CN101004453B - 一种气象与大气环境参数的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种气象与大气环境参数的测定方法，利用激光雷达测定系统将大气的后向散射光接收下来，经分光成为该激光雷达所需的各种光信号，再经光电检测后，根据设定的程序进行数据的分析处理，从而实现大气温度、水蒸气密度垂直分布的气象参数测量，以及大气气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度和非球形粒子后向散射光的退偏振比垂直分布的大气环境参数的测量。

Description

一种气象与大气环境参数的测定方法

技术领域

本发明属于气象与环境监测技术领域，涉及一种气象与大气环境参数的测定方法，特别涉及利用紫外波长激光雷达系统进行气象和大气环境观测，来测定其参数的方法。

背景技术

在大气环境研究领域中，大气温度、水蒸气密度和大气成分等是进行大气研究的重要参数，比如：大气温度、水蒸气密度或相对湿度，以及大气气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度及大气能见度、非球形粒子后向散射光的退偏振比等。

在大气参数遥感探测中，大气温度，湿度及气溶胶是相互依存性很高的三个大气参数，比如：影响降雨。降水的相对湿度分布的导出，需要同时测量大气温度数值，而大气温度分布又影响气溶胶的聚集、输送，气溶胶又影响云的形成等等。虽然各参数的单独数据反演技术目前已比较成熟，但利用一个激光雷达系统同时测量数个参数的实用技术还在研究中。本文提出一种利用数个不同性质的大气回波的测量信号，来同时获得温度，水汽密度(相对湿度)，气溶胶等气象及大气环境参数的反演技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种气象与大气环境参数的测定方法，来进行大气温度、水蒸气密度(相对湿度)垂直分布等气象参数测量，以及大气气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度和非球形粒子后向散射光的退偏振比的垂直分布等大气环境参数的测量，而且能同时得到气象和大气环境的参数。

本发明所采用的技术方案是，一种气象与大气环境参数的测定方法，将大气中激光脉冲与大气分子、粒子相互作用后产生的后向散射光接收下来，经分光成为该激光雷达所需的各种光信号，再经光电转换后送入计算机，根据设定的程序进行数据的分析处理，从而实现大气温度、水蒸气密度垂直分布的气象参数测量，以及大气气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度和非球形粒子后向散射光的退偏振比垂直分布的大气环境参数的测量，具体包括以下步骤：

a.向大气中发射脉冲激光束；

b.接收上述脉冲激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光；

c.对上述大气后向散射光进行分光，将后向散射光中的转动拉曼谱线、水汽分子的振动拉曼谱线与米-瑞利散射谱线和太阳背景光进行分离，分别得到2个转动拉曼信号，用于温度测量，得到的水蒸气振动拉曼信号，用于水蒸气密度测量，得到的米-瑞利散射信号，用于大气气溶胶光学特性的测量，得到的大气后向散射光信号的偏振特性，即与激光发射频率相同的散射信号的平行与垂直偏振分量，用于大气中非球形气溶胶形态的测量；

d.将上述分离后的各种散射光信号变为电信号接收；

e.将上述处理后的各种信号按照设定的程序分别进行处理，最终得到大气温度、水蒸气密度的垂直分布，以及大气气溶胶消光系数的垂直分布和大气气溶胶光学厚度和非球形气溶胶粒子的后向散射光的退偏振比.

本发明的气象及大气环境参数反演方法主要利用转动拉曼信号反演大气温度；利用水汽振动拉曼信号结合其中一个转动拉曼信号来消除大气透过率的影响，从而实现水蒸气密度的探测；探测到的温度以及水汽密度可以反演相对湿度的垂直分布；利用米-瑞利散射信号高精度反演大气消光系数，从而求得大气气溶胶消光系数、后向散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度等；利用探测到的2个偏振方向垂直的回波信号，反演非球形粒子后向散射光的退偏振比的垂直分布，从而判明非球形矿物质气溶胶及酸性球形城市气溶胶等大气环境参数的分布。所以本发明的有益效果是实现了一套系统同时进行气象参数和大气环境观测的数据反演。

