基于532和1064nm的雙波長米散射激光雷達(dá)

基于532和1064nm的雙波長米散射激光雷達(dá)

雙波長米散射激光雷達(dá)大氣氣溶膠探測大氣中的溶膠主要集中在相對于流的區(qū)域，這是激光氣候傳輸、氣候預(yù)測和環(huán)境質(zhì)量研究中考慮的重要?dú)鈪?shù)。受天氣系統(tǒng)、局地氣象條件及排放源等多種因素的影響,不同地區(qū)、不同季節(jié)和不同高度上,氣溶膠的物理、化學(xué)特性尤其是光學(xué)性質(zhì)有著顯著的差異,因此其時(shí)空分布較為復(fù)雜,需要對其空間分布特征和時(shí)間演變規(guī)律進(jìn)行長期系統(tǒng)地觀測。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)的信號探測和采集系統(tǒng)的應(yīng)用,激光探測手段在大氣探測領(lǐng)域中越來越凸顯出重要的作用。激光在大氣中傳輸時(shí),會與大氣中的各種成分發(fā)生散射作用,包括彈性散射和非彈性散射。對于彈性散射,粒子的散射光光譜的形狀與入射光譜的形狀相同,在散射的過程中沒有能量的交換;而對于非彈性散射,粒子的散射光譜的譜線發(fā)生了改變,譜線的中心位置產(chǎn)生了移動(dòng),在散射過程中產(chǎn)生了能量的損失。利用粒子散射光譜攜帶的信息,可以得到光傳出路徑上大氣組分(氣溶膠和大氣分子)的有關(guān)物理、化學(xué)和光學(xué)特性。激光雷達(dá)正是利用激光的大氣后向散射光譜的信息,來反演大氣成份(氣溶膠和大氣分子)有關(guān)參數(shù)的。同時(shí),激光雷達(dá)具有時(shí)空分辨率高和測量精度高等優(yōu)點(diǎn),為大氣氣溶膠的探測提供了一種重要的主動(dòng)遙感工具,是其他探測手段無法比擬的。近年來,雙波長米散射激光雷達(dá)的大氣氣溶膠探測技術(shù)受到激光雷達(dá)界的關(guān)注和青睞,因?yàn)樗粌H可以獲得不同波長的氣溶膠消光系數(shù),還可以在一定程度上反映出氣溶膠粒子尺度譜隨高度分布的特征。目前,雙波長米散射激光雷達(dá)的大氣氣溶膠探測大多局限在邊界層,或者在平流層。對流層大氣氣溶膠粒子具有垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺度譜范圍寬,日變化大,對流層頂高度在10至15km等主要特點(diǎn),因此,要求用于探測的激光雷達(dá)必須滿足空間分辨率高,接收信號的動(dòng)態(tài)范圍大,測量時(shí)間短等特點(diǎn)之外,還要盡可能的對整個(gè)對流層進(jìn)行瞬時(shí)探測,以獲得整個(gè)對流層氣溶膠的有效信息。中國科學(xué)院安徽光機(jī)所建立了一套雙波長米散射激光雷達(dá)系統(tǒng),用來探測整個(gè)對流層高度上可見和后外波段的氣溶膠消光系數(shù)的時(shí)空剖面以及光學(xué)厚度,同時(shí)用于研究粒子尺度譜隨高度的分布特征,為國家實(shí)驗(yàn)任務(wù)和大氣紅外輻射傳輸提供有關(guān)大氣氣溶膠的光學(xué)參數(shù)。該系統(tǒng)采用4通道分別同時(shí)用于接收對流層下部(低層)和中上部(高層)氣溶膠532及1064nm波長回波信號譜線。通過分層同時(shí)探測,可以有效獲得整個(gè)對流層大氣氣溶膠實(shí)際分布。文中介紹了該激光雷達(dá)的總體結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法。給出了合肥地區(qū)對流層大氣氣溶膠532及1064nm波長消光系數(shù)垂直廓線、Angstrom指數(shù)的典型探測結(jié)果,并分析了合肥地區(qū)光學(xué)厚度的月變化。1偏振激光系統(tǒng)的基本原理圖1是自行研制的雙波長米散射激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖,從圖中可以看出,雙波長米散射激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射單元、接收光學(xué)單元、信號探測和采集以及控制單元4部分組成。系統(tǒng)以Nd∶YAG脈沖激光器作為光源,采用基波1064nm和兩次諧波波長532nm為探測波長。