近红外高光谱-偏振激光雷达精细探测气溶胶的关键技术与方法研究

The fine detection of aerosol is an important issue to study the atmosphere and the environment. 1064nm near-infrared laser has a strong dust and clouds detection capabilities, widely used in space-borne and ground-based Cloud-Aerosol Lidar. But due to the limit of the fine filter technology, the fine-detection data of aerosol at near-infrared wavelength is in the blank, which leads to great difficulty at data inversion. The subject put forwards a high-spectral-resolution spectroscopic method, according to the back-scattering spectrum character at 1064nm. A dual-pass Fabry-Perot etalon is chose as a high-spectral filter, and it extracts the Rayleigh signal superimposed with Mie scattering signal. We will focus on the optimal design of hyper-spectral Fabry-Perot etalon filter and the fine spectroscopic technique at near-infrared wavelength. A hyper-spectral-resolution and polarization lidar at near-infrared wavelength is expected to be built, and the experimental research is carried out in order to obtain the best design of the system. Aerosol retrieval algorithm based on hyper-spectral data and polarization signal is studied and inverted for the fine scattering characteristics and lidar ratio of aerosol at 1064nm. The research project will be the significance of atmospheric environmental monitoring, and can also provide scientific data and technical support for spaceborne active remote sensing technology.

气溶胶的精细探测是研究大气与环境的重要课题。近红外波段的1064nm激光具有较强的沙尘和云雾探测能力，在星载与地基测云和气溶胶激光雷达中有广泛应用，但由于受到精细分光技术的限制，在此波段的精细探测数据还处于空白，给此波段的数据反演带来困难。本项目针对气溶胶对1064nm激光的散射特征，提出基于双通道Fabry-Perot（F-P）标准具作为高光谱滤波器件，精细分离米散射与瑞利散射信号。重点研究高光谱F-P标准具的优化设计与控制技术、近红外波段米散射与瑞利散射的精细分光技术以及微弱信号的提取技术，以期构建近红外波段的高光谱偏振激光雷达实验系统，进行实验观测研究，结合高光谱数据和偏振探测数据进行气溶胶特性参数的精细反演算法研究，获得气溶胶的精细散射特征及雷达比信息。研究成果将对我国大气环境监测具有重要意义，并且还可以为我国未来近红外波段的星载主动遥感仪器的地面标定技术提供科学数据及技术支撑。

高光谱分辨的激光雷达，工作原理是将分子散射和气溶胶散射进行分离测量，因此可以对1064nm进行精确的自定标，并且得到精确的大气光学参量信息。本项目针对近红外波段的高光谱分光及偏振探测技术展开研究，对探测理论、探测方法、系统标定及实验方法上进行了深入探讨和分析。主要研究了高光谱分光激光雷达获取气溶胶精细探测光学参数理论。利用误差分析的方法，研究了谱分离比及大气状态参数对探测结果的影响，提出了不同于以往的探测思路；分析比较了两种不同分光方式的探测误差，提出了一种结合两种分光技术的探测模式。当谱分离比满足SR<0.1或SR>10，同时在系统参数能很好标定时，激光雷达系统可以实现大气环境的精细探测。项目研究了高光谱分光激光雷达精细滤波技术并设计了用于近红外波段的分光系统，研究了基于Fabry-Perot标准具的高光谱精细滤波器件，提出了利用FP反射场进行米散射抑制的分光思路和方法。当回波光束发散角控制在<10mrad,入射角<1.5mrad时，FP反射场可以实现有效的精细探测。项目研究了偏振激光雷达探测与标定技术，提出并研究了基于米勒矩阵的偏振激光雷达退偏比校正方法，通过计算激光雷达系统米勒矩阵可以有效的得出系统的退偏振特性，并将该算法成功用于偏振激光雷达系统，实现了激光雷达退偏比的高精度探测。最后，在上述研究成果的基础上设计了近红外波段基于FP的高光谱分光系统，根据1064nm波段的分子气溶胶散射特性，设计的FP自由光谱范围为12GHz，带宽为230MHz。设计制作了FP的温控系统，对FP的温控精度可以达到0.004K。构建了FP分光实验系统，实际测试结果与理论值相吻合。构建了近红外米散射偏振激光雷达系统，可在0.4km—8km范围实现近红外波段米散射和偏振的探测，对西安地区上空进行了实验观测，探测结果可以有效的反应大气实际特征。该项目不仅提出了高光谱分光激光雷达探测气溶胶的新思路，并且也提出了新的分光方法和偏振校正新方法。这些研究成果对主动大气遥感、环境监测技术及精密光谱探测技术有重要的推进作用。