附图说明

图1是实现本发明方法的激光雷达系统结构原理图；

图2是实现本发明的分光与光电检测步骤的一装置实施例；

图3是一种分光系统中边缘反射镜位置的确定示意图；

图4为本发明的数据分析处理总流程；

图5为大气温度的数据分析与处理流程；

图6为气溶胶的数据分析与处理流程；

图7为非球形粒子的数据分析与处理流程；

图8为水蒸气的数据分析与处理流程；

图9为用本发明方法求得的大气温度分布实施例；

图10为用本发明方法求得的水汽密度分布实施例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

激光遥感的基础是光辐射与大气中的原子、分子以及气溶胶粒子之间相互作用所产生的各种物理过程。各种散射机理中，米散射(Mie scattering)是一种散射谱的中心波长与入射激光波长相同，散射谱的谱宽近似于入射激光谱宽的弹性散射，它是由粒径相当或大于激光波长的气溶胶粒子引起的散射；瑞利散射(Rayleigh scattering)也是一种中心波长与入射激光波长相同，谱宽依存大气温度变化的弹性散射，它是由散射体粒径比激光波长小的分子或原子引起的散射现象，主要用于大气温度、大气分子密度等参数的测量；拉曼散射(Raman scattering)可分为转动拉曼和振动拉曼散射，是一种由大气分子或原子引起的非弹性散射，散射谱分布于入射激光谱线的两侧其散射截面是各种散射机理中较小的一种，需要高效率的分光及检测系统，但由于其特殊的散射机理，很适合用来探测大气温度、水蒸气密度和大气成分。

本发明对气象和大气环境参数的测定方法就是采用拉曼散射机理，利用大气分子(主要是N₂，O₂)的纯转动拉曼散射强度用于测量大气的温度，利用大气中的水汽分子产生的振动拉曼散射强度探测大气水汽的密度分布，同时结合大气分子的转动拉曼散射信号，反演得到在气象/气候学研究中具有重要作用的相对湿度的分布。

本发明的气象与大气环境参数的测定方法，利用激光雷达测定系统将大气的后向散射光接收下来，经分光成为该激光雷达所需的各种光信号，再经光电转换后送入计算机，根据设定的程序进行数据的分析处理，从而实现大气温度、水蒸气密度垂直分布的气象参数测量，以及大气气溶胶消光系数及后向散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度和非球形粒子后向散射光的退偏振比垂直分布的大气环境参数的测量，具体包括以下步骤：

a.向大气中发射脉冲激光束；

b.接收上述脉冲激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光；

c.对上述大气后向散射光进行分光，将后向散射光中的转动拉曼谱线、水汽分子的振动拉曼谱线与米-瑞利散射谱线和太阳背景光进行分离，分别得到2个转动拉曼信号，用于温度测量，得到的水蒸气振动拉曼信号，用于水蒸气密度测量，得到的米-瑞利散射信号，用于大气气溶胶光学特性的测量，得到的大气后向散射光信号的偏振特性，即与激光发射频率相同的散射信号的平行与垂直偏振分量，用于大气中非球形气溶胶形态的测量；

d.将上述分离后的各种散射光信号变为电信号接收；

e.将上述处理后的各种信号按照设定的程序分别进行处理，最终得到大气温度、水蒸气密度的垂直分布，以及大气气溶胶消光系数的垂直分布和大气气溶胶光学厚度和非球形气溶胶粒子的后向散射光的退偏振比。

激光雷达作为一种主动遥感探测工具已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域，下面通过一种实现本发明方法的激光雷达系统对上述方案作详细说明。

如图1所示，激光雷达系统由发射系统1、接收系统2、分光与光电检测系统3和数据处理系统5构成。发射系统1包括Nd:YAG激光器6和接收Nd:YAG激光器6发出的脉冲激光束并进行扩束和准直的扩束器4，激光器具有能输出其三次谐波分量(λ0＝355nm)并发射出去的光学部件和结构，Nd:YAG激光器6发出波长为355nm的脉冲激光束，经扩束器4扩束后，垂直射向大气；激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光由望远镜接收系统2接收下来，经光纤导入分光与光电检测系统3中的分光器，分光器将接收系统2接收到的大气后向散射光分光成为该激光雷达所需的各种光信号，并由光电检测器检测，再送入数据处理系统5进行处理；数据处理系统5包括高速高精度数据采集卡、工控计算机、测试系统软件以及为得到测量结果所进行的数据分析与计算，最终求得大气的温度数值、水蒸气密度、大气气溶胶光学特性参数和非球形粒子后向散射光的退偏振比。

