機(jī)載近紅外偏振激光雷達(dá)探測(cè)過(guò)冷云研究

李仕春,黃祖鑫,石東東,辛文輝,2,宋躍輝,2,高飛,2,華燈鑫

(1西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2西安理工大學(xué)現(xiàn)代裝備綠色制造協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西 西安 710048)

0 引言

云的輻射效應(yīng)顯著影響地氣輻射收支平衡,所以云是研究大氣系統(tǒng)和氣候變化的重要因素之一[1]。在云物理學(xué)研究中,通常描述云物理特征的參數(shù)包含云底高、云頂高、云厚、云外形、云量、云空間尺度、云壽命史、云溫度場(chǎng)、云氣流場(chǎng)、云含水量等宏觀參數(shù),以及云粒子相態(tài)、譜分布、形狀特征、光學(xué)厚度、消光后向散射比、云粒子譜分布函數(shù)等微觀參數(shù)[2]。人工影響天氣是大氣科學(xué)研究的重要方向,其主要目的是減輕或避免氣象災(zāi)害的出現(xiàn)和范圍,而云特性探測(cè)是人工影響天氣領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一,特別是過(guò)冷云存在與否及其空間尺度是人工增雨作業(yè)的必要條件[3],所以過(guò)冷云分布及其含水量是云物理學(xué)研究和人工增雨作業(yè)中極為重要的云物理特征。同時(shí),過(guò)冷云也是對(duì)流層中航空飛行器的嚴(yán)重威脅,極易引起飛航事故[4],是航空領(lǐng)域需要考慮的重要因素。因此,過(guò)冷云空間分布的實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù),具有極為重要的研究意義和價(jià)值。

云參數(shù)測(cè)量主要有圖像測(cè)量法和光學(xué)計(jì)數(shù)法,多采用機(jī)載在線測(cè)量技術(shù),需要測(cè)量飛機(jī)直接進(jìn)入云系中進(jìn)行測(cè)量。美國(guó)基于光學(xué)方法最早研制了機(jī)載粒子測(cè)量系統(tǒng)(PMS)[5],可自動(dòng)連續(xù)測(cè)量不同尺度的粒子數(shù)密度,并用于云微觀物理特性測(cè)量。我國(guó)也利用PMS系統(tǒng)開(kāi)展了云微觀物理特性的相關(guān)研究[6],但是PMS系統(tǒng)的一維前向散射探頭觀測(cè)的粒子譜在鑒別粒子相態(tài)上仍存在較大不確定性,需要結(jié)合其它信息進(jìn)行甄別[7]。在線測(cè)量技術(shù)屬于原位直接測(cè)量,測(cè)量準(zhǔn)確度高,但是其入云采樣方式不適用于過(guò)冷云探測(cè),極易威脅飛航安全,且取樣體積小,有必要發(fā)展遙感技術(shù)[8]。云特性遙感領(lǐng)域中,地基云雷達(dá)(尤其是毫米波雷達(dá))可穿透云或者降水而廣泛應(yīng)用[9],如較為成熟Ka波段(典型35 GHz)毫米波雷達(dá),以及高性能的更短波長(zhǎng)W波段(典型94 GHz)毫米波雷達(dá)[10]。由于毫米波雷達(dá)的波長(zhǎng)(典型3 mm)遠(yuǎn)大于云粒子尺度(典型幾十μm),這依然會(huì)限制云粒子微觀特性的探測(cè)效率,而更短波長(zhǎng)的光學(xué)遙感設(shè)備(即激光雷達(dá))則優(yōu)勢(shì)明顯,目前多用于晴空時(shí)的氣溶膠粒子特性遙感[11,12],也有研究者開(kāi)展了多種手段的聯(lián)合測(cè)量[13],其中偏振激光雷達(dá)由于具有探測(cè)粒子非球形特征,氣溶膠和云粒子形狀研究已成為熱點(diǎn),可見(jiàn)光和紫外域偏振激光雷達(dá)技術(shù)日趨成熟。2012年Wang等[14]利用2009年研制的紫外域(355 nm)機(jī)載偏振激光雷達(dá)[15],結(jié)合機(jī)載原位測(cè)量?jī)x器和毫米波雷達(dá)進(jìn)行了系統(tǒng)的聯(lián)合觀測(cè)實(shí)驗(yàn),但由于其偏振激光雷達(dá)的激勵(lì)波長(zhǎng)較短(355 nm),極大限制了云層內(nèi)的有效探測(cè)距離(約1 km)。

