中国南极中山站完成钠荧光多普勒激光雷达安装

中国南极中山站完成钠荧光多普勒激光雷达安装
黄文涛
【期刊名称】《极地研究》
【年(卷),期】2019(031)002
【总页数】3页(P228-230)
【作者】黄文涛
【作者单位】
【正文语种】中文
当地时间2019年2月2 号晚间,南极中山站还是极昼,中国第35 次南极科学考察激光雷达安装项目进行了首次天空测试,于22 时许获得原始回波信号。

至此,安装工作取得重要进展。

自2018年11月2日由上海启程,到2019年2月21日完成第一次业务化观测试验,由分别来自中国极地研究中心(极地中心)、中国科学院武汉物理与数学研究所(物数所)、中国山东省科学院海洋仪器仪表研究所(山仪所)、中国科学院大气物理研究所(大气所)、中国科学院国家空间科学中心(空间中心)的5 名研究人员组成的小组在南极中山站圆满完成了钠荧光多普勒激光雷达的安装和设备调试工作。

该系统是中国首台采用原子滤光器的窄带钠荧光多普勒激光雷达,能在天空晴好、无大片云层遮挡时,全昼夜24 h连续运行,观测中高层大气温度和三维风场,也是南极地区首台具备此种观测能力的系统,标志着中国在南极大气探测研究方面取得了关键性的突破。

图1 激光雷达夜间开机工作照片
1 系统研发背景
中国南极中山站(地理坐标：69.4°S,76.4°E,修正地磁纬度为-74.5°MLAT)白天经过磁层极隙区,晚上处在极盖区,可以观测到丰富的日地能量传输过程的电离层征兆和
极光现象,是开展极区高空大气物理现象研究的理想场所。

中山站所处的独特的极
隙区纬度,地磁场近乎垂直进出,是太阳风深入地球空间的关键通道,对于观测研究太阳风能量注入对地球空间环境的影响、电离层的响应、电离层-大气耦合及其全球
作用具有非常重要的意义。

另外,中高层大气(地球大气的中间层和热层区域)是行星际空间和地球大气的边界和主要耦合区,也是极涡、极光、极地夜光云等极区特殊
大气现象的主要活动高度,作为国际上极区大气观测研究的重点区域,对于地球空间
环境及大气物理过程的探测研究,以及全球气候变化的监测意义重大。

经过30年的努力,中国已经在中山站建立起了完备的空间环境观测体系,包括高频相干散射雷达、成像式宇宙噪声接收机、数字式电离层测高仪、多波段极光CCD 成像系统、感应式和通门式磁力计等观测系统,并和北极黄河站构成独特的位于同一磁力线两端的
共轭观测体系。

但是,中高层大气的观测在中山站还是空白,而在整个南极地区,全昼夜温度和风场的协同观测也是空白。

对于中高层中性大气的探测,利用中层顶区域金属原子层的共振荧光开展激光雷达
探测是当前国际前沿发展方向。

尤其金属原子共振荧光多普勒激光雷达,通过窄带
激光来激发和探测中性金属原子的共振荧光,能够同时探测温度、风场以及金属原
子浓度的高度廓线,能够进行几十小时以上的连续观测,并能够以几分钟/几十米甚至更高的时空分辨率采集原始数据。

该技术从20世纪90年代逐步发展完善起来,为中高层大气的研究,尤其是动力学方面的研究提供了前所未有的数据支撑,有力促进
了人类对全球大气环流体系的认知。

当前,钠荧光多普勒激光雷达的技术最为完善,
利用分布在约75—110 km高度上的中性钠原子层来进行探测。

近年来,中国已先后研究发展至少4 套系统在国内开展相关观测研究,包括正在研发的技术领先的全
固态系统,但是并未能实现全昼夜观测和在极地部署。

研制并在中山站部署全昼夜钠荧光多普勒激光雷达系统,将填补南极以及极隙区中高层大气探测的国际空白,进一步完善中山站的高空大气物理观测体系。

“极区大气钠荧光多普勒激光雷达探测系统”依托中国国家科技部十三五国家重点研发计划“极地环境观测/探测技术与装备研发”项目,由极地中心、物数所、山仪所、大气所和武汉大学共同研发。