图2是实现本发明的分光与光电检测步骤的一装置实施例。分光与光电检测系统3由分光器和光电检测器组成，包括一个高光谱分辨率光栅Grating、一个边缘反射镜Edge_mirror、5个窄带干涉滤光片IF_1、IF_2、IF_3、IF_4、IF_5、十个聚焦透镜L_1-L_10、一个分光镜BS、一个偏振分光镜PBS以及光电检测部件PMT_1、PMT_2、PMT_3、PMT_4、PMT_5和PMT_6。大气的后向散射光由望远镜接收，经由光纤、聚光镜L_1照射到高光谱分辨率光栅Grating上，利用光栅的衍射效应，将雷达接收到的大气后向散射信号以及太阳光谱从空间上分离开，配合边缘反射镜Edge_mirror，将接收到的大气后向散射光谱中的纯转动拉曼光谱的反斯托克斯谱线与Mie-Rayleigh散射光谱以及太阳光谱从空间分开，让Mie-Rayleigh信号透过边缘反射镜，而转动拉曼信号由边缘反射镜反射。

反射的拉曼信号经透镜L_3入射到窄带干涉滤光片IF_1上，透过窄带干涉滤光片IF_1的信号再透过窄带干涉滤光片IF_2(IF_1与IF_2的中心波长相同，为λ1(如λ1＝353.9nm)，入射角相同，方向不同)，经透镜L_4聚焦后由光电倍增管PMT_1接收，此为通道1；由窄带干涉滤光片IF_1反射的信号，射向窄带干涉滤光片IF_3，透过窄带干涉滤光片IF_3的信号再透过窄带干涉滤光片IF_4(IF_3与IF_4的中心波长相同，为λ2(如λ2＝353.1nm)，入射角相同，入射方向不同)，经透镜L_5聚焦后由光电倍增管PMT_2接收，此为通道2；用这2个波长的窄带干涉滤光片，分离了中心波长为λ1和λ2的转动喇曼散射信号，同时对噪声信号信号进行2次高精度滤除，以满足白天及高密度气溶胶空间的温度测量要求.通道1和通道2的信号用于测量大气温度.

接收的大气回波信号在经由光栅Grating衍射后，还可分出波长为407.5nm的振动拉曼信号，经反射镜M反射后，射向窄带干涉滤光片IF_5(IF_5的中心波长为407.5nm)，经透镜L_6聚焦后由光电倍增管PMT_3接收，此为通道3，用于测量水蒸气。

透过边缘反射镜Edge_mirror的Mie-Rayleigh散射信号用于测量气溶胶特性参数，这部分光束经透镜L_7准直后，射向分光镜BS，透过分光镜BS的光束经透镜L_8聚焦后，由光电倍增管PMT_4接收，此为通道4，用于测量气溶胶光学特性参数。由分光镜BS反射的光束经偏振分光镜PBS又分为2部分：由PBS反射的光束经透镜L_9聚焦后，由光电倍增管PMT_5接收，此为通道5；透过偏振分光镜PBS的光束经透镜L_10聚焦后，由光电倍增管PMT_6接收，此为通道6。通道5和通道6用于测量气溶胶粒子的偏振度。

窄带干涉滤光片IF_1和IF_2的中心波长相同，窄带干涉滤光片IF_3和IF_4的中心波长相同，并且两个波长应同时设在激光波长的同一侧，其中心波长位置要根据纯转动拉曼散射光谱函数作相应的理论计算，将窄带干涉滤光片IF_1和IF_2的中心波长设在转动拉曼信号随温度变化率为最小处(λ1)，而将窄带干涉滤光片IF_3和IF_4的中心波长设在转动拉曼信号随温度变化率为最大处(λ2)，其光束入射角在0～10度之间。图3提供了一种分光系统中边缘反射镜位置的确定示意图；利用高光谱分辨率光栅Grating对系统接收到的大气散射信号进行分光，光栅的谱分辨率为6pm，衍射光聚焦长度为300mm，取1级衍射级次。由光栅方程计算得到，经聚光镜后波长为λ1和λ2的衍射光与波长为λ0＝354.67nm的衍射光的空间直线距离分别为0.66mm和1.37mm。可见，利用光栅衍射，可以将Raman波长λ1和λ2的散射信号和Mie-Rayleigh散射信号从空间上和光谱上分离开来，并同时也将日光光谱分开。

散射信号光谱可简化为高斯模型，先取光斑直径d0＝0.30mm，温度T＝300K，经光栅分光后，转动量子数分别为6和14的转动Raman散射信号强度与Mie-Rayleigh散射信号强度沿x轴的分布如图4所示。由图3可见，将边缘反射镜Edge_mirror的遮光位置设在0.43mm处，就可以使Mie-Rayleigh散射信号以及大部分太阳背景光透过，而将拉曼散射信号反射向窄带滤光片。

