摘 要: 在对流层(小于12km),由于大气中气溶胶的存在,传统的利用大气中瑞利散射光谱测量大气温度的方法具有一定的局限性。借助傅里叶分析方法对不同高度的大气后向散射光谱通过碘吸收池所产生的不同透过率曲线进行处理,同时考虑了对流层中气溶胶的影响,可得到对流层中不同高度、不同大气后向散射比条件下的温度轮廓线。
激光可遥测大气温度、湿度和气压等常规气象要素轮廓线，从而丰富了常规探空观测资料。由于激光探测可获取同一时刻大气温度轮廓线，并能频繁地获得它们随时间的演变，因而能满足大气物理的研究和某些实际应用的需要。早在1971年，Strauch}`}等利用脉冲激光雷达，采用转动拉曼散射理论，探测了30. 5m高处大气氮分子的拉曼后向散射光子数的变化，从而获得大气温度的变化。Fiocco等人证明，在激光雷达中利用Fabry-Perot干涉仪滤除大气散射中气溶胶散射来获得大气温度等参量是可行的。但是在利用激光雷达对对流大气温度测量时，使用Michelson干涉仪或Fabry-Pert干涉滤波器滤波的缺点是:光路的调整及对准十分困难，并且这种滤波器不能够充分地滤除气溶胶产生的米散射Czl。
Wisconsin UNIversity利用高光谱分辨率激光雷达}'} (HSRL)采用碘吸收滤波器对大气温度进行了测量。它利用了大气的瑞利散射信号，由于瑞利散射与大气温度有关，不同大气温度时的回波信号多普勒展宽不同，通过探测透过碘分子滤波器后的信号，可得大气温度。研究表明，在30km以下的高度，难以精确测量，其原因主要是由于低空气溶胶的存在，还应该考虑气溶胶产生的米散射，采用瑞利散射测量大气温度的方法在低空不适应。本文具体采用种子注入的脉冲激光垂直人射大气，选用碘分子1 109吸收线作为边缘滤波器，通过检测碘分子透射率变化得到大气后向散射光谱与碘分子吸收谱线的卷积曲线，利用傅里叶分析方法从卷积曲线反演不同高度下大气后向散射光谱，并同时考虑了在低空情况下不同含量气溶胶的影响，然后利用最小二乘法原理得到与反演的谱线最接近的理论谱线，进而得到大气温度。
1 测量原理
大气回波满足激光雷达方程
式中:P为探测器接收到的光信号能量;z为探测距离;Or为距离分辨率;K为系统常数;Oa和6 ,分别为大气气溶胶和大气分子的体积消光系数;月( z)为大气后向散射系数，定义为大气分子后向散射系数风(z)与大气气溶胶后向散射系数风(z)之和，即
由此可知，大气后向散射光主要由大气分子的瑞利散射和大气中气溶胶粒子的米散射贡献而成，仅考虑瑞利散射，即假设大气中不含气溶胶粒子，则大气回波可以简化成为高斯模型
式中:为激光发射频率;pvW为瑞利光谱的半高全宽(FWHH);m为分子质量;k为玻耳兹曼常数;。为瑞利散射光谱频率;T为大气温度;。为光速。
由此可知,在纯净大气中只要得到瑞利光谱的FWHH,即可得到对应的大气温度。但在低空中,上述方法的局限性很大。由于气溶胶粒子的存在,将导致大气后向散射比(R)发生变化,R[6]一般定义为55
利用大气分子和气溶胶散射比,可以模拟计算得到瑞利散射和气溶胶散射的混合信号[7]。图1为模拟得到的温度T=268K,Rb=8时的大气后向散射光谱曲线。由于大气中气溶胶粒子的存在,使得此时的大气回波曲线与该温度下的瑞利散射曲线在光谱分布上有很大的差异,原有的通过直接测量瑞利光谱的FWHH,即可得到对应的大气温度T的方法已经不再适用。因此我们考虑用激光雷达得到的检测信号反演出实际的大气后向散射光谱,然后把实际曲线与理论曲线通过最小均方差拟合来得到当时条件下的大气温度值。
问题的关键是怎样从检测信号中无失真地反演出实际的大气后向散射光谱。我们首先考虑选用原子(分子)滤波器作为大气后向散射光谱信号的检测手段。它是20世纪80年代末发展成熟的一类超窄带(约为0·001nm)共振滤波器,具有超窄带、高灵敏度和对背景噪声高抑制的特性。该类滤波器利用的是原子或分子固有的光谱吸收特性,光谱吸收线的峰值位置是固定不变的,吸收线的宽度由原子或分子蒸汽压力和温度确定。只要将滤波器置于恒温恒压环境中,则吸收线可作为频率的绝对标准。本系统中采用碘分子滤波器作为频率的绝对标准。分子碘在激光出射频率532nm附近,即18 786~18 789cm-1有8根主要的多普勒吸收线,其吸收线系数为1 104~1 112,文中使用127I2中1 109吸收线作为激光器和回波信号的频率标准[8]。
图2是利用文献[8]得到的碘滤波器1 109吸收线在65℃时的光谱曲线。可以看到在此温度下,其透射率边缘的斜率很大,小的频率变化将引起大的透射率变化,碘分子吸收线的光谱宽度约为3GHz。若使激光出射频率扫描1 109吸收线,则不同高度、不同温度的大气后向散射光通过碘吸收池后,将产生不同的透过率强度,以此来达到检测温度的目的。所谓测量相对透射率即把大气后向散射光分成两部分,一路由探测器直接测量,另一路通过碘滤波器后被探测器接收,由两路比值即可得到相对透射率。
设h(ν)为大气后向散射能量(归一化)的频谱分布,f(ν)为碘分子滤波器的频谱响应曲线,则后向散射光通过碘滤波器后的频谱响应函数为[9]
通过碘分子滤波器的回波信号可表示为
式中:νA为激光出射频率;ΔνD为多普勒展宽频率;下标2表示差分接收光路中含有碘分子滤波器的一路;γ2为光电倍增管的增益;η2为探测器的量子效率与有关光学元件效率(不包括碘分子滤波器)的乘积;ρ2为分光比;P0为进入差分电路中的总的光信号能量。直接被探测器接收到的信号为
标1为差分接收光路中不含碘分子滤波器的一路。两路信号之比为
式中:C为常数,由系统校正确定。通过测量R(νA+ΔνD),并由(6)式即可认为R(νA+ΔνD)是大气后向散射光谱与碘滤波器频谱响应曲线的卷积。
2 理论模拟
