本发明属于气象与环境观测技术领域，涉及一种对气象与大气环境进行
观测的激光雷达系统，特别涉及一种利用波分复用（WDM)技术的解复用 器（Demultiplexer)进行分光的全光纤拉曼散射激光雷达系统。 背景技术
激光雷达作为一种主动遥感探测工具已广泛用于激光大气传输、全球气 候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。激光雷达（Lidan Light detection and ranging)系统主要由激光发射系统，接收系统，分光系统与光 电探测部件以及计算机系统等组成。基本原理为：由激光器发出的脉冲激光 束射向大气，经与大气中的物质作用后产生的散射信号被接收系统收集下 来，并经光学分光系统的分光处理后，由光电探测部件转换为电信号，送入 计算机进行数据处理。
激光遥感的基础是光辐射与大气中的原子、分子以及气溶胶粒子之间相 互作用所产生的各种物理过程。米散射(Mie scattering)是一种散射谱的中心 波长与入射激光波长相同，散射谱的谱宽近似于入射激光谱宽的弹性散射， 它是由粒径相当或大于激光波长的气溶胶粒子引起的散射。瑞利散射 (Rayleigh scattering)也是一种中心波长与入射激光波长相同，谱宽依存大气 温度变化的弹性散射，它是由散射体粒径比激光波长小的分子或原子引起的 散射现象。拉曼散射(Raman scattering)可分为转动拉曼和振动拉曼散射，是 一种由大气分子或原子引起的非弹性散射，散射谱分布于入射激光谱线的两
侧，其散射截面是各种散射机理中较小的一种，很适合用来探测大气温度和 大气成分。
气象观测主要是进行大气温度的测量，大气环境观测主要进行如气溶胶 消光系数及散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度参数的测量。通常，气 象观测激光雷达与大气环境观测激光雷达都是使用各自独立的系统，因为大 气环境激光雷达使用的是大气回波信号中的米一瑞利散射信号，这与气象观 测激光雷达中所利用的散射信号不同。为了使同一个激光雷达系统既能观测 气象参数，又能观测大气环境，就必须有效分离大气回波信号中的各个散射 信号光谱成分，并检测出来，还要有效利用其相互关系进行分析求解。
但是，由于拉曼散射的截面相对于气溶胶引起的米散射和大气分子引起 的瑞利散射要小3—4个数量级，这就需要对米和瑞利散射信号具有7个数量 级以上的抑制，并且从强烈的米、瑞利散射信号中提取出微弱的拉曼谱线， 还需要激光雷达的分光系统有带外抑制能力和很高的光谱分辨能力。另外， 白天探测时，还需要考虑对太阳背景光进行有效地滤除。目前，转动拉曼激 光雷达提取转动拉曼散射光谱的分光方案中普遍采用干涉滤波片、单光栅单 色仪结合原子共振吸收滤光片，或者双光栅单色仪的分光方法。
近年来，随着光纤通信技术地飞速发展，光纤通信中普遍采用WDM技 术己经非常成熟。WDM技术所采用的方案是在同一根光纤中使用相同的速 率来传输多个波长的光信号。WDM系统的核心光学器件是复用/解复用器
(Multiplexer/Demultiplexer)其功能是采用光学方法将密集间隔的各波长(信 道)分开，或实现光波长(信道)的上下话路，后者通常称为光上下话路复用器