根据图3所示的光谱位置，将边缘反射镜Edge_mirror的遮光位置设在0.43mm处，对各散射信号从边缘反射镜Edge_mirror的遮光位置开始沿x轴进行积分，取J＝6得到进入通道1的拉曼散射截面强度为1.199×10^-34，取J＝14得到进入通道2的拉曼散射截面强度为0.62×10^-34，进入各通道内的剩余米散射截面强度和瑞利散射截面强度分别为0.3×10^-34和1.128×10^-34。改变光斑直径d0＝0.25mm，Mie-Rayleigh散射信号的光谱分布也示于图中，积分后，得到进入各通道内剩余的瑞利散射截面强度为1.166×10^-35，信号强度又降低了一个数量级。

由以上分析可见，利用光栅分光，并借助边缘反射镜，对Mie-Rayleigh散射信号的抑制率可以达到4个数量级，并且同时能将日光光谱分离并抑制。相对于只使用窄带干涉滤光片分光，这种分光方法光谱分辨率要高的多，更益于滤除Mie-Rayleigh散射信号及太阳背景光，同时实现了对拉曼信号的高效率获得。

散射信号经光栅分光以及边缘反射镜后，再分别通过窄带干涉滤光片IF_1、IF_2和IF_3、IF_4，又使Mie-Rayleigh散射信号被抑制3个数量级以上。至此，整个光路系统对Mie-Rayleigh散射信号的抑制率达到7个数量级以上。

将大气回波信号中的各个散射信号光谱成分分离、检测出来后，输入到数据处理系统5，利用其相互关系进行分析求解。

数据处理系统5包括多通道同步高速A/D采集卡，工控计算机，以及为求得大气温度、水蒸气密度(相对湿度)以及大气气溶胶消光系数、气溶胶光学厚度和非球形粒子后向散射光的退偏振比的垂直分布等参数所列的数据反演方法及其对应的应用软件。

分析处理程序包括根据光电检测部件PMT_1和PMT_2检测得到的拉曼散射信号，按拉曼散射激光雷达方程求出探测得到的两个信号的强度以及两个信号的强度比，结合系统温度探测的灵敏度及系统校正参数，求得大气的温度数值。通过利用气温探测的灵敏度及检测得到的拉曼散射信号的信噪比，继而求出系统的气温探测误差。

分析处理程序还包括根据光电检测部件PMT_3检测得到的水蒸气振动拉曼散射强度信号，利用水蒸气拉曼激光雷达方程和转动拉曼激光雷达方程，消除大气消光系数的影响，经反演求得水蒸气密度。

分析处理程序还包括根据光电检测部件PMT_4检测得到的米-瑞利散射信号，按米散射激光雷达方程，经反演求得大气气溶胶光学特性参数。

分析处理程序还包括根据光电检测部件PMT_5和PMT_6检测得到的与激光发射频率相同的散射信号的平行与垂直偏振分量信号，按偏振激光雷达方程，经反演求得非球形粒子后向散射光的退偏振比。

分析处理总程序如图5所示，首先将各通道进入的数据进行平滑处理和Y(z)、z²校正，接着分别进行大气温度数据分析、水蒸气数据分析、气溶胶数据分析、非球形粒子的数据分析。

具体来说，可以通过以下各式反演得到大气温度、水蒸气密度的垂直分布，以及大气气溶胶消光系数的垂直分布和大气气溶胶光学厚度和非球形气溶胶粒子的后向散射光的退偏振比。

首先根据下面的激光雷达方程，计算出进入雷达系统的各散射信号的功率P(z)：

$P\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·\mathrm{\β}\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(1\right)$

其中，K为光学系统效率，E0为激光脉冲能量，τ为激光脉冲间隔时间，Ar为望远镜受光面积，Y(z)为发送与接收器的光路重叠系数，z为探测高度，β(z)为高度z处的后向散射系数(是大气数密度N(z)和散射截面强度σ的函数)，α(z)为高度z处的大气消光系数。方程中，除了大气消光系数α(z)和后向散射系数β(z)以外的参数都是系统提供的已知量。