我们考虑用傅里叶光学分析方法对卷积曲线进行相应的运算、处理,得到当时的大气后向散射光谱曲线。利用图1、图2的系统参数可模拟得到R(νA+ΔνD),图3(a)表示温度T相同,Rb不同的后向散射光通过碘分子滤波器的卷积曲线,图3(b)表示卷积曲线在时域中进行退卷积的结果。
运用傅里叶变换对频域进行分析,(6)式可以改写为
式中:T,H,F分别为(6)式中t,h,f的傅里叶变换函数。因此从频域的观点出发,前面所推导的直接退卷积的方法,可以运用频谱函数相除求出H(fν),然后通过傅里叶逆变换求出h(ν)。图4(a)~(c)分别为T=260K,Rb=1时碘吸收线、大气回波及卷积曲线的频谱分析。
由以上讨论可知,在实际测量中,利用可调谐的脉冲倍频Nd:YAG激光器作垂直方向上的频率扫描,取样频率为125MHz,得到不同高度不同温度下的大气后向散射光谱与碘分子吸收线的响应曲线,利用傅里叶光学分析方法即可得到相应的大气后向散射光谱。在此方法中,探测灵敏度可以定义为单位温度变化所引起的透射率变化,因此,利用碘分子吸收滤波器探测大气垂直高度温度的灵敏度[10]为
式中:R(ν,T)为同一扫描频率不同温度下的大气后向散射曲线与碘分子的卷积曲线;Fa(ν,T), Fm(ν,T)分别为大气中气溶胶、分子与碘分子吸收线的卷积曲线。设ν0为碘分子1 109吸收线的中心频率。图5(a)表示激光出射频率ν比中心频率ν0低1GHz的测温灵敏度;图5(b)表示激光出射频率ν比中心频率ν0高1GHz的测温灵敏度,从图中可以看出随着Rb的增大灵敏度在降低。
综上所述,无论从频谱域还是从时域分析,都可得到大气后向散射光谱信息,然后把实测大气后向散射曲线与理论模拟的大气后向散射光谱通过最小均方差拟合比较,得到此时的大气温度和大气后向散射比。
3 结 论
本文报道了利用碘分子滤波器的激光雷达测量大气温度的傅里叶光学分析方法,对测量原理给予了祥细的说明和分析。该系统采用碘分子滤波器作为多普勒频率展宽鉴频器,激光频率扫描碘吸收线,利用傅里叶分析方法求得大气后向散射光谱曲线。如想进一步提高测量精度,可采用光子计数技术。这种激光雷达系统使用的是固体激光器,体积小,功耗低,便于集成化。发展高分辨激光测温系统,有利于气象和环境的研究。
参考文献:
[1] Strauch R G, Derr V E, Cupp R E. Atmospheric temperature measurement using Raman backscatter[J].Appl Opt, 1971,10(12): 2665—2669.
[2] Hair J W, Caldwell L M, Krueger D A, et al. High-spectral-resolution lidar with iodine-vapor filters: measurement of atmospheric-state and aerosolprofiles[J].Appl Opt, 2001,40(30): 20.
[3] Piironen P, Eloranta E W. Demonstration of a high-spectral-resolution lidar based on an iodine absorption filter[J].Optics Letters, 1994,19(3):1.
[4] 孙景群.激光大气探测[M].北京:科学出版社,1986.(Sun J Q. Atmosphere detecting by lidar. Beijing: Science Press, 1986)
[5] Measures R M. Laser remote sensing fundamentals and applications[M]. New York: A Wiley-Interscience Publication, John Wiley and Sons,1984.
[6] Liu Z S, Wu D, Liu J T,et al. Low-altitude atmospheric wind measurement from the combined Mie and Rayleigh backscattering by Doppler lidarwith an iodine filter[J].Appl Opt, 2002,41(33): 7079—7086.
[7] Alvarez R J, Caldwell L M, Y HLi, et al. High spectral resolution lidar measurement of tropospheric backscatter ratio using barium atomic blockingfilters[J].Jof Atmospheric and Oceanic Technology, 1990,7(6): 876.
[8] Gerstenkorn S,Luc P. Atlas du spectre d’absorption de la molecule lode[M]. Laboratoire Aime Cottou, Orsay France 1980.
[9] Korb C L, Gentry B M, Li S X.Edge technique Doppler lidar wind measurements with high vertical resolution[J].Appl Opt, 1997,36: 5976.
[10] 陈卫标,张亭禄,吴东,等.原子廓线激光多普勒测速仪[J].光学学报, 1997,17: 346—350.(Chen W B, Zhang T L,Wu D, et al. Atomicoutline for laser Doppler velocimetry[J].Acta Optica Sinica, 1997,17: 346—350)
本文作者：王 刚,王仕
