紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达全天时精细探测气溶胶技术与实验研究

With the requirement of accurate measurement of aerosol optical properties during daytime and the development bottleneck of the single frequency high-spectral-resolution-lidar, a novel high-spectral-resolution-lidar technique based on the multi-mode pulse laser has been proposed. In order to realize the accurate measurements of aerosol extinction, backscatter coefficients and lidar ratio, the multi-mode high-spectral-resolution-lidar is designed, which select the ultraviolet output of the Nd:YAG pulse laser with 355 nm as the exciting wavelength, utilize the optics filter combined with algorithm filtering to block the solar background, design and optimize the tunable Mach-Zehnder interferometer to separate the Mie scattering and Rayleigh scattering signal excited by the multi-mode pulse laser. The research is focused on the principle of multi-mode high-spectral-resolution-lidar, the fine separation and extraction of Mie scattering and Rayleigh scattering signal excited by multi-mode pulse laser using the tunable Mach-zehnder interferometer, the retrieval and calibration method of aerosol optical variables using multi-mode high-spectral-resolution-lidar, and the daytime experimental observation and experimental comparison with other remote sensing tools. The ultimate goal is to establish a novel theory for aerosol remote sensing using the multi-mode high-spectral-resolution-lidar and to realize the accuracy measurement of aerosol optical properties.

针对气溶胶的全天时精细探测需求以及现有单纵模高光谱分辨率激光雷达的应用瓶颈问题，提出基于多纵模激光的新型高光谱分辨率激光雷达探测体制。项目选用紫外域多纵模激光为激励光源，借鉴单纵模高光谱分辨率激光雷达的气溶胶探测原理，采用光学抑制与算法滤噪相结合的方法抑制太阳背景光，利用可调谐马赫-泽德干涉仪双通道输出的互补性，综合利用并分离提取多纵模激光传输下的米散射和瑞利散射信号，以提供更高信噪比实现全天时气溶胶光学参量的精细探测。重点研究多纵模高光谱分辨率激光雷达探测原理与方法、可调谐马赫-泽德干涉仪的多纵模激光气溶胶米散射和大气分子瑞利散射精细分离提取、多纵模高光谱分辨率激光雷达的气溶胶数据反演与修正以及紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达的系统构建与全天时实验观测和实验比对，以期构建多纵模高光谱分辨率激光雷达的气溶胶探测新理论和新技术，为分析区域环境和气候变化提供新型大气颗粒物的精细探测与监测手段。

为实现气溶胶光学特性的精细探测需求，提出一种新型的多纵模高光谱分辨率激光雷达的技术和方法。该方法选用自由运转的多纵模脉冲激光作为激励光源，设计应用具有周期性透过率函数的马赫-泽德干涉仪作为光谱鉴别器，精细分离提取多纵模脉冲激光激励的气溶胶米散射信号和大气分子瑞利散射信号，从而实现气溶胶光学特性的精确反演。项目主要开展了四个方面的研究，并取得了一定的研究成果，包括：（1）多纵模高光谱分辨率激光雷达的理论基础研究。针对多纵模激光脉冲及其回波光谱具有的周期特性和准单色特性，引入复相干度的概念研究光谱滤波器的选取、设计原则、最优化设计以及有效透过率计算新方法等基础理论。（2）光谱鉴别器马赫-泽德干涉仪的分析、设计与实现。提出马赫-泽德干涉仪的设计原则：①光程差等于激光器谐振腔长的两倍；②光程差等于激光波长的整数倍。深入分析光程差匹配误差、激光频率抖动、光束质量、实验环境等对马赫-泽德干涉仪分光性能的影响，提出光程差调谐、光束准直、视场展宽等技术，并应用到马赫-泽德干涉仪光学实验系统的搭建中，仿真并实验测量了干涉仪的复相干度值。（3）气溶胶光学参量反演算法与反演误差分析：构建米散射通道和瑞利散射通道的激光雷达方程组，提出基于复相干度的气溶胶光学参量反演新算法，并从系统误差和随机误差两个方面对气溶胶的后向散射系数和光学厚度的反演误差进行分析和仿真。仿真结果表明，反演算法正确，反演误差可控。（4）激光雷达实验系统构建及气溶胶实验观测研究：利用现有实验仪器设备及设计的大光程差马赫-泽德干涉仪，搭建多纵模高光谱分辨率激光雷达系统，开展大气气溶胶的初步实验观测研究，观测结果能够很好地反映气溶胶的时空变化。本项目主要是从技术角度对多纵模高光谱分辨率激光雷达的气溶胶探测方法进行阐述，以丰富气溶胶的激光雷达探测理论，为分析区域环境和气候变化提供新型的大气颗粒物精细探测与监测手段。