激光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后垂直射入大氣,每一發(fā)激光脈沖均被傳輸路徑上的空氣分子和大氣氣溶膠所散射,大氣的后向散射光被接收望遠(yuǎn)鏡接收,為了提高系統(tǒng)的白天探測能力,在望遠(yuǎn)鏡后采用可調(diào)的小孔光闌來獲得適當(dāng)?shù)慕邮找晥?有效的壓制了大部分天空背景噪聲。望遠(yuǎn)鏡接收到的光由多模光纖輸出后經(jīng)準(zhǔn)直入射到一塊分色鏡上,再分別進(jìn)入各自探測通道,經(jīng)過帶寬為0.25nm的窄帶干涉率光片,分離出主要的大氣后向散射光譜(米散射和瑞利散射譜)信號,剔除大部分天空背景光譜信號和非彈性散射譜信號,由光電倍增管探測,高速采集卡采集,最后由主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。整個(gè)激光雷達(dá)的工作過程是在主控計(jì)算機(jī)運(yùn)行軟件的指令下完成的,運(yùn)行控制軟件還可以根據(jù)實(shí)際測量要求設(shè)置定時(shí)測量的參數(shù),實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人值守探測,得到一定時(shí)間間隔或連續(xù)的測量結(jié)果。表1列出了該偏振激光雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)。模擬計(jì)算表明,在整個(gè)對流層的范圍內(nèi)(地面至15km),1064和532nm兩個(gè)波長大氣回波信號的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)8個(gè)數(shù)量級左右,而且近距離大氣回波信號很強(qiáng)。為了解決如此大的動(dòng)態(tài)范圍的探測,系統(tǒng)通過采用合適的幾何重疊因子和高低層分層探測技術(shù)來實(shí)時(shí)獲得整個(gè)對流層有效的大氣回波信號,利用四個(gè)探測通道分別同時(shí)由于高低層532和1064nm的大氣回波信號的探測,其中高層探測器利用門控電路(可調(diào)節(jié))在2km以遠(yuǎn)開始采集大氣回波信號。各自波段內(nèi)的高低層大氣回波信號經(jīng)過有效拼接后,可以反演出整個(gè)對流層的大氣氣溶膠消光系數(shù)和其他光學(xué)特性參數(shù)。2氣溶膠消光系數(shù)后向積分測量于晴朗的天氣(白天和夜晚)進(jìn)行,激光雷達(dá)呈垂直指向,向大氣發(fā)射10000發(fā)激光脈沖,進(jìn)行兩個(gè)波段的高低層探測通道同時(shí)測量。激光脈沖通過大氣時(shí),其接收高度Z處大氣彈性后向散射一次散射信號的能量P(Z)由激光雷達(dá)方程決定P(λ?Z)=P0kZ?2β(λ?Z)exp{?2∫z0α(λ?Z′)dZ′}(1)Ρ(λ?Ζ)=Ρ0kΖ-2β(λ?Ζ)exp{-2∫0zα(λ?Ζ′)dΖ′}(1)其中,P0是激光發(fā)射能量,k為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù),β(λ,Z)=βα(λ,Z)+βm(λ,Z),βa(λ,Z)和βm(λ,Z)分別是高度Z處的大氣分子和氣溶膠粒子的后向散射系數(shù)(km-1·Sr-1),α(λ,Z)=αa(λ,Z)+αm(λ,Z),αm(λ,Z)和αa(λ,Z)分別是高度Z處的大氣分子和氣溶膠粒子的消光系數(shù)(km-1)。如果事先已知某一高度處氣溶膠粒子和空氣分子消光系數(shù),則ZC處以下各高度上的氣溶膠粒子消光系數(shù)(后向積分)為αa(λ?Z)=?S1S2αm(λ?Z)+X(λ?Z)exp[2(S1(λ)S2(λ)?1)∫ZCZαm(λ?Z)dZ]X(λ?ZC)αa(λ?ZC)+S1(λ)S2(λ)αm(λ?ZC)+2∫ZCZX(λ?Z)exp[2(S1(λ)S2(λ)?1)∫ZCZαm(λ?Z)dZ]dZ(2)αa(λ?Ζ)=-S1S2αm(λ?Ζ)+X(λ?Ζ)exp[2(S1(λ)S2(λ)-1)∫ΖΖCαm(λ?Ζ)dΖ]X(λ?ΖC)αa(λ?ΖC)+S1(λ)S2(λ)αm(λ?ΖC)+2∫ΖΖCX(λ?Ζ)exp[2(S1(λ)S2(λ)-1)∫ΖΖCαm(λ?