高光譜分辨率激光雷達(dá)具備小粒徑云微物理參數(shù)廓線的探測能力。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所陳衛(wèi)標(biāo)研究員團(tuán)隊的特邀論文“星載新一代多波束測云激光雷達(dá)設(shè)計與仿真"被選為《光學(xué)學(xué)報》第18期“‘風(fēng)云衛(wèi)星’光學(xué)技術(shù)與應(yīng)用"專題亮點文章。文章基于單頻激光技術(shù)提出了多波長多波束高光譜分辨率星載測云激光雷達(dá)方案及其仿真情況。在多波束形成的幅寬內(nèi)，從紫外、可見到紅外多波段視角透視小尺寸云粒子、氣溶膠的微物理性質(zhì)，這契合新一代測云激光雷達(dá)的探測需求。
近些年來，為了探測大氣氣溶膠參數(shù)，美國2006年發(fā)射了CALIPSO能量探測體制的激光雷達(dá)載荷證明了探測有效性和工作壽命;中國2022年發(fā)射了高光譜探測體制的激光雷達(dá)，證明了其探測精度。在這些背景下，我們針對云的探測進(jìn)行了設(shè)計包含增大波長范圍，優(yōu)化探測波長，增加探測波束和探測體制，形成一定幅寬，本文給出了系統(tǒng)參數(shù)探測模式并通過仿真模擬給出探測誤差;同時本文還給出了信噪比和散射系數(shù)的測量誤差上限的關(guān)系公式。
提出了一種星載新一代多波長多波束多功能測云激光雷達(dá)載荷方案(M3CL)。該方案采用3種體制4波長9波束的推掃方式形成地面9波束20km測量幅寬。四個波長為355 nm、532 nm、1064 nm和1625 nm;9波束分布分別為：核心波束(波束⑤)采用355 nm、532 nm、1064 nm、1625 nm四波長探測，其中355 nm、532 nm為高光譜和偏振探測，1064 nm、1625 nm采用回波能量探測體制。邊緣波束為532 nm回波能量探測。每個波束間隔3.05 mrad(0.175°)，波束排布為穿軌方向，總張角24.5 mrad(1.4°)，對應(yīng)820 km軌道的20 km幅寬。核心波束的高光譜探測數(shù)據(jù)為邊緣波束提供15 km海拔以上無云區(qū)的激光雷達(dá)比，這樣間接達(dá)到了9波束的高光譜探測效果。偏振探測用于探測云和氣溶膠的退偏特性，辨別云相態(tài)。核心波束和邊緣8波束共同形成4波長9波束氣溶膠粒徑譜半定量測量。
圖1多波束測云激光雷達(dá)探測方案
在OAPC參數(shù)數(shù)據(jù)庫中選取弱散射消光條件下的積云，得到探測信噪比如圖2、3所示。
高光譜探測信噪比
高光譜探測信噪比
圖2 1km厚度弱散射云條件高光譜探測云信噪比分布355 nm(a)和532 nm(b)
圖3 三波長弱散射云探測信噪比分布(3 km厚度弱散射云條件)
強散射/消光條件下的積云探測信噪比如下圖4、5所示。
圖4云厚2 km濃云條件高光譜探測信噪比分布355 nm(a)和532 nm(b)
圖5濃云條件三波長測量信噪比分布(云高 5km，云厚 2km)
同時本文依據(jù)高光譜激光雷達(dá)方程將粒子散射系數(shù)誤差縮放形成散射系數(shù)誤差限公式：
根據(jù)誤差限公式仿真如下圖6所示。
圖6 散射系數(shù)誤差上限全圖(a) 和局部細(xì)節(jié)(b)
從圖6看到，云及邊界層內(nèi)氣溶膠的散射系數(shù)是分子散射系數(shù)的10倍以上()時，當(dāng)探測信噪比為5、10、20時，探測誤差分別不超過63.3%，31.2%和17.6%。本文設(shè)計的星載測云激光雷達(dá)系統(tǒng)對云及邊界層內(nèi)氣溶膠散射系數(shù)探測誤差≯20%，積云穿透深度300 m到幾公里不等，具備小尺度云粒子和氣溶膠微物理性質(zhì)探測能力。這也與我國氣象衛(wèi)星云的探測需求契合。
后續(xù)展望
我們前期在國際首顆高光譜激光雷達(dá)(DQ-1)上驗證了532 nm高光譜探測技術(shù)及其測量精度、今后我們將繼續(xù)優(yōu)化多波長多波束多功能測云激光雷達(dá)方案、攻克相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，爭取為氣象用戶提供優(yōu)異的測云激光雷達(dá)方案和載荷。
參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)
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