(1)按图6所述的流程，进行大气温度的计算

由通道1和通道2检出的2个拉曼散射信号强度，分别由以下2个激光雷达方程表示：

$P_1(T,z)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·N\left(z\right)\·{\mathrm{\σ}}_{b\_1}(J_1,T)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(2\right)$

$P_2(T,z)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·N\left(z\right)\·{\mathrm{\σ}}_{b\_2}(J_2,T)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(3\right)$

其中，T为大气温度，J1和J2分别是两个通道探测的拉曼散射信号的转动量子数，σ_{b_1}(J₁，T)和σ_{b_2}(J₂，T)分别是温度为T时转动量子数J₁的转动拉曼散射信号的散射截面强度和转动量子数J₂的转动拉曼散射信号的散射截面强度，并且J₁和J₂为已知。

则由(2)式与(3)式比，得到通道1与通道2的散射信号强度比H(T，z)为：

$H(T,z)=\frac{P_1(T,z)}{P_2(T,z)}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{b\_1}\left(T\right)}{{\mathrm{\σ}}_{b\_2}\left(T\right)}---\left(4\right)$

经对理论上的σ_{b_1}(J₁，T)和σ_{b_2}(J₂，T)求解，并做曲线拟合，可以得到下列关系：

$H(T,z)=\frac{P_1(T,z)}{P_2(T,z)}=\mathrm{Aexp}[-\frac{B}{T\left(z\right)}]---\left(5\right)$

其中，A、B为系统常数，可以通过无线电探空仪对雷达系统标定得到。

则大气温度数值可以由(5)式导出：

$T\left(z\right)=-\frac{B}{\mathrm{In}[H\left(z\right)/A]}---\left(6\right)$

(2)根据图7所示的流程进行气溶胶光学特性的计算

由通道4检出的米-瑞利散射信号强度P₄(z)，由以下激光雷达方程表示：

$P_4\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·\mathrm{\β}\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(7\right)$

式中，β(z)＝β_m(z)+β_a(z)，α(z)＝α_m(z)+α_a(z)，

而β_m(z)和β_a(z)分别为大气分子和气溶胶粒子的后向散射系数，α_m(z)和α_a(z)分别为大气分子和气溶胶粒子的消光系数。

设激光雷达回波信号的距离平方修正函数为：

X(z)＝P(z)·z²                (8)

如果事先已知某一高度Zc处大气总的消光系数α(Zc)或后向散射系数β(Zc)，则Zc处以下各高度上的气溶胶粒子消光系数α_a(z)或后向散射系数β_a(z)分别为：

${\mathrm{\α}}_a\left(z\right)=\frac{X\left(z\right)}{\frac{X\left(z_c\right)}{\mathrm{\α}\left(z_c\right)}+2{\∫}_z^{z_c}X\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}}-{\mathrm{\α}}_m\left(z\right)---\left(9\right)$

${\mathrm{\β}}_a\left(z\right)=\frac{X\left(z\right)}{\frac{X\left(z_c\right)}{\mathrm{\β}\left(z_c\right)}+2S{\∫}_z^{z_c}X\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}}-{\mathrm{\β}}_m\left(z\right)---\left(10\right)$

式中，α_m(z)和β_m(z)分别为大气分子的消光系数和后向散射系数，S为激光雷达比，S＝α_a/β_a，它的取值与不同气溶胶的光学特性有关，为一常数。

上面(9)式和(10)式中，高度Z处的大气分子的消光系数α_m(z)或后向散射系数β_m(z)可以通过美国标准大气模型获得，如果测量高度较高，可以选取一段近乎不含气溶胶粒子的清洁大气层，在这段高度范围内，对激光雷达距离校正对数回波信号进行最小二乘拟合，该回归曲线斜率的一半即为大气分子消光系数，求出大气分子的消光系数高度分布模型，这种取值方法更加切合当时的大气状况。在测量高度较高时，可以选取近乎不含气溶胶粒子的清洁大气层所在高度作为Zc，则边界值α(Zc)或β(Zc)中就只含有大气分子的成分；同样，若测量高度不够高，可以选取一段较为均匀的大气层，对该高度范围内激光雷达距离校正对数回波信号进行最小二乘拟合，回归曲线斜率的一半即为高度Zc处的大气消光系数或后向散射系数的边界值α(Zc)或β(Zc)。

(3)根据图8的流程进行非球形粒子后向散射光的退偏振比计算

非球形粒子后向散射光的退偏振比可以用来大气非球形粒子的形态。

由通道5和通道6检出的2个大气回波信号的平行分量和垂直分量的散射信号强度，分别由以下2个激光雷达方程表示：

$P_P\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_P\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(11\right)$