Ζ)dΖ]dΖ(2)而ZC處以上各高度上的氣溶膠粒子消光系數(shù)(前向積分)為αa(λ?Z)=?S1S2αm(λ?Z)+X(λ?Z)exp[?2(S1(λ)S2(λ)?1)∫ZZCαm(λ?Z)dZ]X(λ?ZC)αa(λ?ZC)+S1(λ)S2(λ)αm(λ?ZC)?2∫ZZCX(λ?Z)exp[?2(S1(λ)S2(λ)?1)∫ZZCαm(λ?Z)dZ]dZ(3)αa(λ?Ζ)=-S1S2αm(λ?Ζ)+X(λ?Ζ)exp[-2(S1(λ)S2(λ)-1)∫ΖCΖαm(λ?Ζ)dΖ]X(λ?ΖC)αa(λ?ΖC)+S1(λ)S2(λ)αm(λ?ΖC)-2∫ΖCΖX(λ?Ζ)exp[-2(S1(λ)S2(λ)-1)∫ΖCΖαm(λ?Ζ)dΖ]dΖ(3)上述兩式中,X(λ,Z)=P(λ,Z)/Z2。S1=αa(λ,Z)/βa(λ,Z)是氣溶膠消光后項(xiàng)散射比,它依賴于發(fā)射的激光波長和折射指數(shù)等,數(shù)值一般在20(Sr)到70(Sr)之間。這里假定對于同一波長來說,氣溶膠消光后向散射比為常數(shù),這意味著氣溶膠的消光和散射特性的變化僅僅是由于其數(shù)密度隨高度的改變而引起的。對于1064nm波長,取S2=40Sr;對于532nm波長,取S2=50Sr。1064和532nm波長的空氣分子的后向散射系數(shù)βm(λ,Z)可以通過30°N冬/夏季美國溫壓濕標(biāo)準(zhǔn)大氣模式并由分子Rayleigh散射理論計(jì)算得到。對分子而言,S2=αm(λ,Z)/βm(λ,Z)=8π/3(Sr),通過大氣分子的后向散射系數(shù)βm(λ,Z)和S2可以求得大氣分子的消光系數(shù)αm(λ,Z)。標(biāo)定高度ZC是通過選取近乎不含氣溶膠粒子的清潔大氣層所在的高度來確定,這個(gè)高度一般在對流層頂附近,其邊界值532nm波長的氣溶膠消光系數(shù)由氣溶膠散射比R(λ,ZC)=1+βa(λ,ZC)/βm(λ,ZC)=1.01來確定。對1064nm波長,氣溶膠散射比R(λ,ZC)=1.08。求出氣溶膠的消光系數(shù)的垂直廓線后,進(jìn)而可以通過積分求得氣溶膠的光學(xué)厚度以及由氣溶膠的消光系數(shù)與波長的依賴關(guān)系得到反映氣溶膠尺度分布特征的Angstrom指數(shù)。3大氣angstrom指數(shù)與雙波長雷達(dá)合作分析雙波長米散射激光雷達(dá)研制完成后,為了檢驗(yàn)其接收大氣后向散射信號的正確性,將其探測得到的雙波長大氣后向散射回波信號(實(shí)線,低層信號經(jīng)過幾何因子校正)與對應(yīng)波長的數(shù)值模擬計(jì)算信號(虛線,雙波長米激光雷達(dá)接收大氣回波信號的理論曲線)進(jìn)行了比較,如圖2所示。從圖中可以看出在整個(gè)探測高度范圍內(nèi)實(shí)際探測信號和模擬信號符合較好,只是在3～4km范圍內(nèi),由于實(shí)際大氣出現(xiàn)了一層氣溶膠層,與計(jì)算模擬信號的大氣氣溶膠模式有些差別,造成了二者并不完全重合,但兩條曲線的趨勢基本一致。二者的一致性表明雙波長米散射激光雷達(dá)接收信號正確可信。圖3給出了2008年2月27日晚與在同一地域另一臺單通道單波長的偏振-米散射激光雷達(dá)進(jìn)行的532nm波段大氣氣溶膠消光系數(shù)的對比測量結(jié)果。為了使測量具有可比性,偏振-米散射激光雷達(dá)分時(shí)進(jìn)行了高低層測量,高低層信號經(jīng)過有效拼接后,反演出了整個(gè)對流層的氣溶膠消光廓線。從圖中可以看出,整體上兩者的探測結(jié)果吻合得較好,對于同一高度區(qū)域上一些大氣氣溶膠層結(jié)的細(xì)微結(jié)構(gòu)的探測也表現(xiàn)得較為一致。特別在3km以上,氣溶膠消光廓線吻合的相當(dāng)一致,只是對于11km高度較干凈的區(qū)域出現(xiàn)了細(xì)小差別,這是由于在這一潔凈區(qū)域,氣溶膠含量較少,大氣回波信號較弱,而兩臺激光雷達(dá)對若信號的探測能力不盡相同所造成的。在3km以下的區(qū)域也出現(xiàn)了微小差異,這是由于兩臺激光雷達(dá)測量的時(shí)間不同步造成的,但是兩者變化趨勢也是相當(dāng)一致的。這也從側(cè)面說明了在大氣邊界層上部的大氣,當(dāng)天較為穩(wěn)定,邊界層內(nèi)的大氣由于地表和人類活動(dòng)的影響,運(yùn)動(dòng)較為頻繁,而采用同時(shí)分層探測技術(shù),可以有效反映出大氣氣溶膠的垂直分布特征。