激光雷达测量大气温度的傅里叶分析方法

    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