$P_S\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_S\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(12\right)$

下标P和S分别表示与发射激光偏振方向平行和垂直的两个方向。

退偏振比δ(z)定义为

$\mathrm{\δ}\left(z\right)=\frac{P_S\left(z\right)}{P_P\left(z\right)}=\frac{{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)}\·\exp \left[\underset{0}{\overset{z}{\∫}}({\mathrm{\α}}_P\left(z\right)-{\mathrm{\α}}_S\left(z\right))\mathrm{dz}\right]---\left(13\right)$

对于随机取向的卷云和大气气溶胶粒子，α_P(z)＝α_S(z)，则上式写为：

$\mathrm{\δ}\left(z\right)=\frac{P_S\left(z\right)}{P_P\left(z\right)}=\frac{{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)}---\left(14\right)$

(4)根据图9所示的流程进行水蒸气密度的计算

由通道3检出的水蒸气振动拉曼散射信号强度P_H(z)，由以下激光雷达方程表示：

$P_H\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·{\mathrm{\β}}_H\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(15\right)$

其中，β_H(z)为高度z处的水蒸气后向散射系数。利用通道1的激光雷达方程(2)与该水蒸气通道3的激光雷达方程(15)之比，可以得到下式：

$S_H\left(z\right)=\frac{N\left(z\right)\·{\mathrm{\σ}}_{b\_1}\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_H\left(z\right)}---\left(16\right)$

其中，N(z)可以由大气标准模型得到，σ_{b_1}(z)为已知，β_H(z)用下式表示：

β_H(z)＝N_H(z)·[dσ_H(π)/dΩ]           (17)

其中，N_H(z)是水蒸气密度，dσ_H(π)/dΩ是水蒸气拉曼散射的差分截面。因此，水蒸气密度可以由式(16)和式(17)导出：

N_H(z)＝N(z)·σ_{b_1}(z)/S_H(z)·[dσ_H(π)/dΩ]。          (18)

利用Tetens经验公式，可以计算出大气温度t状态下的水面饱和水汽压e(t)；

e(t)＝610.8×exp[17.27t/(t+237.3]                      (19)

式中，e(t)的单位：Pa，温度t的单位：℃。

利用饱和水汽压e(t)，可以计算出饱和水汽密度S_H(t)，其单位为g/m³，

S_H(t)＝2.17×e(t)/(t+273.15).                          (20)

利用式(15)和(17)，可以求得相对湿度U_H(z)(单位：％)的高度分布：

U_H(z)＝N_H(z)×100/S_H[t(z)].                            (21)

式中t(z)为转动拉曼方式测得的大气温度高度分布。

实施例

图9表示大气温度分布的一个测量实例。它通过利用由通道1和通道2检出的2个拉曼散射信号强度，结合公式(2)-(6)算法，求得的一个大气温度高度分布结果。

图10表示相对湿度的分布实例，它通过利用通道1(或通道2)检测出的一个转动拉曼散射信号和通道3检测出的水汽的振动拉曼散射信号，结合公式(2)，(15)-(18)算出水汽密度分布，然后利用求得的大气温度(t)分布，结合公式(19)-(21)即可求得的一个大气相对的湿度分布。

Claims (2)

1.一种气象与大气环境参数的测定方法，将大气中激光脉冲与大气分子、粒子相互作用后产生的后向散射光接收下来，经分光成为激光雷达所需的各种光信号，再经光电检测后，根据设定的程序进行数据的分析处理，从而实现大气温度、水蒸气密度垂直分布的气象参数测量，以及大气气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度和非球形粒子后向散射光的退偏振比垂直分布的大气环境参数的测量，其特征在于，具体包括以下步骤：

a.向大气中发射脉冲激光束；

b.接收上述脉冲激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向散射光；

c.对上述大气后向散射光进行分光，将后向散射光中的转动拉曼谱线、水汽分子的振动拉曼谱线、米-瑞利散射谱线、太阳背景光相互进行分离，分别得到2个转动拉曼信号，用于温度测量，得到的水蒸气振动拉曼信号，用于水蒸气密度测量，得到的米-瑞利散射信号，用于大气气溶胶光学特性的测量，得到的大气后向散射光信号的偏振特性，即与激光发射频率相同的散射信号的平行与垂直偏振分量，用于大气中非球形气溶胶形态的测量；