(Optical Add/Drop MuWlexer)。即它们分别是组合（耦合）和分开（分离） 不同波长的光信号的装置，Multiplexer组合几个波长的信道到一根光纤上，Demultiplexer正好与此相反，实际中，往往一个WDM装置既做Demultiplexer 又做Multiplexer由于WDM技术具有优良的波长选择性，光谱分辨率高， 光谱响应函数旁瓣小，半峰值宽度小，同时具有多端口，体积小、插入损耗 低、结构简单紧凑、性能稳定以及易于实现全光纤连接的特点。因此，本发明借鉴光纤通信的WDM技术的解复用器及其严格的波长选 择特性、高的光谱分辨能力以及带外抑制能力，提出一种基于WDM技术的 解复用器分光技术的进行气象观测和大气环境观测的全光纤拉曼激光雷达。 发明内容本发明的目的是提出一种全光纤拉曼散射激光雷达系统，利用WDM的 解复用器进行分光， 一套激光雷达系统同时进行气象与大气环境观测，最终 实现大气温度气象参数测量，以及大气气溶胶消光系数及散射系数、气溶胶 光学厚度、大气能见度等大气环境参数的测量。本发明所采用的技术方案是，基于WDM技术的解复器分光的全光纤拉 曼散射激光雷达系统，包括激光发射系统、接收系统、分光系统与光电探测 部件以及计算机系统，该系统包括激光发射系统，包括发射脉冲激光的Nd: YAG脉冲激光器、对脉冲激 光进行准直扩束的扩束器，还包括多个反射镜，多个反射镜的设置使准直扩 束后的激光垂直射向大气，接收系统，用于接收激光与大气中的分子和粒子相互作用后产生的后向 散射光，并将接收到的激光雷达大气回波信号耦合到多模光纤，多模光纤将 该大气回波信号送入多模/单模光纤转换器，用于将多模大气回波信号转换成单模光纤信号， 并经单模光纤送入，或将望远镜接收到的激光雷达大气回波信号直接耦合到
单模光纤，然后送入
分光系统，用于将回波信号中的转动拉曼谱线与米一瑞利散射谱线进行 分离，并将分离后的各散射信号从相应的端口输出，送入
光电探测部件，用于将分离后的各散射光信号变为电信号接收下来，并
送入
计算机系统，预装入气象和大气环境参数反演算法程序，用于对接收的 散射谱线信号进行分析处理，得到大气温度气象参数，以及大气气溶胶消光 系数及散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度大气环境参数值。
本发明的分光系统借鉴光纤通信的WDM技术的解复用器所具有的优 良的波长选择性，光谱分辨率高以及带外抑制能力强的特点进行分光。 附图说明
图1是本发明激光雷达系统组成原理图，其中，a是利用多模光纤、多 模/单模转换器、单模光纤传输回波信号至分光系统，b是利用单模光纤传输 回波信号至分光系统；
图2是本发明分光系统结构组成示意图，其中，a是光纤Bragg光栅分 光系统，b是光纤光栅耦合器分光系统，c是多层介质薄膜滤波器分光系统， d是基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤光栅耦合器分光系统，e是光纤 Fabry-Perot腔分光系统；
图3是本发明分光系统中光纤Bmgg光栅的Bragg反射谱与大气分子 N2、 02的转动拉曼光谱的关系示意图；
图4是本发明分光系统中光纤Bragg光栅的FBG1的透射率特性以及 FBG2禾tlFBG3的反射率特性示意图，其中，a是FBG1的透射率特性示意 图，b是FBG2和FBG3的反射率特性示意图-,
图5是经分光器滤光后大气回波信号的强度分布图；
图6是本发明系统理论上可实现的白天与夜晚的测量信噪比及温度测量 误差的高度分布图。
图中，l.激光发射系统，2.望远镜接收系统，3.分光系统与光电探测部件，
