基于空气温度物理概念的高光谱分辨率激光雷达气温测量方法与实验研究

Air temperature is an important meteorological parameter. Accurate air temperature measurement is vital for air environment early warning, weather forecast and global climate warming. The present temperature sensor is susceptible to light, electricity, magnetism, wind, solar direct radiation and ground reflect radiation to result in that the detection result of air temperature is not exact. The high spectral resolution lidar of solar blind wavelength 266nm laser for air temperature accurate measurement based on temperature physical conception is proposed. The measurement principle is based on full width at half maximum of scattering signal Doppler broadening result from atmosphere molecule thermal motion is proportion to T1/2. The research is focus on high spectral resolution elaborate extract technology of spectral shape of Doppler broadening, the modeling of the spectral shape scanning data, accurate fitting and correction technology, O3 absorption and fluorescence influence filtering technology and temperature inversion algorithm using multi-source data to realize all time , real time and high precision non-contact air temperature detection. The research achievement will innovates the air temperature detection method in principle. It will provide accurate air temperature measurement instrument for global warming and meteorological disaster forecast contribute to establish new air temperature measurement standard.

空气温度是重要的气象参数，其准确探测对于大气环境预警、气象预报准确度及研究全球气候变暖对策等具有极其重要的意义。针对现有空气温度观测用温度传感器易受环境的光、电、磁、风、太阳直接辐射及地面反射辐射影响，导致对真实空气温度测量不准的原理性问题，项目提出根据分子热运动引起散射光多普勒展宽的半高全宽与空气温度T1/2正相关的原理，以266nm的日盲波长激光为激励源，开展基于温度物理概念的高光谱分辨率激光雷达空气温度精确测量方法研究。重点研究空气分子瑞利散射谱多普勒展宽的谱线形状的高光谱分辨率精细提取技术，谱型扫描数据的建模、精确拟合及校正技术，臭氧吸收与荧光干扰剔除以及多重数据融合的温度反演算法，实现空气温度的全天时实时高精度非接触式测量。研究成果从原理上实现了空气温度探测方法的创新，可为全球变暖、气象灾害预测等提供准确的温度测量技术与仪器，也可为建立空气温度测量的标准提供新理论与方法。

项目基于空气温度的物理意义，建立F-P扫描的激光雷达定点温度绝对探测系统，以克服现有接触式测温传感器易受环境的光、电、磁、风、太阳直接辐射及地面反射辐射的影响问题。根据分子的瑞利散射谱宽与空气温度T1/2正相关的原理，构建以扫描干涉仪为核心的高光谱分光系统，获取Rayleigh-Brillouin散射谱的谱型来反演获得空气绝对温度。首先分析了Rayleigh-Brillouin散射谱型，并完成了系数优化，为温度反演奠定了基础。针对扫描式激光雷达定点温度探测方法进行了理论分析和方案设计，对关键部件分光系统参数进行了优化设计，主要包括FSR、FWHM、步进间隔等参数。在参数设计的基础上，应用光学设计软件对系统进行了仿真实验，验证了系统可行性。搭建了温度探测激光雷达实验系统，完成了系统参数的标定实验，温度探测的标定实验。标定了F-P扫描干涉仪的驱动电压幅值与FSR之间的关系，得到10 GHz对应的电压幅值为3.48 V，随着电压幅值的增加，FSR逐渐减小。通过FWHM的标定实验，得到了在一定入射角度下直接扫描激光光源谱的FWHM值为112 MHz。鉴于环境温度对F-P腔长的影响，设计了温控系统实现0.003 ℃的温度控制，通过变化温度得到0.1 ℃的温度变化对应的峰值频率移动量为0.21 GHz，与理论计算值一致。利用可以调节温度和压力的散射池完成了系统温度探测标定实验，经过系统误差校正后，反演温度与预设温度吻合度良好。最后利用搭建的激光雷达系统完成了实际的定点温度探测实验、谱型扫描数据拟合、米散射信号校正和温度的反演。该研究从原理上实现了空气温度探测方法的创新，为精确的空气温度探测仪器的研制提供了可行的途径。