由于云粒子尺度一般大于10 μm,為提高偏振激光雷達(dá)的云中探測(cè)距離,可增加激光雷達(dá)的激勵(lì)波長(zhǎng),有效減少光束在云中傳輸時(shí)小尺度氣溶膠粒子的消光效果,提高大尺度云粒子的探測(cè)效率,Li等[16]提出近紅外(1550 nm)波段的機(jī)載偏振激光雷達(dá),以提高云粒子的探測(cè)有效性,從而推動(dòng)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)載測(cè)云激光雷達(dá)研究。本文針對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用,基于云粒子的退偏振原理,提出并設(shè)計(jì)同軸偏振激光雷達(dá)系統(tǒng),以降低探測(cè)盲區(qū)并改善探測(cè)距離,實(shí)現(xiàn)遙感探測(cè)云粒子的非球性,以甄別云粒子的相態(tài),基于米散射原理反演云粒子消光系數(shù),結(jié)合機(jī)載PMS測(cè)得的等效粒子半徑,反演云含水量廓線,同時(shí),如果飛機(jī)在0°C高度飛行且向上探測(cè)時(shí),即可獲得過(guò)冷云分布,并以實(shí)際云粒子觀測(cè)的粒子譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),比較分析了三種波長(zhǎng)偏振激光雷達(dá)的探測(cè)性能。

1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)

激光雷達(dá)是典型的光機(jī)電一體化集成儀器,通?？煞譃榘l(fā)射接收子系統(tǒng)和信息處理子系統(tǒng),兩個(gè)子系統(tǒng)之間一般通過(guò)光纖或空間光路連接,通過(guò)光纖連接的激光雷達(dá)系統(tǒng)可將兩個(gè)子系統(tǒng)分開(kāi),具有很好的靈活性,而空間光路連接的激光雷達(dá)系統(tǒng)則具有高集成度和穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。由于該系統(tǒng)是偏振激光雷達(dá),故回波光信號(hào)轉(zhuǎn)接時(shí)需要保持偏振特性,而激光雷達(dá)通常采用多模光纖傳輸回波光信號(hào),很難保持光信號(hào)的偏振特性,同時(shí)機(jī)載儀器需要高機(jī)械穩(wěn)定性,因此選擇空間光路連接的系統(tǒng)方案,圖1給出了該激光雷達(dá)在飛行器中的安裝位置示意圖,由于采用空間光路連接的結(jié)構(gòu),發(fā)射接收子系統(tǒng)不能置于機(jī)艙外面,故需要在飛機(jī)頂部開(kāi)探測(cè)窗口,可充分利用Super King Air 350飛機(jī)上已有的探測(cè)窗。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of location of lidar in aircraft

為高效探測(cè)過(guò)冷云分布,減少發(fā)射接收系統(tǒng)的探測(cè)盲區(qū),設(shè)計(jì)收發(fā)同軸型偏振激光雷達(dá)系統(tǒng),如圖2所示,該結(jié)構(gòu)具有高集成度和機(jī)械穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì),體積小,重量輕,以適應(yīng)機(jī)載儀器的使用要求。激勵(lì)光源采用1550 nm波長(zhǎng)的微脈沖激光器,能夠發(fā)射偏振比高達(dá)100:1的納秒級(jí)脈沖寬度的激光脈沖,該激勵(lì)光束由凸透鏡L1會(huì)聚后,透過(guò)反射鏡M1中心的小孔,周邊雜散光及大發(fā)散角激光功率不能穿過(guò)小孔,大部分激光能量經(jīng)由望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直后直接射入大氣。在激光束脈沖前向傳輸過(guò)程中,大氣中懸浮粒子以及氣體分子會(huì)對(duì)激光脈沖產(chǎn)生散射和吸收等作用,進(jìn)而形成消光效應(yīng)以及退偏振效應(yīng)。而由后向散射系數(shù)決定的激光雷達(dá)回波信號(hào)再經(jīng)由望遠(yuǎn)鏡會(huì)聚接收,直接照射到反射鏡M1上,小孔區(qū)域外的回波光信號(hào)經(jīng)反射后進(jìn)入偏振分光模塊。在該模塊中,回波光信號(hào)首先經(jīng)凸透鏡L3準(zhǔn)直后照射在偏振分光棱鏡PBS上,分光棱鏡能夠依據(jù)與發(fā)射光束偏振方向的角度不同,將光信號(hào)分成平行和垂直的兩路光信號(hào),一路光信號(hào)經(jīng)窄帶干涉濾光片IF1以及凸透鏡L4會(huì)聚后,由光電倍增管D1實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換,而另一路光信號(hào)經(jīng)窄帶干涉濾光片IF2以及凸透鏡L5會(huì)聚后,由光電倍增管D2實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。兩路微弱的電信號(hào)分別經(jīng)電路放大模塊OP1和OP2放大并調(diào)理后,經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡或光子計(jì)數(shù)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,接入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)經(jīng)云特性反演算法處理后,可得到云粒子特性的廓線信息,進(jìn)而評(píng)估過(guò)冷云的時(shí)空分布。該激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

