瑞利激光雷达探测大气温度廓线

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摘 要：介绍了使用瑞利散射激光雷达探测平流层大气温度的原理，给出数据的反演方法。对模拟数据进行相应的计算分析，探讨提高反演精度的实用算法；在54.6km参考点，对25～55km高度进行温度反演，并将参考温度分别增加和减少5%，进行对比与分析，验证在不同高度上对温度探测结果的影响。

关键词：激光雷达；瑞利散射；温度

中图分类号：TN958 文献标识码：A

引言

由于光波能够实现对大气光学及其物理特性、气象和气候参数进行高时空、高分辨率的精细化探测，所以激光雷达在大气遥测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势[1]。

虽然目前L625激光雷达仅在个别学校和科研单位（例如南京信息工程大学、中科院安徽光机所等）投入使用，但未来的使用范围应该能得以扩大，因此，能提前做好该雷达的相关性能研究是有必要的。

1 原理

气溶胶粒子在平流层的中上部造成的散射回波可以忽略不计；大气密度廓线可以由某一高度上的大气密度计算得出；理想气体下的状态方程、大气静力学方程相结合，可以得到大气温度。

2 仪器

L625激光雷达分为激光发射、回波信号接收和数据采集及控制3部分；是由计算机控制测量过程，并存储采集到的数据；它是一台多功能的大气探测激光系统。

3 算法分析

3.1 模拟信号生成

从图1中可以验证结论：当观测高度达到70km后，回波信号随高度的增加基本没有太大变化，均在1～10之间。因此可以近似认为，从70km高度向上的部分，雷达测得的回波信号平均值即为背景噪声，并且初步推算其数值应该在1～10之间。

3.2 参考点的影响

参考高度选取越高越好，参考高度的温度数值一般采用模式或探空资料。下面来分析参考温度值的影响。数据采用2011年11月25日21时26分的观测数据，选取参考高度为54.6Km，对25 ～55 km高度进行温度反演。反演时，将参考温度分别增加5%和减少5%，并将测量结果与原始结果对比，得到的对比情况如图2所示。

图2 参考温度对于测量结果的影响对比

当参考温度取值偏小时， 反演的温度结果亦偏小。当参考温度取值偏大时， 反演的温度结果亦偏大。但是， 不同高度处的温度受影响程度不同：对40km以下高度，温度参考值的选取几乎没有影响；而对40km 以上高度，误差逐渐增加，并向两侧远离模式值，并且参考温度增加5%对于结果的影响要大于参考温度减少5%时的影响。

4 结论

通过以上分析，数据计算能有效分析激光雷达资料。文章将参考点的温度处理结果和实测数据进行了对比与分析，验证了在不同高度上对温度探测结果的影响。

参考文献

[1] R.M.Measures.Laser Remote Sensing.Fundamentals and Application[M].Florida：Krieger Publication Company，1992：320-413.

[2] 刘小勤，胡顺星，翁宁泉等，瑞利激光雷达探测大气温度算法分析[J].大气与环境光学学报，2006，1（3）：190-191.

作者简介：何志芳（1988-），女，理学学士，湖南省怀化市麻阳苗族自治县气象局，助理工程师，江苏省泰兴市人。