, it is about 3.0 K for altitudes from 30 km up to 40 km. Besides, one night temperature profile with 30 min integration and varying spatial resolutions are given for the study of atmospheric thermal structure and dynamical fluctuations.Temperature measurement up to 40 km by the PRR lidar possesses great potential for the further combination with the Rayleigh lidar of 30～80 km detection capacity, which provides a long-term effective method for the study of lower atmosphere to upper stratosphere.

Pure rotational Raman; Lidar; Atmospheric temperature; Thermal structure

10.6038/cjg20150708.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41127901，41101334，11403085)；測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(14R02)；武漢市晨光計(jì)劃(2014070404010229)共同資助.

李亞娟，女，1989年生，博士研究生，主要從事Raman激光雷達(dá)大氣探測(cè)研究.E-mail:lyj_1107@163.com

*通訊作者 宋沙磊，E-mail:songshalei@gmail.com

10.6038/cjg20150708

P407

2014-11-24，2015-03-27收修定稿

李亞娟，宋沙磊，李發(fā)泉等. 2015. 基于純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)的中低空大氣溫度高精度探測(cè).地球物理學(xué)報(bào)，58(7):2294-2305,

Li Y J, Song S L, Li F Q, et al. 2015. High-precision measurements of lower atmospheric temperature based on pure rotational Raman lidar.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2294-2305,doi:10.6038/cjg20150708.