4.计算机系统，5.第一光纤环行器，6.第一光纤布拉格光栅（FBG1)， 7.第二 光纤环行器，8.第二光纤布拉格光栅（FBG2)， 9.第三光纤环行器，10.第三 光纤布拉格光栅（FBG3)， ll.第一光电探测部件（PMT1)， 12.第二光电探 测部件（PMT1)， 13.第三光电探测部件（PMT1)， 14.第一光纤光栅耦合器 (FBG1)， 15.第二光纤光栅耦合器（FBG2)， 16.第三光纤光栅耦合器 (FBG3)， 17.多层介质薄膜滤波器（MDTFF)， 18.第一透镜（Lens)， 19. 第二透镜，20.第三透镜，21.第四透镜，22.第一光纤干涉仪（M—ZIl)， 23. 第二光纤干涉仪（M—ZI2)， 24.第三光纤干涉仪（M—ZI3)， 25.第一光纤耦合 器(FC1)， 26.第二光纤耦合器(FC2)， 27.第三光纤耦合器(FC3)， 28.第四光纤 耦合器(FC4)， 29.第五光纤耦合器(FC5), 30.第六光纤耦合器(FC6)， 31.第一 光纤谐振腔(F-Pcavityl)， 32.第二光纤谐振腔(F-P cavity2)， 33.第三光纤谐振 腔(F-P cavity3)。 具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 本发明是一种能同时用于气象观测和大气环境观测的拉曼激光雷达系 统，激光雷达的系统构成如图l所示，其中，a是利用多模光纤、多模/单模 转换器、单模光纤传输回波信号至分光系统，b是利用单模光纤传输回波信 号至分光系统。包括激光发射系统1、接收系统2、分光与光电探测系统3 以及计算机系统4，激光发射系统1包括Nd: YAG脉冲激光器、准直扩束 器以及多个反射镜。本发明的激光发射系统1采用Nd:YAG脉冲激光器，其输出其二次谐波 (入Q=532.25nm)作为光源，以及并发射出去的光学部件和结构。光电探测系统由第一光电探测部件11 (PMT1)、第二光电探测部件12 (PMT2)和第三光电探测部件13 (PMT3)组成，用于将回波光信号变为 电信号接收下来。其中，第一光电探测部件11检测米一瑞利散射信号，可 用于大气气溶胶光学特性的测量；第二光电探测部件12、第三光电探测部件 13检测2个转动拉曼散射信号，用于温度测量。分光系统的作用是将回波信号中的转动拉曼谱线与米一瑞利散射谱线 等进行分离，在温度探测通道中最大程度上抑制米散射、瑞利散射信号以及 太阳背景光的干扰。本发明中分光系统的主要部件分别由WDM技术的解复 用器实现，具体的实现方案如下： 方案1主要采用光纤布拉格Bragg光栅（FBG)实现分光。图2a所示为一实施例，系统包括第一光纤环行器5、第一光纤布拉格光 栅6，其波长Ab为入b产532.25nm、第二光纤环行器7、第二光纤布拉格光栅 8，其波长Ab为入bf530.6nm、第三光纤环行器9、第三光纤布拉格光栅10， 其波长入b为入b^528.8nm。入w、入b2和入b3分别对应米一瑞利散射信号、 低量子数转动拉曼散射信号和高量子数拉曼散射信号，通过设计使每个FBG 对上述选定的波长分别具有很高的反射率和极低的透射率。将望远镜接收的含有多个波长的大气回波信号耦合进多模光纤 (MMF)，通过多模/单模光纤转换器转换后，经单模光纤（SMF)送入第一 光纤环行器5的输入端口 portl (或将望远镜接收到的大气回波信号直接耦
合到单模光纤（SMF)，然后送入第一光纤环行器5的输入端口 portl)，经 第一光纤环行器5输出到接有第一光纤布拉格光栅6的输入端口 port2,第一 光纤布拉格光栅6将满足Bragg条件的波长等于入bl的米一瑞利散射信号反 射回第一光纤环行器5中，并由第一光纤环行器5的输出端口port3输出后， 由第一光电探测部件11接收。此为通道1。在通道1处，通过设计第一光纤 布拉格光栅6的参数，使得透射过第一光纤布拉格光栅6的米—瑞利信号非 常微弱，达到了很高的带外抑制率。
