2010-2020 年激光雷達(dá)數(shù)據(jù)集

吳佛菊，薛向輝，易帆，焦菁*，陳廷娣，余長(zhǎng)明，柳付超，楊國(guó)韜，王繼紅，杜麗芳

1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

3. 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢 430072

4. 地球空間環(huán)境與大氣測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072

5. 大氣遙感國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，武漢 430072

引 言

位于地球大氣80-110 km 的區(qū)域是中層頂區(qū)域，這一區(qū)域是大氣與空間的分界并且在此區(qū)域中存在著大氣金屬層。流星消融機(jī)制被認(rèn)為是大氣金屬層的來源[1]。當(dāng)流星體進(jìn)入地球大氣層時(shí)，由于地球大氣密度的增加，流星體會(huì)與地球大氣發(fā)生強(qiáng)烈地碰撞與摩擦從而釋放出金屬元素形成大氣金屬層，如鈉原子層、鉀原子層、鈣原子層等。由于大氣金屬層受到低層大氣的波動(dòng)和電離層的影響，它可以作為示蹤劑去研究中高層大氣和電離層耦合機(jī)制的研究。因此，大氣金屬層的探測(cè)研究十分重要。激光雷達(dá)具有高時(shí)空分辨率、高探測(cè)精度等優(yōu)點(diǎn)，它可以覆蓋衛(wèi)星遙感和地基無(wú)線電設(shè)備的探測(cè)盲區(qū)，已經(jīng)成為探測(cè)大氣金屬層的有利工具。Bowman 等人于1996 年首次完成了鈉原子層的激光雷達(dá)探測(cè)[2]。隨后，眾多研究學(xué)者開展了對(duì)鈉原子層的激光雷達(dá)觀測(cè)。鈉原子激光雷達(dá)是目前全球范圍內(nèi)技術(shù)最為成熟，分布最廣，使用最多的激光雷達(dá)。

迄今為止，我們已經(jīng)用子午一期的鈉激光雷達(dá)對(duì)金屬鈉原子層進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)十年的激光雷達(dá)探測(cè)。通過對(duì)鈉激光雷達(dá)得到的光子回波信號(hào)進(jìn)行反演分析，我們得到了中層頂鈉原子的密度變化特點(diǎn)以及鈉原子層的夜間變化和季節(jié)變化規(guī)律。此外，我們還利用鈉激光雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了很多鈉原子層的特殊現(xiàn)象，如突發(fā)鈉層[3-5]、雙鈉層[6-7]、熱層鈉層[8-9]。這些特殊現(xiàn)象都與金屬原子離子的相互轉(zhuǎn)化有關(guān)，與電離層有著密不可分的關(guān)系。因此，子午一期的鈉激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為中高層大氣與電離層的耦合研究打開了一扇新的大門。此外，子午一期的激光雷達(dá)還有瑞利激光雷達(dá)用來探測(cè)中層大氣的密度和溫度變化。該瑞利激光雷達(dá)數(shù)據(jù)被用來研究30-80 km 中層大氣的溫度變化趨勢(shì)以及行星波、潮汐波、重力波等大氣波動(dòng)活動(dòng)。

子午一期的瑞利激光雷達(dá)用于探測(cè)30-80 km 的大氣密度和溫度、鈉激光雷達(dá)用于探測(cè)80-110 km 的鈉層密度，實(shí)現(xiàn)了30-110 km 中高層大氣的同時(shí)探測(cè)。本激光雷達(dá)數(shù)據(jù)集提供了中層大氣密度溫度和中層頂區(qū)域鈉原子的密度。這些數(shù)據(jù)為中高層大氣的研究提供了數(shù)據(jù)保障。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

通過鈉激光雷達(dá)和瑞利激光雷達(dá)向大氣發(fā)射激光束，由于大氣分子和金屬原子的散射，從而使接收望遠(yuǎn)鏡得到散射回來的光子數(shù)。對(duì)回波光子數(shù)進(jìn)行反演處理便得到了本激光雷達(dá)數(shù)據(jù)集。

