探测云相态及粒子导向的全偏振激光雷达关键技术研究

According to National strategic needs for the development and utilization of cloud-water resources and scientific demand for cloud physics detection, a new idea for fine identification of cloud phase and particle preferential orientation in cloud is proposed in this project. A polarization technique adapted for lidar is proposed to measure all elements of the volume backscatter phase matrix for oriented particles and randomly oriented particles, and polarization properties of oriented particles cannot be resolved by conventional polarization lidar systems and are capable of corrupting the interpretation of depolarization ratio measurements. The key research includes that, principle and method of total polarization lidar for fine detection and identification of cloud phase state and preferential orientation, simulation of cloud particle for different phase state and numerical calculation of scattering characteristics, inversion methods of cloud particle phase state based on backscatter phase matrix, optimization design and establishment of total polarization lidar, and experiment observation. A laboratory system of total polarization lidar will be constructed to obtain experimental data. The research will provide new ideas and solutions for high precision recognition of cloud phase and particle preferential orientation, and they can also provide high-precision detection technology, reliable methods and data for cloud physics research, artificial weather modification, especially artificial precipitation. In addition, total polarization lidar will be a useful tool in characterizing raindrop evaporation, coalescence and liquid water content.

针对云水资源开发利用的国家战略需要和云物理研究的科学需求，本项目提出探测云相态及粒子导向的全偏振激光雷达新技术与方法，通过构建新型全偏振激光雷达探测大气后向散射相矩阵，建立后向散射相矩阵与云粒子形态的相互映射关系，实现对云粒子相态和粒子导向的精准识别，解决传统线偏振激光雷达的退偏比在检测和识别云中粒子相态时易产生较大偏差甚至误判的技术瓶颈及科学难题。重点开展基于全偏振激光雷达的云相态及粒子导向探测原理与方法，不同相态云粒子建模与散射特性仿真计算，后向散射相矩阵反演云粒子相态及导向的理论与方法，全偏振激光雷达系统的优化方法与设计、实验系统构建与实验观测等研究。研究成果将为云相态和粒子导向的高精度识别提供新的探测思路和解决方法，并且可为云物理研究，特别是高层卷云探测与研究，以及描述雨滴蒸发、凝结及液水含量等云系降水潜力的研究提供科学探测手段与方法。

本项目研究目标和计划是发展探测云相态和云中粒子导向的全偏振激光雷达技术，针对该研究目标，项目开展了四个关键技术的研究。主要包括1）开展了云相态的偏振激光雷达探测方法研究，实现了云相态的精细分类和识别；2）开展了不同相态云粒子后向散射相矩阵的仿真与计算，系统研究了冰云粒子和水云云层的后向散射相矩阵及粒子分类方法；3）建设了全偏振激光雷达系统，并进行了系统优化和标定；4）开展了全偏振激光雷达的初步实验观测，得到了云层的后向散射穆勒矩阵。.在上述关键技术的研究方面取得了相应的研究成果。在云特性和气溶胶特性的数据算法研究方面：提出并实现了基于聚类思想的云相态识别算法，解决了传统云相态识别中采用单一阈值算法导致的结果误判问题；提出并实现了利用转动拉曼信号和振动拉曼信号获得大气压力廓线的数据反演方法；提出了遥感探测气溶胶质量浓度分布的参数化模型和气溶胶光学参数的反演优化算法，构建了PM1、PM2.5和PM10质量浓度廓线反演算法；提出了一种基于振动和转动拉曼散射光谱获取云中大气温度廓线的激光雷达探测技术，结合常规双转动拉曼测温可以得到有云天气情况下大气温度的完整廓线；提出了一种气溶胶和雾滴谱的同步勿扰探测技术和系统。在光散射计算方面：利用物理光学近似法计算了典型冰云粒子(尺寸在10um-1000um之间变化)的后向散射穆勒矩阵；利用半解析蒙特卡罗模型分析研究了地基激光雷达探测时多次散射对水云光学参数的影响。在全偏振激光雷达系统设计与实验观测方面：围绕全偏振激光雷达系统硬件设计关键技术，设计了用于全偏振激光雷达的偏振控制系统，设计了用于全偏振激光雷达的分振幅同时探测系统，利用六点标定法对系统进行标定并获得系统矩阵；基于穆勒矩阵理论，设计并搭建了全偏振激光雷达系统, 进行了分光系统的实验室标定和整机系统的外场标定，开展了初步外场实验，计算得到了水云和卷云的后向散射穆勒矩阵廓线，证明了系统设计的合理性和有效性。