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1、第17卷第7期强激光与粒子束Vol.17,No.72005年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2005文章编号:1001-4322(2005)07-0971-05车载式激光雷达测量大气水平能见度*谢晨波,韩永,李超,岳古明,戚福弟,范爱媛,尹君,袁松,周军(中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031)摘要:激光雷达作为一种新型的大气观测工具,可以通过直接探测激光与大气相互作用的光辐射信号来定量地反演大气水平能见度,更好地反映大气对传输于其中激光的衰减作用,从而成为测量大气水平能见度的主要手段。简单介绍了自行研制
2、的国内首台车载式拉曼-米(Raman-Mie)散射激光雷达的结构和技术参数,并利用斜率法从激光雷达的采集数据中反演出大气水平能见度。通过实际观测并与美国Belfort能见度仪的对比试验,显示该激光雷达在探测大气水平能见度方面具有较高的可靠性和准确性,其测量误差小于20%。关键词:激光雷达;能见度;消光系数;气溶胶中图分类号:TN249文献标识码:A大气能见度在科学上并没有一个很严谨的定义,韦伯(WEBSTER)字典中对能见度的定义是:被看见的能力或状态;大气的洁净程度;用裸眼分辨水平方向上明显目标的最远距离。世界气象组织(WMO)于1971年对白天能见度的定义为
3、:“气象上的白天能见度是指,在天空或雾气背景条件下,近地面适当大小的黑色物体可[1]以被看见或分辨的最远距离”。传统上,人眼观测是最早和最为简便地观测大气水平能见度的方法,但由于受观测者主观因素的影响而产生较大的观测误差。利用观测仪器对能见度进行测量的方法主要分为照相法、气溶胶采样法和光学参数测量[2][3]法。虽然获取受气溶胶影响目标物的清晰度照片是测量能见度变化最简单和直接的方法,但由于很难从照片或图片中提取定量信息,所以增加了其实际应用的难度。气溶胶采样法是通过直接测量大气中气溶胶粒子的浓度来间接反演能见度数值,由于该方法中涉及到不同种类和尺度气溶胶粒子的
4、光学特性,光辐射与粒子间的作用类型以及采样过程中的繁琐步骤,使得其测量精度难以保证。因此对大气最基本的光学特征参数测量是最可靠的能见度测量方法。激光雷达作为一种新型的大气观测工具,可以通过直接探测激光与大气相互作用的光辐射信号来定量地确定大气能见度,更加精确地反映大气对传输于其中激光的衰减作用,从而成为现今测量大气水平能见度的主要手段。中科院安光所于2004年10月自行研制的国内首台车载式拉曼-米散射激光雷达(简称RML激光雷达),主要用于大气水平能见度、垂直对流层气溶胶和水汽混合比的探测。文中主要对其测量能见度的功能进行详细介绍,并对测量结果和测量误差进行分析
5、和讨论。1RML激光雷达结构和技术参数激光雷达发射的激光在大气中传输时,会因大气中的空气分子和气溶胶粒子产生散射和吸收。通过接收和测量大气后向散射的光信号,便可以提取出空气分子和气溶胶粒子光学参数的有关信息,从而进一步获取气溶胶消光系数和大气水平能见度。RML激光雷达探测大气水平能见度采用的激光波长为532nm,接近于人眼最敏感的550nm波长,因此其测量出的能见度可以更好地和人眼视觉结合起来。同时由于RML激光雷达设计为车载形式,因此可以方便地用于野外测量。图1和表1分别给出了涉及测量大气水平能见度的RML激光雷达结构示意图和其主要技术参数。从图中可以看出,R
6、ML激光雷达主要由三部分组成:激光发射单元、信号接收与探测单元以及数据采集与控制单元。RML激光雷达的激光发射单元主要包括激光器和发射镜片组。在工控机运行控制程序的指令下,CONTINUUM公司的Powerlite8020型Nd:YAG激光器以20Hz的重复频率发射波长532nm的激光,经过*收稿日期:2005-03-30;修订日期:2005-07-05基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:谢晨波(1976-),男,安徽省霍山县人,在读博士生,主要从事激光雷达大气遥感研究工作;合肥1125信箱;E-mail:cbxie@aiofm.ac.cn。972强激
7、光与粒子束第17卷发射镜片组最终由望远镜转轴上的反射镜发射到大气中。RML激光雷达信号接收与探测单元的主要功能是接收大气回波信号,并将不同波长的光信号导入相应光学通道,便于被光电倍增管探测。RML激光雷达采用Ф400mm口径的Lx200GPS型望远镜接收532nm大气后向散射回波信号。该望远镜的主副镜均镀有超高反射率膜层HUTC,对532nm波长的反射率达到90%以上。被望远镜接收的回波信号首先经过遮光筒,然后通过0.3～3.0mrad可调视场光阑和目镜,最后分色镜1将532nm以外波长回波信号全部反射到水汽探测通道,用于水汽混合比的测量;而透射后的532nm回
8、波信号进入气溶胶探测通道