由于第一光纤布拉格光栅6对其他波长的光无反射作用，因此其他波长 的光透射过第一光纤布拉格光栅6的输出端口 port4后，再进入第二光纤环 行器7的输入端口 portl，第二光纤布拉格光栅8将波长等于A b2的低量子数 转动散射信号完全反射回第二光纤环行器7，并在其输出端口 port3输出后， 由第二光电探测部件12接收。此为通道2。
同理，其他波长不为入b2的光信号透射过第二光纤布拉格光栅8后，又
经第三光纤环行器9被第三光纤布拉格光栅10反射，分离出波长为入b3的高 量子数拉曼散射信号，并由第三光电探测部件13接收。此为通道3。
在通道2、通道3处，通过设计第二光纤布拉格光栅8和第三光纤布拉 格光栅10的参数，使得它们对残留的米、瑞利散射信号分别又进行了进一 步的抑制。
至此，在对米、瑞利散射信号的进行有效分离和抑制的同时，实现了对 用于测温的两条高低量子数转动拉曼散射谱线高精度提取。 方案2
主要采用级联的光纤光栅耦合器（FGC)实现分光。 图2b所示为一实施例，系统包括级联的第一光纤光栅耦合器14、第二
光纤光栅耦合器15和第三光纤光栅耦合器16，以及接收反射信号的第一光电探测部件ll、第二光电探测部件12和第三光电探测部件13，设计每一个 光纤光栅耦合器的Bragg波长A b，设定第一光纤光栅耦合器14的A b为入 bl=532.25nm，设定第二光纤光栅耦合器15的A b为A b2=530.6nm，设定第三 光纤光栅耦合器16的A b为A b3=528.8nm，即分别对应米一瑞利散射信号、 低量子数转动拉曼散射信号和高量子数拉曼散射信号，通过设计使每个FBG 对上述选定的波长分别具有很高的反射率和极低的透射率。将望远镜接收的含有多个波长的大气回波信号耦合进多模光纤(MMF)，通过多模/单模光纤转换器转换后，经单模光纤（SMF)送入第一 光纤光栅耦合器14，或将望远镜接收到的大气回波信号直接耦合到单模光纤(SMF)，然后送入第一光纤光栅耦合器14，第一光纤光栅耦合器14将波长 等于Ab,的米一瑞利散射信号完全反射回来，从输出端口 port2输出后，由 第一光电探测部件11接收。此为通道1。在通道1处，通过设计第一光纤光 栅耦合器14的参数，使得透射过第一光纤光栅耦合器14的米一瑞利信号非 常微弱，达到了很高的带外抑制率。由于第一光纤光栅耦合器14对其他波长的光无反射作用，因此其他波 长的光透射过第一光纤光栅耦合器14后，进入第二光纤光栅耦合器15，第二光纤光栅耦合器15将波长等于入b2的低量子数转动拉曼散射信号反射并在其输出端口port3输出后，由第二光电探测部件12接收。此为通道2。同理，其他波长不为入b2的光信号继续透射过第二光纤光栅耦合器15 后，又被第三光纤光栅耦合器16反射，分离出波长分别为入b3的高量子数拉 曼散射信号。并由第三光电探测部件13接收。此为通道3。在通道2、通道3处，通过设计第二光纤光栅耦合器15和第三光纤光栅
耦合器16的参数，使得它们对残留的米、瑞利散射信号分别又进行了进一 步的抑制。
至此，在对米、瑞利散射信号的进行有效分离和抑制的同时，实现了对 用于测温的两条高低量子数转动拉曼散射谱线高精度提取。
方案3
主要采用多层介质薄膜滤波器（DTMF)实现分光。
图2c所示为一实施例，系统包括多层介质薄膜滤波器17和第一透镜18、 第二透镜19、第三透镜20和第四透镜21。将多层介质薄膜滤波器17中的 透射波长分别设计为入产532.25nm、入2=530.6nm和入3=528.8nm，分别对应 米一瑞利散射信号、低量子数转动拉曼散射信号和高量子数拉曼散射信号， 通过设计使得DTMF对上述选定的波长分别具有很高的透射率和极低的反 射率。