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

子午一期建立的激光雷達(dá)的工作過程大體相似，因此主要以子午一期延慶臺(tái)站建立的鈉激光雷達(dá)和瑞利激光雷達(dá)為例介紹。其發(fā)射單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。在發(fā)射單元中，一臺(tái)Nd:YAG 固體激光器（Continuum PL9030）發(fā)出波長(zhǎng)為1064 nm 的激光束，該激光束經(jīng)過第一個(gè)倍頻晶體后，產(chǎn)生了一束532 nm 的綠色激光束和剩余的1064 nm 基波光。532 nm 的綠色激光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡調(diào)整激光的發(fā)散角和準(zhǔn)直度后，由全反鏡發(fā)射到地球大氣中，從而被用來進(jìn)行瑞利信號(hào)的探測(cè)。對(duì)于剩余的1064 nm 的激光，采用二次倍頻余光復(fù)用技術(shù)[10]將其進(jìn)行二次倍頻后得到另一束532 nm 的綠色激光束，用于泵浦鈉染料激光器使其產(chǎn)生一束589 nm 的黃色共振激光束去探測(cè)鈉原子層。該黃色激光束同樣經(jīng)過擴(kuò)束鏡后，由全反鏡反射進(jìn)入大氣金屬層中。532 nm 的綠色激光束和589 nm 的黃色激光束被同時(shí)發(fā)出，完成瑞利信號(hào)和鈉原子層信號(hào)的探測(cè)。瑞利和鈉原子層的回波光子由反射式望遠(yuǎn)鏡接收?；夭ü庾颖环瓷涞浇蛊矫嫔先缓筮M(jìn)入石英光纖中，然后通過光纖到達(dá)準(zhǔn)直透鏡和濾光片，最后進(jìn)入光電倍增管中。光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最后由MCS 采集卡采集數(shù)據(jù)。

此外，使用WS6-200 波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量鈉激光雷達(dá)和瑞利激光雷達(dá)發(fā)出的波長(zhǎng)，并且使用自動(dòng)鎖頻軟件將波長(zhǎng)的誤差鎖定在0.3 pm 之內(nèi)。因此，激光雷達(dá)發(fā)出的波長(zhǎng)較為準(zhǔn)確。

圖1 延慶臺(tái)站鈉激光雷達(dá)和瑞利激光雷達(dá)的發(fā)射單元

接收單元地主要設(shè)備是直徑為1 米地反射式望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡主鏡鍍了鋁加SiO2保護(hù)膜，能夠?qū)崿F(xiàn)回波光子的全波段接收。望遠(yuǎn)鏡接收到的鈉原子層的回波信號(hào)和瑞利散射信號(hào)經(jīng)過窄帶濾光片后，信號(hào)中的背景噪聲以及其他波段的信號(hào)被抑制，只保留了589 nm 和532 nm 的回波信號(hào)。這些微弱的回波信號(hào)被高量子效率的光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后，由光子計(jì)數(shù)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 鈉激光雷達(dá)數(shù)據(jù)

鈉激光雷達(dá)數(shù)據(jù)集包括共振熒光光子計(jì)數(shù)文件和鈉層密度文件。熒光光子計(jì)數(shù)文件是鈉激光雷達(dá)探測(cè)獲得的原始數(shù)據(jù)文件。根據(jù)Megie[11]、Chu[12]提出的反演算法，將原始數(shù)據(jù)文件反演后得到鈉層密度文件。其反演公式如下：

其中，n是鈉原子的密度；nr是參考高度處的大氣數(shù)密度，通常取參考高度為35-40km；Ns和Nr分別是在高度z處和在參考高度zr處接收到的光子數(shù)；Nb是背景噪聲；σeff是鈉原子的有效散射截面，σeff=5.22e-16 m2/sr；σr是參考高度處的瑞利散射截面，其值可由大氣密度模式NRLMSISE-00 獲得。E是鈉原子層的消光系數(shù)，它的值為鈉原子的密度和有效散射截面乘積的積分。

1.2.2 瑞利激光雷達(dá)數(shù)據(jù)

在瑞利激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中，瑞利散射光子計(jì)數(shù)文件可以被用來反演30-80 km 的中層大氣溫度和密度。其中大氣密度的反演公式為：

其中ρ(z)表示高度z處的大氣分子數(shù)密度；ρ(zr)表示歸一化高度處的大氣密度（可由NRLMSISE-00 模式得到）；zr為歸一化的參考高度，通常為30 km 以上；Ns是在高度z處的光子數(shù)，Nr是參考高度處的回波光子數(shù)，Nb是背景噪聲。

若將ρ(zr)初始化為1，則得到了相對(duì)大氣密度。在大氣溫度反演中，需要用到相對(duì)大氣密度。

對(duì)于中層大氣的溫度反演，Alain Hauchecorne 和Marie-Lise Chanin[13]提出假設(shè)大氣滿足流體靜力學(xué)平衡和理想氣體狀態(tài)方程，大氣溫度廓線可以由相對(duì)密度廓線反演得到，這個(gè)方法被稱為CH 方法。我們根據(jù)CH 方法，我們選定參考高度zr（一般選擇探測(cè)上限高度）后得到在高度zi處的大氣溫度T(zi)為：