将大气后向散射光先通过一高光谱分辨率光栅Grating后再经透镜聚光，使不同波长的水蒸气振动拉曼散射光、转动拉曼散射光、米-瑞利散射光以及太阳背景光光谱信号在透镜焦平面上按波长呈有序空间排列，通过设定的边缘反射镜Edge_mirror让米-瑞利散射光以及大部分太阳背景光通过，而将转动拉曼散射光反射，使反射的转动拉曼散射光的一部分透过两个窄带干涉滤光片IF_1和IF_2后，以中心波长为λ1的光被有选择性地透过，并由光电检测部件PMT_1检测，作为通道1；反射的转动拉曼散射光的另一部分经窄带干涉滤光片IF_1表面反射后透过窄带干涉滤光片IF_3和IF_4，以中心波长为λ2的光被有选择性地透过，并由光电检测部件PMT_2检测，作为通道2；使光栅Grating衍射分离出的水蒸气振动拉曼散射信号透过窄带干涉滤光片IF_5，并由光电检测部件PMT_3检测，作为通道3；使透过边缘反射镜Edge_mirror的米-瑞利散射信号通过分光镜BS被分为两路：透过的一路由光电检测部件PMT_4检测，作为通道4，使反射的一路再通过偏振分光镜PBS又被分为两路，一路由光电检测部件PMT_5检测，作为通道5，另一路由光电检测部件PMT_6检测，作为通道6。

d.将上述分离后的各种散射光信号变为电信号接收；

e.将上述处理后的各种信号按照设定的程序分别进行处理，最终得到大气温度、水蒸气密度的垂直分布，以及大气气溶胶消光系数的垂直分布和大气气溶胶光学厚度和非球形气溶胶粒子的后向散射光的退偏振比。

2.按照权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述步骤e中将处理后的各种信号按照设定的程序分别进行处理，是按照以下方式进行：

首先根据下面的激光雷达方程，计算出处理后的各散射信号的功率P(z)：

$P\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·\mathrm{\β}\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(1\right)$

其中，K为光学系统效率，E0为激光脉冲能量，τ为激光脉冲间隔时间，Ar为望远镜受光面积，Y(z)为发送与接收器的光路重叠系数，z为探测高度，β(z)为高度z处的后向散射系数，α(z)为高度z处的大气消光系数，光学系统效率K，激光脉冲能量EO，激光脉冲间隔时间τ，望远镜受光面积Ar，发送与接收器的光路重叠系数Y(z)，探测高度z根据系统预先输入；

再分别进行：

1)大气温度的计算

根据分光检测得到的2个转动拉曼信号，分别由以下2个激光雷达方程表示：

$P_1(T,z)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·N\left(z\right){\·\mathrm{\σ}}_{b\_1}(J_1,T)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(2\right)$

$P_2(T,z)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·N\left(z\right)\·{\mathrm{\σ}}_{b\_2}(J_2,T)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(3\right)$

其中，T为大气温度，J₁和J₂分别是两个拉曼散射信号的转动量子数，σ_{b_1}(J₁，T)是温度为T、转动量子数为J₁的转动拉曼散射信号的散射截面强度，σ_{b_2}(J₂，T)是温度为T、转动量子数为J₂的转动拉曼散射信号的散射截面强度，N(z)是高度z处的大气分子数密度。

则由(2)式与(3)式比，得到通道1与通道2的散射信号强度比H(T，z)为：

$H(T,z)=\frac{P_1(T,z)}{P_2(T,z)}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{b\_1}\left(T\right)}{{\mathrm{\σ}}_{b\_2}\left(T\right)}---\left(4\right)$

经对σ_{b_1}(J₁，T)和σ_{b_2}(J₂，T)的求解，并做曲线拟合，得到下列关系：

$H(T,z)=\frac{P_1(T,z)}{P_2(T,z)}=\mathrm{Aexp}[-\frac{B}{T\left(z\right)}]---\left(5\right)$

其中，A、B为系统常数，通过无线电探空仪对雷达系统标定得到，根据下式

$T\left(z\right)=-\frac{B}{\mathrm{In}[H\left(z\right)/A]}---\left(6\right)$

得出大气温度数值；

2)气溶胶光学特性的计算

由通道4检出的米-瑞利散射信号强度P₄(z)，由以下激光雷达方程表示：

$P_4\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·\mathrm{\β}\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(7\right)$