将望远镜接收的含有多个波长的大气回波信号耦合进多模光纤 (MMF)，通过多模/单模光纤转换器转换后，经单模光纤（SMF)传输并由 第一透镜18后会聚后送入多层介质薄膜滤波器17，或将望远镜接收到的大 气回波信号直接耦合到单模光纤（SMF)传输后，由第一透镜18后会聚后 送入多层介质薄膜滤波器17，多层介质薄膜滤波器17对相应的波长分别进 行选择透射后，在各个输出端口port输出，输出的光信号分别透射过第二透 镜19、第三透镜20和第四透镜21后，分别由对应的第一光电探测部件ll、 第二光电探测部件12和第三光电探测部件13接收。实现了对所需要的米— 瑞利散射信号、低量子数转动拉曼散射信号和高量子数拉曼散射信号进行分 光和检测。 方案4
主要采用基于Mach-Zehnder干涉仪（M-ZI)的光纤光栅耦合器 (M-ZI-FGC)实现分光。
图2d所示为一实施例，由级联的第一光纤耦合器25、第一光纤干涉仪 22、第二光纤耦合器26、第三光纤耦合器27、第二光纤干涉仪23、第四光 纤耦合器28、第五光纤耦合器29、第三光纤干涉仪24和第六光纤耦合器30 组成。其中各个光纤Mach-Zehnder干涉仪中的FBG的Bragg波长入b分别 设计为入b尸532.25nm、 A b2=530.6nm和A b3=528.8nm，即分别对应米一瑞利 散射信号、低量子数转动拉曼散射信号和高量子数拉曼散射信号，通过设定 使每个光纤干涉仪对上述选定的波长分别具有很高的反射率和极低的透射 率。
将望远镜接收的含有多个波长的大气回波信号耦合进多模光纤 (MMF)，通过多模/单模光纤转换器转换，经单模光纤（SMF)后，由第一 光纤耦合器25 (FC1)分成两束光，或将望远镜接收到的大气回波信号直接 耦合到单模光纤（SMF)传输后，由第一光纤耦合器25分成两束光，送入 第一光纤干涉仪22，分别在第一光纤干涉仪22的两臂传输，满足光栅反射 条件的波长等于入bl的米一瑞利散射信号光从两臂反射，再次经过第一光纤 耦合器25时，两束光信号相互干涉而从输出端口port2输出，由第一光电探 测部件11接收。此为通道1。不满足光栅条件的信号光透过光纤光栅，传输 到第二光纤耦合器26时，发生干涉而从输出端口输出。这样就将满足光栅 波长条件的信号光与其余波长的信号光分离。
同理，通过第一光纤干涉仪22的其余光信号继续传播，分别经过第二 光纤干涉仪23、第三光纤干涉仪24后，干涉仪对相应的低量子数和高量子 数拉曼散射信号进行解复用，在各个干涉仪M-ZI的输出端口 port3、 port4
输出后，由对应的第二光电探测部件12 (此为通道2)、第三光电探测部件
13 (此为通道3)接收。
至此，在对米、瑞利散射信号的进行有效分离和抑制的同时，实现了对 用于测温的两条高低量子数转动拉曼散射谱线高精度提取。
方案5
主要采用光纤Fabry-Perot腔（F-PCavity)实现分光。 图2e所示为一实施例，由级联的第一光纤谐振腔31、第二光纤谐振腔 32和第三光纤谐振腔33组成。其中各个光纤谐振腔Fabry-Perot Cavity中的 波长人分别设计为入产532.25nm、入尸530.6nm和人尸528.8nm，即分别对应 米—瑞利散射信号、低量子数转动拉曼散射信号和高量子数拉曼散射信号， 通过设计使每个F-P Cavity对上述选定的波长分别具有很高的反射率和极低 的透射率。