其中，R 為理想氣體常數(shù)，M 為理想氣體摩爾質(zhì)量，g(z)為z高度處的重力加速度，T(zr)為參考高度處的大氣溫度（可由NRLMSISE-00 模式得到）。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

子午一期的鈉激光雷達(dá)和瑞利激光雷達(dá)的重復(fù)頻率為30Hz，原始文件由1000 個(gè)激光脈沖產(chǎn)生。因此，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)集中，每一個(gè)數(shù)據(jù)文件的時(shí)間分辨率為33s。由于每一個(gè)激光脈沖的停留時(shí)間為640ns，故每一個(gè)數(shù)據(jù)文件的空間分辨率為96m。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)集中包含原始數(shù)據(jù)集和二級(jí)科學(xué)數(shù)據(jù)集。瑞利散射光子計(jì)數(shù)文件和熒光散射光子計(jì)數(shù)文件是MCS 格式的原始數(shù)據(jù)集。大氣溫度和密度文件以及鈉層密度文件屬于二級(jí)科學(xué)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式為ASCII，是由原始數(shù)據(jù)反演得到的。每一個(gè)數(shù)據(jù)文件名都包含了臺(tái)站編碼、設(shè)備類型編碼、設(shè)備序號(hào)以及年月日和文件序號(hào)。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)文件格式如表1。

表1 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)文件格式

我們利用鈉激光雷達(dá)和瑞利激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)，得到了鈉層典型的回波光子信號(hào)和瑞利回波信號(hào)，如圖2 所示。

圖2 鈉層回波（左）和瑞利回波（右）

圖3 鈉原子密度（左）大氣密度（中）大氣溫度（右）

圖3 展示了將鈉層和瑞利回波信號(hào)反演后，得到的典型的鈉原子密度剖線以及大氣密度和溫度剖線。

此外，激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行重力波的研究。圖4 展示了利用2009-2012 年的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，對(duì)北京地區(qū)重力波活動(dòng)的研究結(jié)果[14]。

圖4 不同波長(zhǎng)重力波垂直波數(shù)的季節(jié)變化規(guī)律（上）和不同波長(zhǎng)重力波垂直頻率的季節(jié)變化分布（下）

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評(píng)估

在鈉激光雷達(dá)和瑞利激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的過程中，我們使用了WS6-200 波長(zhǎng)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)589 nm和532 nm，并且使用自動(dòng)穩(wěn)頻軟件嚴(yán)格控制了589 nm 和532 nm 這兩個(gè)波長(zhǎng)僅在0.3 pm 的范圍內(nèi)波動(dòng)。這個(gè)波動(dòng)誤差對(duì)于鈉原子層探測(cè)和瑞利信號(hào)獲取的影響是微乎其微的。其次，在激光雷達(dá)系統(tǒng)的接收部分，使用了大口徑的接收望遠(yuǎn)鏡和窄帶濾光片，很好地抑制了背景雜散噪聲。這些細(xì)節(jié)提高了我們兩臺(tái)激光雷達(dá)的探測(cè)性能，并且得到了高信噪比的回波信號(hào)（圖2）。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

本數(shù)據(jù)集可支持低層大氣波動(dòng)、中層大氣溫度密度、電離層擾動(dòng)、中高層大氣與電離層耦合機(jī)制的相關(guān)研究，為空間天氣現(xiàn)象的研究提供更多的數(shù)據(jù)支持。

致 謝

本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

吳佛菊，女，博士研究生，研究方向?yàn)橹懈邔哟髿饧す饫走_(dá)探測(cè)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)服務(wù)。

薛向輝，男，博士，教授，研究方向?yàn)榇髿饧す饫走_(dá)探測(cè)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)服務(wù)。

易帆，男，博士，教授，研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)探測(cè)技術(shù)與大氣遙感。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)服務(wù)。

焦菁，女，博士，副研究員，研究方向?yàn)橹懈邔哟髿饧す饫走_(dá)探測(cè)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)服務(wù)。

陳廷娣，女，工程師，研究方向?yàn)榇髿饧す饫走_(dá)探測(cè)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

余長(zhǎng)明，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)探測(cè)技術(shù)與大氣遙感。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

柳付超，男，講師，研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)探測(cè)技術(shù)與大氣遙感。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

楊國(guó)韜，男，博士，研究員，研究方向?yàn)橹懈邔哟髿饧す饫走_(dá)探測(cè)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)服務(wù)。

王繼紅，男，碩士，研究員，研究方向?yàn)橹懈邔哟髿饧す饫走_(dá)探測(cè)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

杜麗芳，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)遙感探測(cè)技術(shù)與儀器研制。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。