西安理工大学研发全天时大气温度探测激光雷达进展

封面文章|高飞,黄波,石冬晨,朱青松,张锐,汪丽,李仕春,华灯鑫. 全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统设计与仿真[J]. 光学学报, 2019, 39(3): 0301004

近来引起巨大关注的电影《流浪地球》中,设置了一个气候发生巨大改变之后已经濒临崩坏的极端严酷的气候环境。在很多地区频繁出现的恶劣天气中,这样的末日景象,也许不仅仅是一种想象。2019年初,美国中西部地区迎来了史无前例的极寒天气,部分州甚至气温低至-52℃,场面堪比灾难大片。美国极寒、欧洲高温、特大洪水……寻找“元凶”,世界气象组织将矛头指向了气候变化。


1 芝加哥的渡轮生生走成了破冰船

大气温度作为重要的气象参量,开展大气温度的高时空分辨率实时探测,进而深入研究大气科学以及全球变暖与极端天气的关联性等具有非常重要的意义。

大气温度的激光遥感探测技术主要包含瑞利高光谱分辨率激光雷达技术和纯转动拉曼激光雷达技术。瑞利高光谱分辨率激光雷达技术对系统的光学稳定性要求较高;纯转动拉曼激光雷达利用激光与大气分子激励的纯转动拉曼散射高低量子数谱线的温度敏感性原理来反演得到大气温度,是大气温度廓线的重要遥感探测工具。然而,在白天探测中,微弱的纯转动拉曼散射信号会湮没在强烈的太阳背景光中,给大气温度的全天时探测带来较大的困难。

西安理工大学激光雷达团队在华灯鑫教授的带领下,提出一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统。该系统选用Nd:YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励波长,从而使得发射光谱及其激励的纯转动拉曼光谱(图2)全部位于日盲紫外波段内,避开了强烈的太阳背景光对系统探测的影响(图3)。

 
图2 日盲紫外光266.0nm激励下的纯转动拉曼光谱    图3 太阳辐射光谱强度图

为分离提取对大气温度具有不同依赖特性的高低量子数通道的日盲紫外纯转动拉曼光谱,该团队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,如图4。系统采用一个二次衍射式光栅光谱仪作为一级分光结构和一个一次衍射式光栅光谱仪作为二级分光结构。光学仿真表明,双光栅多色仪可实现Anti-Stokes与Stokes高低量子数转动拉曼谱线的有效提取分离。


4 三次衍射式双光栅多色仪

图5为对流层常见三种温度对(225K,220K)(250K,245K)(275K,270K)下Anti-Stokes分支以及Stokes分支的相对温度探测不确定度。图示表明,相对温度探测不确定度最小的位置(ΔT=1.0,蓝色中心小白框)所对应的最佳波长是随着温度变化而变化的。为降低相对温度的测量不确定度,提高系统的信噪比和反演精度,系统选择J_High=18(λ=265.016 nm)与J_Low=7(λ=265.634 nm)为Anti-Stokes分支高低量子数通道的中心波长,选择J_High=16(λ=266.984 nm)与J_Low=5(λ=266.366 nm)分别为Stokes分支高低量子数通道的中心波长。


5 不同温度对下相对温度测量不确定度

激光雷达系统仿真结果表明,在充分考虑臭氧吸收和荧光对系统探测性能的影响下,设计的日盲紫外域纯转动拉曼激光雷达采用模拟探测模式可在12分钟的积分时间内实现2.2km高度范围内大气温度的全天时探测,对气候的监测具有重要的意义。