圖2 近紅外波段的偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of polarization lidar system in near infrared region

表1 機(jī)載偏振激光雷達(dá)的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of polarization air-borne lidar

2 云特性反演算法

激光雷達(dá)是微波雷達(dá)的工作波長(zhǎng)向光波段的延伸,其探測(cè)原理是大氣中物質(zhì)顆粒與激光束相互作用時(shí)的散射和熒光現(xiàn)象,大多數(shù)激光雷達(dá)都屬于散射型激光雷達(dá),其中,偏振激光雷達(dá)的主要依據(jù)是大氣中懸浮粒子的Mie散射的光學(xué)退偏振效應(yīng),此時(shí)要求入射激勵(lì)光是線偏振光,則后向散射光的偏振態(tài)將依據(jù)粒子的形狀和折射率分布特征呈現(xiàn)出一定的偏振弱化現(xiàn)象,通常認(rèn)為粒子形狀偏離球形越大,或者粒子折射率分布偏離均勻越遠(yuǎn),則其后向散射光的偏振退化程度越大[17,18],可用圖3(a)進(jìn)行描述,當(dāng)線偏振激勵(lì)光束照射在均勻球形粒子上時(shí),此時(shí)通常認(rèn)為后向散射光無(wú)退偏振效應(yīng),其電矢量方向與入射光相同,即仍然保持線偏振光狀態(tài);而當(dāng)線偏振光束照射在非球形粒子或者折射率分布非均勻球形粒子上時(shí),其后向散射光將依據(jù)形狀變化或非均勻性程度而退變?yōu)椴糠制窆?圖3(b)給出了球形氣溶膠、沙塵、水滴和冰晶四類典型粒子的后向散射強(qiáng)度和退偏比參數(shù)的關(guān)系,此可開(kāi)展大氣中粒子類型甄別的相關(guān)研究,例如依據(jù)退偏比甄別云粒子的相態(tài)。

圖3 偏振激光雷達(dá)探測(cè)原理。(a)粒子的光學(xué)退偏振示意圖;(b)典型粒子的分類情況Fig.3 Detection principle of polarization lidar.(a)Schematic diagram of optical depolarization of particles;(b)Classification of typical particles

為描述大氣中物質(zhì)粒子對(duì)后向散射光的退偏振效應(yīng),通常將激光雷達(dá)回波光信號(hào)分解為兩部分:一部分與入射激光束的偏振方向相同,稱為P分量光;另一部分與入射激光束偏振方向正交,稱為S分量光。并將其比值稱為退偏振光功率比(簡(jiǎn)稱退偏比),可表示為

