多波长多波束高光谱激光雷达助力解析云

　　高光谱分辨率激光雷达具备小粒径云微物理参数廓线的探测能力。中国科学院上海光学精密机械研究所陈卫标研究员团队的特邀论文“星载新一代多波束测云激光雷达设计与仿真"被选为《光学学报》第18期“‘风云卫星’光学技术与应用"专题亮点文章。文章基于单频激光技术提出了多波长多波束高光谱分辨率星载测云激光雷达方案及其仿真情况。在多波束形成的幅宽内，从紫外、可见到红外多波段视角透视小尺寸云粒子、气溶胶的微物理性质，这契合新一代测云激光雷达的探测需求。

　　近些年来，为了探测大气气溶胶参数，美国2006年发射了CALIPSO能量探测体制的激光雷达载荷证明了探测有效性和工作寿命;中国2022年发射了高光谱探测体制的激光雷达，证明了其探测精度。在这些背景下，我们针对云的探测进行了设计包含增大波长范围，优化探测波长，增加探测波束和探测体制，形成一定幅宽，本文给出了系统参数探测模式并通过仿真模拟给出探测误差;同时本文还给出了信噪比和散射系数的测量误差上限的关系公式。

　　提出了一种星载新一代多波长多波束多功能测云激光雷达载荷方案(M3CL)。该方案采用3种体制4波长9波束的推扫方式形成地面9波束20km测量幅宽。四个波长为355 nm、532 nm、1064 nm和1625 nm;9波束分布分别为：核心波束(波束⑤)采用355 nm、532 nm、1064 nm、1625 nm四波长探测，其中355 nm、532 nm为高光谱和偏振探测，1064 nm、1625 nm采用回波能量探测体制。边缘波束为532 nm回波能量探测。每个波束间隔3.05 mrad(0.175°)，波束排布为穿轨方向，总张角24.5 mrad(1.4°)，对应820 km轨道的20 km幅宽。核心波束的高光谱探测数据为边缘波束提供15 km海拔以上无云区的激光雷达比，这样间接达到了9波束的高光谱探测效果。偏振探测用于探测云和气溶胶的退偏特性，辨别云相态。核心波束和边缘8波束共同形成4波长9波束气溶胶粒径谱半定量测量。

　　图1多波束测云激光雷达探测方案

　　在OAPC参数数据库中选取弱散射消光条件下的积云，得到探测信噪比如图2、3所示。

　　高光谱探测信噪比

　　高光谱探测信噪比

　　图2 1km厚度弱散射云条件高光谱探测云信噪比分布355 nm(a)和532 nm(b)

　　图3 三波长弱散射云探测信噪比分布(3 km厚度弱散射云条件)

　　强散射/消光条件下的积云探测信噪比如下图4、5所示。

　　图4云厚2 km浓云条件高光谱探测信噪比分布355 nm(a)和532 nm(b)

　　图5浓云条件三波长测量信噪比分布(云高 5km，云厚 2km)

　　同时本文依据高光谱激光雷达方程将粒子散射系数误差缩放形成散射系数误差限公式：

　　根据误差限公式仿真如下图6所示。

　　图6 散射系数误差上限全图(a) 和局部细节(b)

　　从图6看到，云及边界层内气溶胶的散射系数是分子散射系数的10倍以上()时，当探测信噪比为5、10、20时，探测误差分别不超过63.3%，31.2%和17.6%。本文设计的星载测云激光雷达系统对云及边界层内气溶胶散射系数探测误差≯20%，积云穿透深度300 m到几公里不等，具备小尺度云粒子和气溶胶微物理性质探测能力。这也与我国气象卫星云的探测需求契合。

　　 后续展望

　　我们前期在国际首颗高光谱激光雷达(DQ-1)上验证了532 nm高光谱探测技术及其测量精度、今后我们将继续优化多波长多波束多功能测云激光雷达方案、攻克相关关键技术，争取为气象用户提供优异的测云激光雷达方案和载荷。

       参考文献： 中国光学期刊网

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