大气后向散射比对风速测量的影响

　　小型化风速测量激光雷达可以测量三维风场的垂直剖面,有助于气象系统动力学、数值天气预报方法的研究和改进。自20世纪90年代以来,随着激光技术、光电技术的发展,非相干、短波长多普勒激光雷达风速测量系统受到越来越多的重视,它们大多是通过单独检测大气中的分子或气溶胶的后向散射光谱的多普勒频移来反演出径向风速的。例如,法国的国家科学研究中心(CNRS)研制了基于测量Rayleigh散射信号的非相干多普勒激光风速测量系统,系统工作波长为532 nm,采用双Fabry-Perot干涉仪来测量Rayleigh散射的频率偏移,获得了高度为25~60 km的高空风速[1];美国航天中心采用Nd:YAG激光器的波长1 064 nm激光探测气溶胶散射,用波长355 nm激光探测分子散射,使用双边缘检测技术进行35 km以下的风速反演[2]。由于大气Rayleigh散射和Mie散射是同时存在的,故需要在接收光路中抑制Rayleigh(Mie)散射信号以分离出Mie(Rayleigh)散射信号。中国海洋大学刘智深教授研制的一种新型的使用碘分子滤波器作为鉴频器的非相干脉冲激光雷达测速系统,其测速的标准偏差为0.56 m·s-1,测距精度为3.75 m[3]。本文采用同时测量Rayleigh和Mie散射信号的方法,利用碘分子滤波器作为多普勒频移检测器件的单边缘技术[4],采用种子注入的Nd:YAG激光器,波长532 nm,重复频率10 Hz,光谱宽度100 MHz,距离分辨率为75 m,测量误差控制在1 m/s内。

     1　测量原理

　　利用碘分子滤波器作为频率检测器件的单边缘测量原理[5]如图1所示,相对频率指相对于出射频率的偏移。我们选用的分子碘的相对原子质量为126.7,其在可见区域有2000多根吸收线,在532 nm附近,即从18 786~18 789 cm-1有8根主要的多普勒展宽线,其吸收线系数为1 104~1112[6]。图中采用碘指温度为338 K的1 109吸收线,温度浮动控制在±0.01 K,以满足风速测量的精度。激光发射频率控制在1 109线高波数边缘的中部,光与大气分子和气溶胶粒子相互作用形成光散射过程。图中后向散射光谱线中上部较尖锐的部分为慢速运动气溶胶引起的没有展开的Mie散射,下部较平缓的部分为由于多普勒效应展开的大气分子引起的Rayleigh散射。其中实光谱线为风速等于零的大气后向散射光谱,虚光谱线为由于大气风速影响产生多普勒频移的大气后向散射光谱。由于碘分子滤波器具有陡峭、线性的光谱响应,很小的光频率变化就可转换为明显的光强度变化,因此只要探测到光强度变化的大小,就可以得到多普勒频移,从而反演出大气风速。

　　从图1中可见大气后向散射光谱由大气分子产生的Rayleigh散射光谱和气溶胶产生的Mie散射光谱两部分组成。大气气溶胶是指悬浮在大气中的各种固态或液态微粒,如烟灰、尘埃等,其半径一般在10-3~102μm之间,随时间、地点和高度变化很大。云层、气溶胶通过反射入射到地球表面的太阳光辐射和锁存从地球表面出射的长波辐射以达到影响地球与太阳之间辐射平衡的效果。