多波長多波束高光譜激光雷達助力解析云

　　高光譜分辨率激光雷達具備小粒徑云微物理參數廓線的探測能力。中國科學院上海光學精密機械研究所陳衛標研究員團隊的特邀論文“星載新一代多波束測云激光雷達設計與仿真"被選為《光學學報》第18期“‘風云衛星’光學技術與應用"專題亮點文章。文章基于單頻激光技術提出了多波長多波束高光譜分辨率星載測云激光雷達方案及其仿真情況。在多波束形成的幅寬內，從紫外、可見到紅外多波段視角透視小尺寸云粒子、氣溶膠的微物理性質，這契合新一代測云激光雷達的探測需求。

　　近些年來，為了探測大氣氣溶膠參數，美國2006年發射了CALIPSO能量探測體制的激光雷達載荷證明了探測有效性和工作壽命;中國2022年發射了高光譜探測體制的激光雷達，證明了其探測精度。在這些背景下，我們針對云的探測進行了設計包含增大波長范圍，優化探測波長，增加探測波束和探測體制，形成一定幅寬，本文給出了系統參數探測模式并通過仿真模擬給出探測誤差;同時本文還給出了信噪比和散射系數的測量誤差上限的關系公式。

　　提出了一種星載新一代多波長多波束多功能測云激光雷達載荷方案(M3CL)。該方案采用3種體制4波長9波束的推掃方式形成地面9波束20km測量幅寬。四個波長為355 nm、532 nm、1064 nm和1625 nm;9波束分布分別為：核心波束(波束⑤)采用355 nm、532 nm、1064 nm、1625 nm四波長探測，其中355 nm、532 nm為高光譜和偏振探測，1064 nm、1625 nm采用回波能量探測體制。邊緣波束為532 nm回波能量探測。每個波束間隔3.05 mrad(0.175°)，波束排布為穿軌方向，總張角24.5 mrad(1.4°)，對應820 km軌道的20 km幅寬。核心波束的高光譜探測數據為邊緣波束提供15 km海拔以上無云區的激光雷達比，這樣間接達到了9波束的高光譜探測效果。偏振探測用于探測云和氣溶膠的退偏特性，辨別云相態。核心波束和邊緣8波束共同形成4波長9波束氣溶膠粒徑譜半定量測量。

　　圖1多波束測云激光雷達探測方案

　　在OAPC參數數據庫中選取弱散射消光條件下的積云，得到探測信噪比如圖2、3所示。

　　高光譜探測信噪比

　　高光譜探測信噪比

　　圖2 1km厚度弱散射云條件高光譜探測云信噪比分布355 nm(a)和532 nm(b)

　　圖3 三波長弱散射云探測信噪比分布(3 km厚度弱散射云條件)

　　強散射/消光條件下的積云探測信噪比如下圖4、5所示。

　　圖4云厚2 km濃云條件高光譜探測信噪比分布355 nm(a)和532 nm(b)

　　圖5濃云條件三波長測量信噪比分布(云高 5km，云厚 2km)

　　同時本文依據高光譜激光雷達方程將粒子散射系數誤差縮放形成散射系數誤差限公式：

　　根據誤差限公式仿真如下圖6所示。

　　圖6 散射系數誤差上限全圖(a) 和局部細節(b)

　　從圖6看到，云及邊界層內氣溶膠的散射系數是分子散射系數的10倍以上()時，當探測信噪比為5、10、20時，探測誤差分別不超過63.3%，31.2%和17.6%。本文設計的星載測云激光雷達系統對云及邊界層內氣溶膠散射系數探測誤差≯20%，積云穿透深度300 m到幾公里不等，具備小尺度云粒子和氣溶膠微物理性質探測能力。這也與我國氣象衛星云的探測需求契合。

　　 后續展望

　　我們前期在國際首顆高光譜激光雷達(DQ-1)上驗證了532 nm高光譜探測技術及其測量精度、今后我們將繼續優化多波長多波束多功能測云激光雷達方案、攻克相關關鍵技術，爭取為氣象用戶提供優異的測云激光雷達方案和載荷。

       參考文獻： 中國光學期刊網

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