式中PS和PP分別表示大氣中物質(zhì)粒子的后向散射光中S分量和P分量的光功率。

由經(jīng)典的米散射偏振激光雷達(dá)方程,偏振激光雷達(dá)回波中P分量和S分量的光功率可分別表示為

式中:z是被測(cè)對(duì)象(即粒子)與激光雷達(dá)之間的距離;kP和kS分別表示P和S分量光的通道常數(shù),主要受光學(xué)傳輸效率和電信號(hào)傳輸效率的影響;O(z)表示激光雷達(dá)的重疊因子,主要受激光雷達(dá)幾何結(jié)構(gòu)(即幾何重疊因子)和激光束功率的空間分布的影響,kP、kS和O(z)都可通過(guò)理論分析確定或觀測(cè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定;P0是激勵(lì)光單脈沖的平均功率(發(fā)射系統(tǒng)的核心指標(biāo));AR是接收望遠(yuǎn)鏡的口徑面積(接收系統(tǒng)的核心指標(biāo)),P0和AR都是激光雷達(dá)探測(cè)性能的關(guān)鍵指標(biāo);c表示光在大氣中傳播的速度;τ表示激光脈沖的寬度;βi(z)和αi(z)(i=P或S)分別表示大氣中被測(cè)粒子團(tuán)的后向散射系數(shù)和消光系數(shù),這是激光雷達(dá)方程中需要求解的兩個(gè)量,通常通過(guò)忽略粒子大小、形狀、均勻性等引起的差異,假設(shè)二者之間具有相關(guān)(如線性)關(guān)系,即消光后向散射比或激光雷達(dá)比,如Klett和Fernald氣溶膠廓線的反演算法。

在偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)中,大氣中物質(zhì)粒子的取向是隨機(jī)的,具有很好的統(tǒng)計(jì)特性,可認(rèn)為αP(z)=αS(z)=α(z),故(2)和(3)式中的指數(shù)型消光項(xiàng)可以認(rèn)為是相同的。后向散射系數(shù)可反映物質(zhì)粒子的數(shù)密度,其比值則與粒子的形狀密切相關(guān)。因此,偏振激光雷達(dá)的退偏比可表示為

式中K=kP/kS,表示P和S分量偏振通道的靈敏度比,通過(guò)自然光的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定?？煞囱莸玫酱髿庵辛Ｗ雍笙蛏⑸涞耐似癖壤€,進(jìn)而獲得云粒子的相態(tài)分布信息。

云含水量也是人工影響天氣領(lǐng)域的重要參數(shù),通過(guò)整理綜合(2)、(3)式,可得米散射總信號(hào)為

激勵(lì)波長(zhǎng)1550 nm位于近紅外波段,很難依據(jù)大氣中的分子瑞利散射校正通道常數(shù)(kP+KkS)和重疊因子O(z),但可選擇高山中靜穩(wěn)的云霧粒子,將其近似為折射率分布均勻的球形粒子以校正系統(tǒng)參數(shù)。

由于云中粒子數(shù)濃度大,且激勵(lì)波長(zhǎng)1550 nm處于近紅外波段,大尺度的云粒子將在激光雷達(dá)回波中起主導(dǎo)作用,故可假設(shè)消光后向散射比為常數(shù),利用激光雷達(dá)的Klett算法反演計(jì)算粒子的消光系數(shù)廓線,即

式中zc是Klett算法反演時(shí)的參考高度,在大氣底層氣溶膠特性反演中,通常取無(wú)氣溶膠粒子的對(duì)流層頂作為參考高度,本系統(tǒng)中由于激勵(lì)波長(zhǎng)處于近紅外波段,晴空大氣就可選作參考高度,增加了粒子特性反演算法的適用性。

假設(shè)沿激光束距離激光雷達(dá)z處云粒子數(shù)密度譜函數(shù)為

式中N(r,z)表示單位體積內(nèi)粒子半徑為r的個(gè)數(shù),粒子的體積譜分布函數(shù)可表示為

對(duì)(8)式積分,可得云含水體積,進(jìn)而得到云含水量可表示為

式中ρ是粒子的密度。而消光系數(shù)可表示為

式中Qex是粒子的消光效率。(9)、(10)式的比值可表示為

由于云粒子通常較大,可近似取Qex≈2,則(11)式可化簡(jiǎn)為

式中Reff為云團(tuán)的等效粒子半徑,可通過(guò)云的類型假設(shè)或由機(jī)載PMS探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到。由此,依據(jù)云粒子消光系數(shù)廓線可反演得到云含水量廓線。

3 性能仿真及分析

機(jī)載在線云觀測(cè)實(shí)例數(shù)據(jù)如圖4所示,給出了1540 m和5000 m高度處的云粒子數(shù)密度,其數(shù)據(jù)來(lái)自于腔式氣溶膠粒子光譜探頭(PCASP-100X)和前向散射光譜探頭(FSSP-100ER),前者能夠探測(cè)直徑0.1～3.0 μm的小尺度氣溶膠粒子,后者能夠探測(cè)3～50 μm的大尺度云粒子。圖4中給出了距地面高度分別為1540 m和5000 m的云粒子譜信息,低空云(1540 m)的粒子數(shù)密度明顯大于高空云(5000 m),這符合對(duì)流層的實(shí)際情況。兩種云都具有雙峰結(jié)構(gòu),第一峰值直徑約為0.3 μm,第二峰值直徑約為4 μm。