從圖上還可以看出,當(dāng)天氣溶膠粒子主要集中在2km以下,在4～5km的高度上也出現(xiàn)了一層氣溶膠層,該層氣溶膠消光系數(shù)的峰值達(dá)到了0.026km-1。對比結(jié)果說明雙波長米散射激光雷達(dá)對大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直分布測量的可靠性。圖4和圖5分別給出了2007年6月28日雙波長米散射激光雷達(dá)測量得到的532和1064nm兩個(gè)波長氣溶膠消光系數(shù)的垂直廓線以及Angstrom指數(shù)的垂直廓線。從圖中可以看出,兩個(gè)波長的消光廓線有著較為一致的變化趨勢,甚至于細(xì)微的結(jié)構(gòu)也基本相似。在11km的高度上出現(xiàn)了一層薄的卷云。對于卷云粒子,從圖上可以看出,隨著波長的增加,其對波長的依賴也相應(yīng)增加,532nm波長卷云的消光系數(shù)數(shù)相對于其他高度不如1064nm那么顯著。在整個(gè)高度上,532nm氣溶膠消光系數(shù)較1064nm的大,在不同的高度上兩者之間的差值并不一樣,這主要與氣溶膠粒子尺度譜的垂直分布有關(guān)。Angstrom指數(shù)與大氣氣溶膠粒子的半徑有著密切的關(guān)系。一般而言,氣溶膠粒子的半徑越大,Angstrom指數(shù)就越小,反之,就越大。特別是大氣中半徑在0.1～10μm的氣溶膠粒子,滿足或非常接近Junge分布,而波長指數(shù)指數(shù)是Junge譜分布中一個(gè)非常重要的參數(shù),利用雙波長雷達(dá)可以獲得整個(gè)對流層慣度上的Angstrom指數(shù)的垂直分布,進(jìn)而可以反演出氣溶膠粒子的譜分布。從圖5可以看出,在當(dāng)日從地面至18km的高度范圍內(nèi),Angstrom指數(shù)在0.5到2.5左右波動(dòng)。從地面到4km的高度上,Angstrom指數(shù)在逐漸減小,說明在0到4km的高度上,小尺度氣溶膠粒子在總濃度中所占的權(quán)重越來越小。而在4到16km的高度上,Angstrom指數(shù)在逐漸增加,說明小尺度氣溶膠粒子在總濃度中所占的權(quán)重越來越大,但是對于11km高度上的卷云層,由于層內(nèi)的冰晶粒子尺度相對較大,所以這個(gè)高度上的Angstrom指數(shù)較其他高度上的為小。圖6是2007年5月12日02:00至22:10連續(xù)20h內(nèi),雙波長米散射激光雷達(dá)探測得到的532nm波長大氣氣溶膠消光系數(shù)廓線的時(shí)間演變特征。探測的時(shí)間間隔為30min。為了更清楚地看出整個(gè)對流層大氣氣溶膠垂直分布隨時(shí)間的變化,利用這段時(shí)間探測得到的氣溶膠消光廓線,做出如圖6所示的彩色圖。圖中縱軸表示高度,橫軸表示時(shí)間,不同的顏色表示不同的消光系數(shù)數(shù)值大小。其對應(yīng)關(guān)系如右側(cè)圖例表示,藍(lán)色表示最小,紅色表示最大。從圖中可以清楚的看出當(dāng)天對流層內(nèi)氣溶膠的分布特點(diǎn)及大氣邊界層的高度分布,當(dāng)日氣溶膠粒子主要集中在邊界層內(nèi),而對流層的中上部較為干凈,氣溶膠含量較少。大氣邊界層高度在整個(gè)探測時(shí)間內(nèi),從凌晨2:00到5:00之間,大氣邊界層變化不大,從5:00之后,由于太陽對地表的加熱作用,大氣邊界層逐漸抬高,由1.2km變化到1.8km,到19:00左右又趨于平穩(wěn)。從8:00之后一直到22:00,由于人類的活動(dòng)和地表加熱的進(jìn)一步加劇,使得邊界層內(nèi)的氣溶膠粒子濃度增加,近地面的氣溶膠消光系數(shù)偏大,0～0.3km的氣溶膠消光系數(shù)的均值達(dá)到了0.5km-1,在0.3～1km的氣溶膠消光系數(shù)的均值達(dá)到了0.35km-1,而在02:00到05:00,0～0.3km和0.3～1km的氣溶膠消光系數(shù)的均值僅為0.34和0.23km-1。在11:00到18:00之間2～4km的高度上出現(xiàn)了一層氣溶膠粒子,氣溶膠層頂高度逐漸增大,到18:00左右,此層氣溶膠消失。圖7是