将望远镜接收的含有多个波长的大气回波信号耦合进多模光纤 (MMF)，通过多模/单模光纤转换器转换后，经单模光纤（SMF)送入第一 光纤环行器5的输入端口 portl，或将望远镜接收到的大气回波信号直接耦 合到单模光纤（SMF)，然后送入第一光纤环行器5的输入端口 （portl)，经 第一光纤环行器5后在接有第一光纤谐振腔31的输出端口 port2输出，第一 光纤谐振腔31将波长等于入i的米一瑞利散射信号完全下路到输出端口 port4输出，由第一光电探测部件ll接收；此为通道l。
其他波长的光被反射后继续向前传播，从第一光纤环行器5的输出端口 port3输出后，再进入第二光纤环行器7的输入端口portl，第二光纤谐振腔 32将波长等于入2的低量子数转动散射信号下路到输出端口 port4输出后， 由第二光电探测部件12接收。此为通道2。 同理，可以分离出波长为入3的高量子数拉曼散射信号，并由第三光电 探测部件13接收。此为通道3。
至此，在对米、瑞利散射信号的进行有效分离和抑制的同时，实现了对 用于测温的两条高低量子数转动拉曼散射谱线高精度提取。
计算机系统包括多通道同步高速A/p采集卡，计算机，以及为求得大气温度以及大气气溶胶消光系数和气溶胶光学厚度等参数所列的数据反演方 法及其对应的应用软件。
可根据光电探测部件PMT2和PMT3检测得到的拉曼散射信号，按拉曼 散射激光雷达方程求出探测得到的两个信号的强度以及两个信号的强度比， 利用无线电探空数据对上式进行标定拟合，求得大气的温度数值。通过利用 气温探测的灵敏度及检测得到的拉曼散射信号的信噪比，继而求出系统的气 温探测误差。
还可根据光电探测部件PMT1检测得到的米一瑞利散射信号，按米散射激光雷达方程，经反演求得大气气溶胶光学特性参数。
Nd: YAG脉冲激光器发出波长为532.25nm的脉冲激光束，经准直扩束 系统准直扩束后，经多个反射镜垂直射向大气，激光与大气中的分子和粒子 相互作用后产生的后向散射光由望远镜接收系统接收，接收到的激光雷达大 气回波信号耦合到多模光纤，在经多模/单模光纤转换器后，由单模光纤直接 送入分光系统，或将望远镜接收到的激光雷达大气回波信号直接耦合到单模 光纤，然后送入分光系统，分光系统将大气后向散射光分光成为各种光信号， 从相应端口port输出，由光电探测部件PMT接收，再送入计算机系统进行 分析处理。
图3是本发明分光系统中光纤Bmgg光栅的Bragg反射率与大气分子
N2、 02的转动拉曼光谱的关系示意图。
当发射的激光束在大气中传播时，与大气中的N2和02相互作用，产生 拉曼散射。由于N2和02的纯转动拉曼光谱（PRRS)的强度分布对环境温度
具有依赖性，同时考虑到大气荧光对纯转动拉曼光谱Stokes支存在干扰的特 点，选择探测Anti-Stokes支。根据纯转动拉曼信号的后向散射截面公式，可
以计算出N2分子在不同波长处的拉曼散射截面变化。
考虑到低层大气温度的变化范围为200K—300K，所以取温度T=200K 和T=300K的谱线强度。从图可以看出，N2的PRRS强度分布随温度T变化， 靠近发射激光波长的拉曼谱线强度随温度升高而降低，而远离发射谱线的拉 曼线强度随温度升高而升高。即对应于较低量子数J的谱线强度随温度的升 高而降低，而对应于较高量子数J的谱线强度随温度的升高而升高。因此， 选定两条强度随温度变化呈相反变化的量子数J产6， J2=14，相应的波长分别 为530.6nm和528.8nm，即分别是WDM的解复用器用来分离两条拉曼谱线 的中心波长。在设计分光系统时，为了保证探测的两个拉曼信号都具有一定 的强度，所选用的各类分光器件要保证一定的带宽，
由于大气纯转动喇曼谱线的低量子数和高量子数谱线的强度会随温度 的升高而分别减少和增强，选用上述2个中心波长的拉曼信号，并对2个测 量信号进行差分处理，本发明中的温度测量敏感度成为2个通道温度敏感度 的和，从而改善了系统的整体测温敏感度特性。 '