2 设备研发情况
极区大气钠荧光多普勒激光雷达探测系统由激光雷达和极区观测舱组成。

激光雷达包括：由半导体种子激光器、原子光谱锁频模块、声光调频模块、Nd：YAG 高能脉冲泵浦激光器、脉冲激光染料放大器和激光分束定向发射模块组成的发射部分;由三台800 mm 口径抛物面主焦点式望远镜、钠原子法拉第滤波及干涉滤光昼夜转换式光学信号接收模块、高量子效率单光探测模块组成的激光雷达信号接收检测部分;由高速数据采集模块、系统时序控制模块和数据采集软件组成的数据采集和系统控制部分;以及数据反演软件部分。

极区观测舱则采用模块化拼装式设计,由5 个标准高箱集装箱改装,极区现场组合拼接,包括精密激光光学设备工作区、可开放式望远镜工作区和热交换区等功能区间。

经过近两年的攻关,于2018年7月在各参研单位分别完成激光雷达各子系统的研发检测工作,并于7月14、15日由中国各地汇集位于北京延庆的空间中心子午工程激光雷达观测站进行整体集成。

经过近两个月的外场试验和比测,9月28日激光雷达圆满通过同行专家组的现场评审,10月15日极区观测舱完成工厂整体拼装测试和验收,适当改进后于26日交付。

3 南极中山站现场实施情况
激光雷达设备和极区观测舱于2018年11月2日搭乘执行中国第35 次南极科学考察的“雪龙”号由上海启程,11月30日抵达南极中山站以北外海,由于冰情恶劣
被迫于44 km 外开展海冰卸货,于12月7日所有设备安全运抵中山站。

激光雷达工作组以及现场工程人员于2018年12月12日开始确定基础方位,开展现场基础施工,于2019年1月16日完成极区观测舱在钢结构基础上的现场拼装,以及供电、望远镜天窗、护栏等外围设备安装。

激光雷达工作组随即开始激光雷达设备的安装调试工作,于2019年1月30日完成所有模块的安装、调试和测试工作,并完成实验室联调,待机进行天空测试。

2019年2月2日,利用短暂的4 个小时晴空条件,激光雷达在极昼条件下进行了首次天空发射试验,并于当地时间22 时许成功获得三个方向的激光雷达回波信号。

随后,在2019年2月9日、14—15日、17—18日和20日,激光雷达工作组进行了多次系统化的天空发射试验和系统优化工作,圆满完成极区大气钠荧光多普勒激光雷达探测系统在南极中山站的安装调试工作。

2019年2月21日,激光雷达系统转入业务化观测运行试验阶段,开始在天气条件允许的情况下进行有效的长期观测活动,标志着中国在南极地区的中高层大气激光雷达探测技术达到了国际领先水平。

截至2019年4月26日,中山站钠荧光多普勒激光雷达探测系统已经累计进行12 次有效观测,积累了大量极区严酷条件下观测运行的重要经验,已获得了近230 h 的高质量观测数据,正在进行和完善数据反演发布的相关工作,并将联合中山站完备的高空大气物理观测体系,协同开展相关的研究工作。

极区大气钠荧光多普勒激光雷达探测系统在中国第35 次南极科学考察期间在中山站成功完成部署并开展业务化观测,填补了中国在极区中高层大气探测领域的空白,也填补了南极极隙区纬度的国际探测空白,未来该系统将进一步扩展为由多部激光雷达系统联合构成的极区大气准全高层探测体系,实现对地球大气各个主要圈层温度和风场廓线的测量,完善中山站由地表到高空涵盖整个大气和空间环境的观监测体系。