云气溶胶激光雷达研制_陈玉宝

Development of the cloud aerosol lidar
Chai xiumei1 Chen yubao1,2 Gaoyuchun1
1. Meteorological Observation Centre, China Meteorological Administration 2. Nanjing University of Information Science & Technology
r
r
从上述的前向积分和后向积分两个式子中可以看出， 若要根据测 量的回波信号反演出大气气溶胶的后向散射系数 a (r ) 或者消光系数
a (r ) ， 必须预先知道 S1 、S 2 、 m (r )（或 m (r ) ） 和参考点的初始值 a (rc )
（或 a (rc ) ）等几个参数。 气溶胶的消光后向散射比
图 4 2013 2 年 12 2 月 11 日 18:16-1 18:35 探测 测的卷云 THI 图 从上图可 可以看出，卷云的 的高度大概 概是在 3.5 5km 处，气 气溶胶的浓 浓度 从地 地面到 2.5km 高度处，逐渐 渐减小，但 但在 2.5-3.5km 范围 围内气溶胶 胶浓 度明 明显增加，并分成了 2 层，每层的厚 厚度约 0.5 5km。同时 时刻的南郊 郊云 底高 高度值为 3.32km，两者相差 差约 200m m，这也证 证明了云气 气溶胶激光 光雷 达云 云底高度探 探测的准 准确性。 把观测时间段内的回波信 信号累加，然后使用 用 Fenald d 方法计算 算得 到大 大气气溶胶 胶的消光 光系数，如 如下图 5 所示： 所
云气溶胶激光雷达研制
陈玉宝 1． 2．
1，2
柴秀梅
1
高玉春
1
中国气象局气象探测中心 北京 南京信息工程大学 南京
100081 210044
摘要：激光雷达是进行大气和环境遥感探测的重要装备之一，随着光 学技术的发展和光学器件的普及， 激光雷达已经逐步在环境和气象行 业业务中使用。本文介绍了一款自主研制的云气溶胶激光雷达，用于 云高和大气气溶胶消光系数的探测，并进行了对比观测实验，取得了 不错的实验效果。
脉冲能量 脉冲宽度 远场发散角 接收子系统 接收视场角 干涉滤光片带宽 光电倍增管量子效率 光子计数卡 望远镜孔径 2.2
6 uJ 10 ns 1.0 mrad
2.5 mrad 10 nm 0.1 800MHz 202 mm
[9][10][11]
基于 Fenald 方法的气溶胶消光系数算法
当激光在大气中传输时， 要受到大气分子和气溶胶粒子两部分的 共同作用。因此激光雷达方程（1）中的大气后向散射系数 (r ) 和消 光系数 (r ) 实际都包括两部分，即分子贡献的部分和气溶胶贡献的部 分：
图 5 20 013 年 12 月 11 日 18:16-18 8:35 大气气溶胶消 消光系数 由于雷达 达没有做 做距离折叠 叠校正
[12][13 3]
， 我们只 只考虑 0.3 3-4km 范围 围内
的信 信号，在图 28 中， ，右图是激 激光大气的回波信 信号，左图 图是反演得 得到 的气 气溶胶消光 光系数，可 可以看出 来，右图大气气溶 溶胶的消光 光系数从地 地面 到 2.4km 左右 右的高度逐渐减小 小，但是在 在 2.4-3.5 5km 内迅速 速增大，并 并且 为了 2 层， 在 3.5km m 处的云的 的消光系数要明显 显大于低空 空的气溶胶 胶消 分为 光系 系数，已经 经超出了右 右图 X 轴 轴的显示范 范围。右图 图气溶胶消 消光系数的 的特 征与 与左图大气 气回波信 信号的特征 征及图 4 回波信号强 回 强度 THI 图 图的特征是 是一 致的 的。 4． 总结 一台云气 气溶胶激光 光雷达，使 使用 Fenal ld 方法反 反演得到了 了消 研制了一 光系 系数，并在 在中国气象局南区 区 19 楼的实验室进 进行了云和 和气溶胶消 消光 系数 数的观测，2013 年 12 月 1 1 日 18:1 16-18:35 观测到了 了天空中的 的卷 云， ，卷云的云底高度 度与南郊观 观象台观测 测云底高度 度差值约 200m，这 这个 观测 测结果说明了云气溶胶激光 光雷达的光 光路设计是 是合适的， ， 探测数据 据是
r
B．
rc
以上高度的气溶胶消光系数为（前向积分） ：
S1 m (r ) S2 S P (r )r exp[2( 1 1) m (r )dr ] S2 rc
2 r
a (r )
P (rc )rc 2 S 2 P(r )r 2 exp[2( 1 1) m (r ' )dr ' ]dr S S2 rc a (rc ) 1 m (rc ) rc S2 （9）