式中，β(z)＝β_m(z)+β_a(z)，α(z)＝α_m(z)+α_a(z)，

而β_m(z)和β_a(z)分别为大气分子和气溶胶粒子的后向散射系数，α_m(z)和α_a(z)分别为大气分子和气溶胶粒子的消光系数，

设激光雷达回波信号的距离平方修正函数为：

X(z)＝P(z)·z²                    (8)

根据已知某一高度Zc处大气总的消光系数α(Zc)或后向散射系数β(Zc)，则Zc处以下各高度上的气溶胶粒子消光系数α_a(z)或后向散射系数β_a(z)分别为：

${\mathrm{\α}}_a\left(z\right)=\frac{X\left(z\right)}{\frac{X\left(z_c\right)}{\mathrm{\α}\left(z_c\right)}+2{\∫}_z^{z_c}X\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}}-{\mathrm{\α}}_m\left(z\right)---\left(9\right)$

${\mathrm{\β}}_a\left(z\right)=\frac{X\left(z\right)}{\frac{X\left(z_c\right)}{\mathrm{\β}\left(z_c\right)}+2S{\∫}_z^{z_c}X\left(z^{\′}\right)d{z}^{\′}}-{\mathrm{\β}}_m\left(z\right)---\left(10\right)$

式中，α_m(z)和β_m(z)分别为大气分子的消光系数和后向散射系数，S为激光雷达比，S＝α_a/β_a；

3)非球形粒子后向散射光的退偏振比计算

由通道5和通道6检出的2个大气回波信号的平行分量和垂直分量的散射信号强度，分别由以下2个激光雷达方程表示：

$P_P\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_P\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(11\right)$

$P_S\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_S\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(12\right)$

下标P和S分别表示与发射激光偏振方向平行和垂直的两个方向，

退偏振比δ(z)定义为

$\mathrm{\δ}\left(z\right)=\frac{P_S\left(z\right)}{P_P\left(z\right)}=\frac{{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)}\·\exp \left[\underset{0}{\overset{z}{\∫}}({\mathrm{\α}}_P\left(z\right)-{\mathrm{\α}}_S\left(z\right))\mathrm{dz}\right]---\left(13\right)$

对于随机取向的卷云和大气气溶胶粒子，α_P(z)＝α_S(z)，则上式写为：

$\mathrm{\δ}\left(z\right)=\frac{P_S\left(z\right)}{P_P\left(z\right)}=\frac{{\mathrm{\β}}_S\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_P\left(z\right)}---\left(14\right)$

4)水蒸气密度的计算

由通道3检出的水蒸气振动拉曼散射信号强度P_H(z)，由以下激光雷达方程表示：

$P_H\left(z\right)=K\·E0\·\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}\·\frac{\mathrm{Ar}}{z^2}\·Y\left(z\right)\·{\mathrm{\β}}_H\left(z\right)\·\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}]---\left(15\right)$

其中，β_H(z)为高度z处的水蒸气后向散射系数，

利用通道1的激光雷达方程(2)与该水蒸气通道3的激光雷达方程(15)之比，可以得到下式：

$S_H\left(z\right)=\frac{N\left(z\right)\·{\mathrm{\σ}}_{b\_1}\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_H\left(z\right)}---\left(16\right)$

其中，N(z)可以由大气标准模型得到，σ_{b_1}(z)为已知，β_H(z)用下式表示：

β_H(z)＝N_H(z)·[dσ_H(π)/dΩ]                (17)

其中，N_H(z)是水蒸气密度，dσ_H(π)/dΩ是水蒸气拉曼散射的差分截面，水蒸气密度由式(16)和式(17)导出：

N_H(z)＝N(z)·σ_{b_1}(z)/S_H(z)·[dσ_H(π)/dΩ]。        (18)

利用Tetens经验公式，计算出大气温度t状态下的水面饱和水汽压e(t)；

e(t)＝610.8×exp[17.27t/(t+237.3]        (19)

式中，e(t)的单位：Pa，温度t的单位：℃；

利用饱和水汽压e(t)，可以计算出饱和水汽密度S_H(t)，其单位为g/m³，

S_H(t)＝2.17×e(t)/(t+273.15)             (20)

利用式(15)和(17)，可以求得相对湿度U_H(z)(单位：％)的高度分布：

U_H(z)＝N_H(z)×100/S_H[t(z)]               (21)

式中t(z)为转动拉曼方式测得的大气温度高度分布。

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