为了同时测量大气温度, 水汽和大气气溶胶, 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学中心研制了一台多功能拉曼激光雷达。 该激光雷达采用多腔干涉滤光片的高性能光谱盒, 同时按小角度入射顺序安装, 分离不同波长的激光雷达回波信号, 并能高效率地提取信号。 利用该台拉曼激光雷达进行连续观测, 分析了大气温度、 水汽混合比的垂直分布。 研究结果表明: 探测时间为5分钟, 激光能量为200 mJ时, 激光雷达和无线电探空仪测得的平均偏差很小, 10 km以下的总体趋势相似, 同时观测到逆温层位于对流层低层。 在干净天的条件下, 6.2 km高度下的夜间统计温度误差在1K以下; 在轻微雾霾天的条件下, 2.5 km高度下的夜间统计温度误差在1 K以下。 水汽探测过程中, 激光雷达在4 km以内的相对误差不超过5%, 7.5 km以内的相对误差不超过20%。 连续观测结果验证了拉曼激光雷达的可靠性, 实现了对流层大气参数的实时测量。

提出了一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统,选用Nd…YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励波长,避开了强烈的太阳背景光对系统探测大气温度的影响。设计了一种新型三次衍射式双光栅多色仪作为激光雷达的分光系统。仿真结果表明,双光栅多色仪可实现Stokes与Anti-Stokes高低量子数通道转动拉曼谱线的有效提取,对米-瑞利弹性散射信号的抑制率可达到60~70 dB。充分考虑臭氧吸收和荧光对系统探测性能的影响,所设计的日盲紫外纯转动拉曼激光雷达采用模拟探测模式可在12 min的积分时间内实现2.2 km高度范围内大气温度的全天时探测。

Nd∶YAG激光器三倍频输出的354.7 nm光和四倍频输出的266.0 nm光都位于紫外波段,都可作为水汽拉曼激光雷达的激励光源;从水汽拉曼激光雷达系统的实际建设出发,分别从后向散射系数、消光系数、大气透过率、臭氧吸收和太阳背景噪声等方面对激光雷达系统的探测性能进行分析,探讨354.7 nm和266.0 nm激光光源对拉曼激光雷达开展全天时大气水汽探测的影响。结果表明:在水汽探测中,266.0 nm及其对应的氧气、氮气和水汽拉曼波长均位于日盲紫外区内,不受太阳背景噪声的影响,但会受到臭氧吸收的影响;354.7 nm波段无臭氧吸收,但会受到太阳背景噪声的影响;在分光系统参数一致的情况下,激光雷达系统选用266.0 nm波段激光光源时,白天水汽的有效探测距离为2.7 km,选用354.7 nm波段激光光源时,有效探测距离仅为0.6 km;日盲紫外波长的选择可有效提高白天水汽拉曼激光雷达的探测距离,实现水汽的全天时探测。

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。 激光雷达按照探测技术可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、 高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等。分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、 发展历史及优缺点,及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。

为了抑制边缘纯转动拉曼光谱成像偏差, 提出了一种高精度测温拉曼激光雷达光谱仪光学系统设计。该系统利用非球面透镜组对光谱仪成像球差进行校正, 针对光谱仪10 mm/nm的线分辨率要求, 采用双光栅结构设计并对测温拉曼光谱仪各参数进行光线追迹, 拟合得到双光栅的入射角、准直镜焦距和聚焦镜焦距的最优值。将拟合最优化结果代入Zemax 软件进行优化分析, 结果显示单个成像光谱成像宽度控制在0.771 5 mm, 间隔0.1 nm的纯转动连续光谱成像中心间隔可以达到1 mm, 满足了线阵探测器对成像质量的要求。通过计算在J=6级的纯转动拉曼后向散射信号对瑞利-米散射信号实现了108抑制, 达到了高精度纯转动拉曼激光雷达测温的目的, 解决了目前双光栅光谱技术无法达到提取355 nm波段纯转动拉曼高光谱精度的要求, 对测温拉曼激光雷达的技术发展有着深远的意义。