图4是本发明分光系统中光纤Bmgg光栅的FBG1的透射率特性以及 FBG2和FBG3的反射率特性示意图，此处，以方案1来解释分光系统的原 理。
选择FBG1的Bragg波长为入bl=532.25nm，主要用于滤除米和瑞利散射
信号。考虑到瑞利散射信号的光谱范围为3GHz，因此选择FBG1在入w的 反射谱的半高全宽度(FWHM)为A入FWHM1=0.018nm，其对A bl的反射率为 Rl(Abl)=0.999，而透过率仅为Tl(入w"2.036Xl(T4，如图4中的a所示，而 对其他波长的拉曼谱信号则几乎可以全部透过，当然还有残留的部分米、瑞 利信号也透射过去，但是此时对米、瑞利信号的抑制率达已经到了4个数量 级。 、
选择FBG2、 FBG3的Bragg波长分别为入b2=530.6nm和A b3=528.8nm， 主要用于提取量子数分别为J产6和J2=14的拉曼谱线，它们反射谱的半高全 宽度分别为A XFWHM2=0.288nm， A入FWHM3=0.508nm，反射率分别为R2(入 b2)=0.908， R3(Xb3) =0.945，这样在入b2和A b3处就分别可以对拉曼谱线进行
有效提取，如图4中的b所示。另外，Ab2、入b3在入w处的反射率分别为
R2(Xbl)=4.059Xl(T4， R3(入bl)=6.887X l(T4，所以它们对从入bl处透射过的 残余米、瑞利信号分别能进一步地抑制，其抑制率达到了 3个数量级。至此， 本发明系统的WDM解复用器对米、瑞利信号的抑制率达到了 7个数量级以 上，保证了对高低量子数拉曼谱线地高精度提取。
图5是经分光器滤光后大气回波信号的强度分布图，此处，以方案l和 2来计算分光后的大气回波信号强度分布。
计算时取采样周期为300ns，相应的探测高度分辨力为45m。假设在白 天波长A^附近的太阳背景光的辐射能量密度为3X108 Wm^r"nm'1，根据
激光雷达的系统参数，可以估算出在波长^2和^3光谱线附近，系统探测到
的太阳背景光强度为3.251xl(T"W。按照大气Mie散射信号模型以及雷达的 系统参数，并考虑到分光系统对Mie-Rayleigh散射信号有7个数量级的滤除 率，通过激光雷达方程可计算出进入雷达系统的各散射信号及太阳背景光的
强度随探测高度分布，其结果如图5所示。
由图5可见，分光系统对Mie-Rayleigh散射信号的滤除率达到7个数量 级，有效地保证了测温所需的系统信噪比，并且探测的拉曼信号在2.7km高 度以下要比太阳背景光强，因而可以实现白天低空大气温度探测。
根据通道1和通道2中各自接收的拉曼散射信号光子数以及通道中剩余 Mie-Rayleigh信号光子数和太阳背景光的光子数以及探测器的暗噪声，计算 出系统总信噪比SA^,。,。,(力示于图6。取测量时间IO分钟。
另外，图6也给出了白天和夜晚观测时的可能实现的探测温度误差随高 度变化曲线。在白天太阳背景光影响的情况下，当要求探测温度误差小于1 K 时，可以探测3.3km以下的大气温度分布，而在夜晚的探测高度则达到5km。 测量参数的数据反演
由各个光电探测部件（PMT1—PMT3)检测出的信号经A/D采集卡的 信号转换后，送入计算机进行记录与分析处理。对于由PMT1获得的测量信 号，计算机通过反演米散射激光雷达方程，可以求出气溶胶消光系数、后向 散射系数等光学参数。对于由PMT2和PMT3获得的测量信号，计算机通过 解转动拉曼散射激光雷达方程，可以求出大气温度的高度分布。
具体来说，可以通过以下各式反演得到大气温度垂直分布以及大气气溶 胶消光系数的垂直分布和大气气溶胶光学厚度。
