激光掩星探测对流层顶至平流层底水汽廓线的模拟实验研究

Profiling atmospheric vapor of the UTLS region with more high vertical resolution and more high precision is very important for global climate change research. Acquire-track-point technique is transplanted into laser occultation. The 0.768µm and 0.935µm multi-wavelengths radiation for laser occultation are transmitted in limb geometry from the transmitter (microsatellite) to the receiver (space station), and thereby traverses the Earth's atmosphere. Because of the motion of the satellites, the atmosphere is scanned from top to bottom. The laser beam are refracted and absorbed whilst passing the atmosphere, and these multi-wavelengths differential transmissions are exploited to derive vertical profiles of the volume mixing ratio of vapor with Abel transform. The data of oxygen channel are used to amend influences from atmospheric pressure and temperature on vapor channel data. We will present the first ground-based experimental demonstration of new laser occultation method to sounder the volume mixing ratio of vapor between both dianshan’s lakeshore with space-equivalent framework made up of archetypal system. This research will contribute a example to profile greenhouse species (CO2、CH4、NO2、O3) and LOS wind. New technical path and technique repertory is provided to detect atmosphereic feedback information between space station and micro satellite.

以更高垂直分辨率和更高精度，获得对流层上部--平流层下部（UTLS）区域水汽廓线对研究全球气候变化意义重大。利用捕获跟踪瞄准技术，分别在空间站和微卫星之间发射和接收0.768µm和0.935µm掩星激光脉冲，两者的之间光束穿过大气层，计算积分路径上其氧气多波长差分透过率和水汽多波长差分透过率，由Abelian变换反演路径切点处水汽体积混合比，并用氧气通道的数据修正大气层压力和大气温度对水汽通道数据的影响，切点高度随着卫星高度变化而形成水汽混合比廓线。在上海淀山湖两岸建立空间模拟试验平台，验证激光掩星探测大气混合比的效能。这一研究将为空间激光掩星探测大气层其他温室气体（CO2、CH4、NO2、O3)以及视线风速提供原理模型和示范。为空间站和微卫星群之间探测大气分布信息提供新的技术思路和储备。

探测对流层上-平流层下水汽对研究全球水循环有重要科学意义。激光掩星是探测5km以上高度大气水汽混合比的有前景的手段。.模仿GPS 掩星所建立的“无线电波束轨迹线路所发生的折射角度与轨迹线路中切点位置处的折射率之间”的Abel变换关系，重新梳理出激光掩星的“激光束全路径的差分光学厚度与路径上切点处水汽的差分吸收系数之间”类似的Abel变换关系。建立了掩星激光束传输数学模型，选择合适的氧气吸收线和水汽吸收线，数值模拟得到激光掩星透过率，仿真验证了温度反演方法并对误差大小进行评估，由反演得到的温度廓线求解压强廓线，然后将温度、压强廓线用于水汽分子数密度的反演。构建差分吸收激光发射机和接收机的物理模型。利用地基的差分吸收激光雷达，进行了对流层下水汽分子密度的实验探测。.根据模拟得到的水汽通道透过率结果，确定吸收线online3和online4对应波数分别为10687.3505cm-1和10684.8246cm-1，参考线offline2对应波数为10685.2447cm-1，吸收线online3和online4分别对应14km~35km和5km~14km的有效探测区域。吸收线online1和online2分别位于氧气两个不同能级跃迁吸收谱线峰值位置附近，对应波数分别为13001.689510cm-1和12999.926884cm-1，参考线offline1对应波数为13004cm-1。利用掩星透过率模拟数据，经Abel积分反变换反演得到的氧气差分吸收系数进行温度反演，然后由反演得到温度廓线计算压强廓线，结果显示，在温度反演误差结果中，误差随高度降低而增大，5km附近达到最大约0.9K；采用5km处压强为初始值进行积分，压强误差随高度增加而增大，在35km处达到最大约3.4%；以反演得到的有误差的温度、压强廓线为基础，得到水汽分子数密度反演结果，18km~35km范围内误差小于1%，5km~18km范围内误差小于4%。基于DFB二极管激光器、半导体光放大器或光纤放大器、光倍频器等器件，以及波长锁定技术，可以建立合适的激光掩星发射机，基于雪崩二极管的光子计数探测器，可以建立激光掩星的接收机。地基实验也间接证明，激光掩星探测对流层上-平流层下水汽的混合比的可能性。