拉曼激光雷达已经广泛应用于大气气溶胶、大气温度和水汽的空间分布及时间演变特征测量。为了获取北京污染期间大气气溶胶边界层的特征, 2014年11月~2015年1月期间在中国科学院大学雁栖湖校区利用拉曼激光雷达进行连续观测。使用梯度法处理激光雷达观测数据得到边界层高度,同时与国家环保部提供的当地颗粒物浓度数据进行对比。观测期间灰霾天共出现15天, 污染天出现27天, 干净天出现24天。灰霾天、污染天和干净天三种情况下的平均大气边界层高度范围分别为0.6~0.9、0.9~1.3、1~1.9 km; PM2.5的质量浓度范围分别为143~203、77~90、17~34 μg/m3; PM10的质量浓度范围分别为170~271、103~153、33~78 μg/m3。研究结果表明: 北京地区大气边界层高度对近地面颗粒物浓度具有明显的负相关影响。干净天、污染天和灰霾天下的PM2.5和PM10的质量浓度变化率随大气边界层高度降低而依次增大。灰霾天大气边界层高度引起的PM2.5质量浓度平均变化率为-242.4 μg·m-3/km, 约为污染天(-114.8 μg·m-3/km)的两倍, 干净天(-77.4 μg·m-3/km)的三倍; 灰霾天大气边界层高度引起的PM10质量浓度平均变化率为-224.2 μg·m-3/km, 约为污染天(-117.6 μg·m-3/km)的两倍, 干净天(-90.4 μg·m-3/km)的两倍。

提出了一种基于小波阈值去噪算法的白天太阳背景光滤波抑制方法,实现对拉曼回波信号中真实信号与噪声的分离,并有效滤除白天背景噪声。基于西安理工大学大气水汽探测拉曼激光雷达系统的全天时实测数据,详细讨论了分解层数、小波基函数、阈值函数以及阈值选取方法等因素对白天探测回波信号去噪结果的影响,对去噪前后信号进行分析并对去噪评价函数进行对比,当利用小波基sym6、分解层数为5层,并采用改进阈值函数和改进通用阈值方法的最优条件时,可实现对白天水汽拉曼散射信号和米-瑞利散射信号较好的去噪效果。讨论了小波去噪前后大气水汽混合比反演廓线和激光雷达水汽探测信噪比(SNR)的结果,分析表明利用该去噪系统得到的白天激光雷达水汽探测SNR提高约3.4倍,水汽探测距离可从1.5~2 km提高到3 km以上。开展全天时激光雷达连续探测实验和去噪处理,获得了24 h边界层内大气水汽混合比的连续变化特性,并得到与近地面气象站数据的较一致的结果,充分验证了小波去噪算法应用于全天时大气水汽探测的可行性和有效性。

常规手段测量水汽的时空分辨率较低,激光雷达可以有效提高局 地短期天气预报的可信度。通过自研的拉曼激光雷 达,依据误差传递理论,分析水汽混合比的误差。同时,利用无线电探空仪与拉曼激光雷达对比。分析结果表明:激光雷达测量水汽主要包括定标常数、大气透过率 修正和测量信号三个误差源。其中,定标常数误差随高度不变,约为4%,是1.5 km以下误差的主要来源; 大气透过率修正误差随高度升高而增加,洁净天气下对相对误差的影响小于4%;测量信号误差在洁净天气下,较3 km高度以内一般小于20%, 在3 km高度以上,成为误差的主要来源。比对结果显示: 激光雷达计算误差和比对误差一致性较好。上述分析结果对于提高激光雷达在气象预报中的应用起到很好的辅助作用。

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号， 可实现大气水汽混合比廓线的探测。 然而由于振动拉曼信号非常微弱， 在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中， 多在夜间测量。 为实现大气水汽的全天时测量， 设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。 该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出—2660 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长， 采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器， 同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统， 实现了大气氧气、 氮气和水汽振动拉曼散射回波信号2775， 2836和2946 nm的精细提取。 计算仿真结果表明， 臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响， 主要是探测距离的影响； 氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响； 水汽通道存在少量太阳背景光噪声， 对系统探测距离略有影响。 而系统信噪比计算结果表明， 设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天35 km大气水汽的探测。 实际进行水汽探测时， 可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线， 修正臭氧对发射波长、 各通道拉曼散射波长的吸收， 进一步提升系统的探测能力和探测精度。