（1）Leabharlann P0：激光的发射功率； ：单个脉冲的持续时间；
Ar：望远镜的有效接收面积；
( r ) ：距离 r 处大气的后向散射系数；
T (r ) ：大气透过率；
T ( r ) exp[ (r ' )dr ' ]
0 r
式中
，它表明了激光在传输过程中受到大气
分子和气溶胶粒子的衰减程度， 其中 ( r ) 为距离 r 处大气的消光系数。 根据测得的回波信号强度可以利用特定的反演方法求出未知因素
r
r
（6）
选定参考位置
rc （即为标定高度） r ，假设已知 c 处对应的后向散
r
射系数为 (rc ) ，将这对初值带入（6）中可得：
a (r ) m (r )
P(r )r 2 exp[2( S1 S2 ) m (r )dr ]
rc
P(rc )rc 2S1 P(r )r 2 exp[2( S1 S2 ) m (r ' )dr ' ]dr (rc ) rc rc
。
以上各式带入方程（4）中，并经过一系列的运算可得：
P (r )r 2 exp[2( S1 S 2 ) m (r )dr ]
0 r
(r )
1 P0 c Ar 2 S1 {P (r )r 2 exp[2( S1 S 2 ) m (r ' )dr ' ]}dr 2 0 0
S1 a ( r ) / a ( r )
，它依赖于发射的激
光波长、气溶胶的尺度谱分布和折射指数，其取值范围一般在 10Sr 到 100Sr 之间变化。对于背景期的平流层和对流层气溶胶，可以假设
S 1 =50，这意味着气溶胶粒子的尺度谱和化学组成不随高度变化，其
散射特性的变化仅仅是由于其数密度随高度发生了改变。 分子的消光 后向散射比是一个常数，且
S 2 m (r ) / m (r ) 8 / 3
。
利用上述原理， 使用激光雷达测风时得到的光子计数通道数据就 可以反演得到气溶胶消光系数廓线。 3． 实验结果分析 2013 年 12 月 11 日，云气溶胶激光雷达在中国气象局南区 19 号 楼的 5 楼实验室进行了观测，观测时的仰角是 40 度，把探测距离转 换成垂直高度之后，可以看到雷达探测的卷云 THI 图如下：
(r ) 或 (r ) ， 从而得到气溶胶的消光系数或后向散射系数随高度的分
布情况。 2.1 云气溶胶激光雷达系统组成 云气溶胶激光雷达系统主要是由激光发射系统，光学接收系统， 数据采集系统三大部分组成，如图 2 和 3 所示。
图 2 云气溶胶 胶激光雷达 达系统示意图
胶激光雷达 达系统实物 物图 图 3 云气溶胶 云气 气溶胶激光 光雷达系统各部分 分主要性能 能指标如表 表 1 所示： 溶胶激光雷 雷达系统性 性能指标 表 1 云气溶 子系统 发射子 波长 重复频 频率 532 5 nm 5 KHz
r
（4）
对于分子（Rayleigh 散射） ，后向散射系数 m (r ) 和消光系数 m (r ) 之间满足以下关系：
m (r ) 8 m (r ) 3
（5）
令：气溶胶的消光后向散射比为： 向消光散射比为：
S1 a (r ) / a (r ) ，分子的后
S 2 m (r ) / m (r )
1．
引言 达是实时 时监测云高 高和大气气 气溶胶空间 间分布的一 一种十分有 有 激光雷达
效的 的手段，在 在环境和大气探测 测方面受到 到广泛的重 重视，并在 在地基、机 机载 和星 星载大气探 探测领域 域迅速发展 展
[1-5]
。如Ｃ ＣＡＬＩＰＳＯ卫星 星就是利 利用
激光 光雷达遥感 感的原理 理对大气进 进行测量， 气气溶胶和 和云的详细 细信 获取大气 息。 。 底-2014年 年初， 课题 题组自主研 研制了一台 台云气溶胶 胶激光雷达， 2013年底 并在 在中国气象 象局的光 光学实验室 室进行了云 云和气溶胶 胶的观测实 实验， 激光 光发 射的 的仰角为4 40度， 并将 将探测数据 据与南郊 郊观象台业 业务使用的 的云高仪进 进行 了对 对比分析。 2． 溶胶激光雷 雷达介绍 云气溶 课题组研 研制的云 云气溶胶激 激光雷达是 是以脉冲激 激光器作为 为光源， 向大 向 气中 中发射窄脉 脉冲激光 光束，当激 激光照射气 气溶胶时产 产生散射现 现象，利用 用光 学望 望远镜收集 集散射的回波信号 号，然后进 进行光电转 转换后成为 为电信号，送 入计 计算机进行 行数据处 处理，从而 而获得云和 和气溶胶的 的分布特征 征，原理图 图如 图 1 所示。
2
r
r
（7）
把（5）式代入就可得到消光系数。 A．
rc
以下高度的气溶胶消光系数为（后向积分） ：
S1 m (r ) S2 P (r )r 2 exp[2(
r