圖4 機(jī)載在線儀器的云特性觀測(cè)個(gè)例Fig.4 Observation examples with in situ airborne instrument for the cloud characteristics

基于標(biāo)準(zhǔn)大氣模型和球形粒子的Mie散射數(shù)學(xué)模型,利用圖4的云粒子譜數(shù)據(jù),仿真分析了圖3所示機(jī)載近紅外偏振激光雷達(dá)(系統(tǒng)參數(shù)如表1所示)的性能,不同激發(fā)波長(zhǎng)的回波信號(hào)如圖5(a)所示,其1 s累積時(shí)間的信噪比分析(SNR)如圖5(b)所示。從圖5(b)中可看出,如果定義系統(tǒng)有效探測(cè)距離為信噪比閾值100時(shí)的探測(cè)距離,則可獲得不同波長(zhǎng)時(shí)系統(tǒng)有效探測(cè)距離如表2所示,仿真中由于355 nm的激光單脈沖能量只有μJ量級(jí),其有效探測(cè)距離不足0.5 km,尚未達(dá)到文獻(xiàn)[15]中激光雷達(dá)實(shí)際探測(cè)距離,而文獻(xiàn)[14]中紫外域偏振激光雷達(dá)的單脈沖能量為16 mJ,脈沖重復(fù)率為20 Hz,接收口徑為75 mm。由于單脈沖能量差異很大,以及云粒子濃度不確定,很難直接比較分析兩種激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)性能。對(duì)比兩種云層粒子譜分布的仿真數(shù)據(jù)表明,隨著激勵(lì)波長(zhǎng)的增加,大尺度云粒子對(duì)回波信號(hào)的影響作用增強(qiáng),特別有利于研究大尺度云粒子譜分布。

圖5 (a)激光雷達(dá)回波信號(hào)及(b)信噪比仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of(a)the echo signals and(b)SNR of lidar

表2 不同波長(zhǎng)激光雷達(dá)有效探測(cè)距離對(duì)比分析Table 2 Comparison of the lidar effective detective range with different exciting wavelengths

仿真結(jié)果表明,該近紅外波段偏振激光雷達(dá)在1.5 km范圍內(nèi)可忽略太陽(yáng)背景光的干擾,激勵(lì)波長(zhǎng)為1550 nm與1064 nm的比較,前者大氣透射率明顯高于后者,具有更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。由于在圖4中的兩種類型云中存在大量直徑小于3 μm的小尺度粒子,因此使用355 nm的激光雷達(dá)具有最低的大氣透射率。當(dāng)工作波長(zhǎng)為1064 nm時(shí),在1540 m和5000 m高度處云層的檢測(cè)距離分別為0.8 km和1.0 km;而當(dāng)工作波長(zhǎng)為1550 nm時(shí),在1540 nm和5000 m高度處云層的檢測(cè)距離分別為1.1 km和1.5 km。

4 結(jié)論

由于機(jī)載在線探測(cè)過(guò)冷云會(huì)威脅飛航安全,提出了一種近紅外波段機(jī)載偏振同軸激光雷達(dá),用于遙感云粒子特征,并基于米散射理論提出了一種利用偏振激光雷達(dá)反演過(guò)冷云分布的解析模型。為提高激光雷達(dá)在云中的探測(cè)距離,將激勵(lì)波長(zhǎng)延拓至近紅外波段,減少云中小尺度氣溶膠粒子的消光,提高大尺度云粒子的探測(cè)距離和效率;基于標(biāo)準(zhǔn)大氣模型和機(jī)載在線儀器的云粒子譜,對(duì)比分析了三種波長(zhǎng)的偏振激光雷達(dá)在不同高度對(duì)流層云的探測(cè)性能。結(jié)果表明:該近紅外波段偏振激光雷達(dá)在1.5 km范圍內(nèi)可忽略太陽(yáng)背景光的干擾,在相同條件下,波長(zhǎng)1550 nm的激光雷達(dá)的探測(cè)距離比其他兩個(gè)波長(zhǎng)更遠(yuǎn),高度1540 m處對(duì)流層云的探測(cè)距離約為1.1 km,而高度5000 m處對(duì)流層云的探測(cè)距離約為1.5 km,可為過(guò)冷云探測(cè)提供一種新方法。