高度30km内的大气水汽、温度及气溶胶探测的拉曼激光雷达系统及实验研究

针对全球环境变化中的实时监测技术需求，提出以波长355nm紫外波段激光雷达为手段，采用大气分子的拉曼散射原理，研究以光栅、窄带通滤光器等高光谱分光技术结合数值滤波、信号处理等先进弱信号提取技术，获得多重分光、滤波及校正技术及方法，解决强背景噪音条件及大动态范围测量信号的精细分光、极微弱信号提取以及测量参数反演算法、校正等制约大气和空间环境参数的高时空分辨率量化监测能力的关键技术。与卫星遥感、GPS演星等遥感资料的比对研究，验证获取信息的正确性，实现对高度30公里内的水汽、温度及气溶胶等多参量的一体化测量技术及方法。引入工程化技术设计理念与方法，重点提升系统的集成创新度、稳定可靠性、易用性及便利性等性能指标，完成激光雷达实验系统，并建立区域性大气和空间环境地基激光雷达监测基地，实现对平流层内的大气水汽、温度等参数的有效量化监测技术及能力，为大气科学研究及空间环境监测提供精细量化的科学依据。

针对全球范围内大气参数实时监测技术需求，以地表30km内与人类活动密切相关的大气空间为探测对象，依据大气分子的拉曼散射原理，开展以波长355 nm紫外域激光雷达探测大气水汽、温度和气溶胶特性的系统及实验研究，主要涉及拉曼激光雷达系统探测技术、微弱信号提取技术与方法、大动态范围的数据拼接与校正技术、多参量并行精细探测及反演技术、模块化系统集成技术与对比实验研究、多波长偏振信号反演气溶胶特性和新型全光纤水汽温度激光雷达技术等。结合多年来实验室研究大气水汽和温度拉曼激光雷达技术的积累，研制了以特殊分色片和窄带干涉滤光片为核心的高性能拉曼分光系统，实现了大气分子的振动和转动拉曼信号的高效提取技术，搭建了600mm口径望远镜的拉曼激光雷达系统，实现了对大气水汽、温度与气溶胶廓线的精细探测。.针对激光雷达回波信号中强烈的米-瑞利散射信号，研究设计了特制的高反射率窄带宽分色片组合的振动拉曼信号分光系统，高效提取了水汽分子的振动拉曼散射信号，实现了米-瑞利散射信号8个量级以上的抑制率。针对激光雷达回波信号中的强背景噪声，深入研究EMD-DISPO和Wavelet的噪声滤除技术，设计并选取了合适的小波基参数，有效滤除激光雷达回波信号中的强背景噪声。针对激光雷达回波信号的动态范围大，为高保真度地获得回波信号，研究了模拟和光子计数探测模式的特征，提出了基于空间方差的数据拼接技术与方法，并结合激光雷达几何重叠因子的校正技术，实现了全程回波信号的有效提取与标定技术。研究了大气水汽、温度和气溶胶精细反演算法，实现了大气水汽、温度、湿度和气溶胶廓线的精细测量。利用工程化和模块化设计理念，开展拉曼激光雷达系统集成技术研究，设计友好的大气参数测试界面，编写专业的大气水汽密度、温度、湿度和气溶胶等参数反演程序，完成了高稳定性的拉曼激光雷达实验样机研制，并开展了近2个月的观测实验。系统探测实验及对比实验研究表明，研制的拉曼激光雷达系统可有效探测30km内大气水汽、温度和气溶胶廓线，具有平流层内的大气多参数有效量化监测能力，长期实验探测性能稳定，可靠性高，可作为区域性大气和空间环境地基激光雷达监测基地继续开展长期观测实验研究。