昼夜定量测量气溶胶和云的高光谱分辨率激光雷达研究

对流层大气气溶胶和云是影响全球大气辐射收支平衡和气候变化最重要的两个影响因子，但由于缺乏测量手段，对其具体作用的科学认识水平却很低。激光雷达由于具备很高的时间与空间分辨率，因此成为现今探测对流层气溶胶和云最为有效的主动测量工具。然而传统的米散射激光雷达由于在数据反演过程中需要引入假设条件，因此很难定量测量气溶胶和云的光学特征。本项目拟采用碘吸收高光谱分辨率激光雷达直接测量空气分子的瑞利散射光和大气总散射光的垂直与平行分量，定量获取气溶胶和云粒子光学参数的垂直廓线。并且不同于拉曼激光雷达，该激光雷达的探测性能受白天背景光的影响较小，可对气溶胶和云粒子进行昼夜连续观测。利用该激光雷达测量数据，不但可以得到对流层气溶胶与云粒子光学参数的时空分布特征，而且其定量测量结果还可用于区分气溶胶和云粒子及它们各自的种类。这些对于分析和估计对流层气溶胶和云对全球大气辐射和气候变化的影响都具有十分重要的意义。

对流层大气气溶胶和云是影响全球大气辐射收支平衡和气候变化最重要的两个影响因子，但由于缺乏测量手段对其科学认识水平却很低。激光雷达作为一种新型主动遥感设备，已经成为现今探测大气气溶胶和云最为有效的测量工具。然而传统的米散射激光雷达在数据反演中需要引入假设条件，因此无法定量获取大气气溶胶和云的光学特性。拉曼激光雷达可以通过同时测量气溶胶和云的米散射信号以及氮气分子的拉曼散射信号实现对它们的定量测量，但由于氮气拉曼散射信号非常微弱，易受白天背景光辐射影响，因此仅用于夜晚观测。高光谱分辨率激光雷达通过分开探测大气气溶胶和云的米散射信号与空气分子的瑞利散射信号，从而达到定量测量的目的。相对于氮气拉曼散射信号，空气分子的瑞利散射信号较强，因此高光谱分辨率激光雷达可进行白天观测。有鉴于此，高光谱分辨率激光雷达探测技术已成为当前大气气溶胶和云研究领域的最新研究方向。. 本项目研制的高光谱分辨率激光雷达采用窄线宽激光和碘吸收滤光技术实现大气气溶胶和云米散射信号与空气分子瑞利散射信号分别探测。激光雷达出射光源采用种子光注入Nd:YAG二倍频532nm脉冲激光，其波长线宽小于90MHz。激光发射单元利用声光调制器和长度100mm碘吸收滤光器组成的出射激光稳频装置确保出射激光中心频率稳定在碘吸收滤光器的吸收峰附近。激光雷达后继光学单元包含两个探测通道，其一为综合通道，利用带宽为0.3nm(300GHz)的干涉滤光片滤除天空背景光，用于测量米散射和瑞利散射综合光；其二为分子通道，利用200mm长度的碘吸收滤光器，带宽为1.8pm (1.8GHz)左右，吸收米散射光和部分瑞利散射光，用于探测透过的瑞利散射光。上述两个通道实测信号经过系统标定和反演算法便可以得到大气气溶胶和云粒子的米散射信号与空气分子瑞利散射信号，并进一步得到气溶胶和云粒子的消光系数、后向散射系数和消光后向散射比等光学参数。试验结果显示：该激光雷达系统可以实现1km高度以上对流层大气气溶胶和云粒子的昼夜定量观测。除此之外，该激光雷达还配备偏振测量通道和水汽测量通道，用于同时获取反映气溶胶和云粒子形状特征的退偏振比，以及反演大气中水汽分布的水汽混合比。借助这些数据将有助于对大气气溶胶和云粒子的种类以及它们和水汽间的相互影响进行详细研究。