我们可以根据下面激光雷达方程，计算出进入雷达系统的各散射信号的 功率尸(》:
formula see original document page 22
其中，vT为光学系统效率，』叨为激光脉冲能量，r为激光脉冲间隔时间，
Ar为望远镜受光面积，fU)为发送与接收器的光路重叠系数，z为探测高度， A(z)为高度z处的后向散射系数（是大气数密度Mz)和散射截面强度o^勺函 数)，cK^)为高度z处的大气消光系数。方程中，除了大气消光系数a(z)禾口
后向散射系数"(z)以外的参数都是系统提供的己知量。
a)大气温度的反演
由通道2和通道3检出的2个拉曼散射信号强度，分别由以下2个激光 雷达方程表示：
formula see original document page 23(2)
formula see original document page 23 (3)
其中，r为大气温度，力和力分别是两个通道探测的拉曼散射信号的转
动量子数，/(力,7)和o^(，/2，7)分别是温度为T时转动量子数J,的转动拉 曼散射信号的散射截面强度和转动量子数^的转动拉曼散射信号的散射截
面强度，并且J,和J2为已知。
则由(2)式与(3)式比，得到通道1与通道2的散射信号强度比H(T，z)为：
formula see original document page 23(4)
经对理论上的^—/(力，7)和w—2(，力,:0求解，并进行曲线拟合，可以得到下 列关系：
formula see original document page 23 ( 5 )
式中，z为探测高度，A 5、 c为常数。利用无线电探空数据对雷达系统
进行标定就可拟合出常数A仏C。因此，高度z处的大气温度7Y^为
,-, 2 • 2个 (6) B土^/B2 4A(C2+lnR(T,z》
b)气溶胶光学特性
由通道1检出的米一瑞利散射信号强度尸/(z)，由以下激光雷达方程表
示：
《(z)=《• £0. ^ •卑.风z). exp[-2 (7 )
2 z 0J
式中，^z"y^(z)+在(z) , «(z)=o^(2:)+aa(z)，
而A^)和在(z)分别为大气分子和气溶胶粒子的后向散射系数，"m(Z)和
caz)分别为大气分子和气溶胶粒子的消光系数。 设激光雷达回波信号的距离平方修正函数为.-
义(2)=尸(2).22 (8)
如果事先已知某一高度《处大气总的消光系数o(Zc)或后向散射系数A^)， 则Z。处以下各高度上的气溶胶粒子消光系数^(z)或后向散射系数/?。(z)分别
为：
刷-- (9)
a(zc) A
脇、、増--, (10)
风々）^
式中，^②和A^)分别为大气分子的消光系数和后向散射系数，^为激光雷 达比，s="。/a，它的取值与不同气溶胶的光学特性有关，为一常数。
上两式中，高度^处的大气分子的消光系数c^(z)或后向散射系数A(z)
可以通过美国标准大气模型获得，如果测量高度较高，可以选取一段近乎不 含气溶胶粒子的清洁大气层，在这段高度范围内，对激光雷达距离校正对数
回波信号进行最小二乘拟合，该回归曲线斜率的一半即为大气分子消光系 数，求出大气分子的消光系数高度分布模型，这种取值方法更加切合当时的 大气状况。在测量高度较高时，可以选取近乎不含气溶胶粒子的清洁大气层 所在高度作为《，则边界值o(Ze)或A&)中就只含有大气分子的成分；同样， 若测量高度不够高，可以选取一段较为均匀的大气层，对该高度范围内激光 雷达距离校正对数回波信号进行最小二乘拟合，回归曲线斜率的一半即为高
度z。处的大气消光系数或后向散射系数的边界值ct(^)或A^)。