导读
在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目的持续支持下，武汉大学易帆教授团队发明并自主研制出世界上首台基于单支谱提取的纯转动拉曼激光雷达，能够精准测量大气温度廓线和气溶胶/云后散系数廓线。
该仪器是目前全球唯一可在无需标定的条件下，对大气温度廓线实现严格物理测量的遥感设备。此外，该激光雷达还攻克了气溶胶/云探测中“一个雷达方程、两个未知量”的长期难题，严格推导出气溶胶/云的后向散射系数和消光系数，为以往难以获得准确观测结果的气溶胶/云激光雷达探测提供了测量基准。
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研究背景
基于单支谱提取的纯转动拉曼激光雷达代表一种精准测量大气温度廓线的主动遥感方法，其思想由Cooney在1972年提出。但在过去五十多年间始终停留在概念层面，未能技术实现。原因在于大气纯转动拉曼谱是N2和O2分子谱线的密集混合，而早期商业滤光片带宽不足以提取单支谱线。此外，在测量气溶胶/云光学特性廓线时，激光雷达方程数量少于待解未知量，反演时需引入额外假定，从而增加不确定性。
易帆教授课题组分析大气N2和O2分子纯转动拉曼谱线，发现N2分子存在两条单支谱线，具备利用最新商业器件孤立提取的可能。基于此，课题组研制出世界首台基于单支谱提取的纯转动拉曼激光雷达，实现了大气温度以及气溶胶/云后散系数廓线的全天时精准遥感测量，为大气科学研究和气象环境监测提供了有效工具。
02
激光雷达系统结构和测量结果
为阐明基于单支谱提取纯转动拉曼激光雷达的测量方法学，课题组计算了空气纯转动拉曼光谱，如图1所示。对于532.237 nm的激发波长，N2分子斯托克斯分支纯转动拉曼谱中转动量子数J=4和J=14的两支谱线与其相邻O2分子纯转动拉曼线的间距均大于0.14 nm。因此，采用商业器件可实现对这两个N2分子单支谱线的孤立提取。
图1 在300 K温度且激发波长为532.237 nm时的大气分子纯转动拉曼谱（紫色和蓝绿色曲线分别表示滤光片和法布里-珀罗干涉仪的光谱透过率）
课题组设计构建基于单支谱提取的纯转动拉曼激光雷达系统（图2）。发射机为种子注入二倍频Nd:YAG激光器，以30Hz重复频率发射532.237 nm激光束。大气后向散射光由0.3-m和1.0-m口径望远镜同时收集，经各自后继光路输出准直光束，馈送至自主研制的三通道多色仪。它分别精准孤立提取N2分子斯托克斯转动量子数J=14和4的纯转动拉曼线，以及弹性散射信号。每个拉曼通道采用双窄带滤光片和一个法布里-珀罗干涉仪进行信号提取。法布里-珀罗干涉仪为石英腔标准具，性能由工作温度决定，研究人员专门制作了温控装置，使其工作于确定的温度下，起伏小于0.03 K。法布里-珀罗干涉仪输出的光信号经透镜会聚至光电倍增管，并转化为电信号。弹性通道则由单一窄带滤光片提取信号，再由光电倍增管转化为电信号。整个系统共有6个独立接收通道，其输出电信号由6通道暂态记录仪以模拟和光子计数模式同时采集存储。经预处理的光子计数数据的时间分辨为1 分钟，高度分辨为30 m。
图2 基于单支谱提取测量大气温度廓线和气溶胶/云廓线的纯转动拉曼激光雷达结构框图（缩写含义：BE，扩束器；RM，反射镜；BS，分束器；IF，干涉滤光片；FPI，法布里-珀罗干涉仪; PMT，光电倍增管）
组合J=4和J=14纯转动拉曼通道的雷达方程，可导出大气温度廓线的解析表达，其中两个常数分别为物理常量和实验室可测量。即大气温度廓线T(z)可由激光雷达测得的两个单支谱转动拉曼通道的光子计数廓线严格解析得到，无需借助其他观测标定，表明这是一种独立的物理测量。再组合J=4转动拉曼通道和弹性通道的雷达方程，可获取气溶胶/云后散系数的严格表达式，这是迄今唯一能精准测量气溶胶/云后散系数廓线的方法。图3给出了该激光雷达系统观测的一次连续48小时大气温度垂直分布案例。
图3 单支谱提取的纯转动拉曼激光雷达在2023年1月30-31日测量的大气温度时间-高度等值线图（1 min/150 m分辨率的激光雷达数据用60-min的滑动平均进行了预处理。白天20 km以上高度的温度噪声反映了太阳天光背景的影响）
图4给出激光雷达测得的温度结果（1小时累积）与同时间探空温度的对比，两者呈现非常好的吻合（图4b），温度统计误差小于1K的高度范围为2-21 km（图4c）。
图4（a）激光雷达各通道光子计数廓线；（b）0.3-m接收机（红色）和1.0-m接收机（蓝色）测量的温度廓线，同时的探空温度由淡青色给出；（c）0.3-m接收机单元（红色）和1.0-m接收机单元（蓝色）测量温度的统计误差，以及与探空温度的绝对偏差
03
后续工作展望
课题组发明并自主研制的基于单支谱提取的纯转动拉曼激光雷达，具有大的测量高度范围、极佳的时间/高度分辨率，以及前所未有的全天时测量能力，在气象和大气科学研究中具备广阔的应用前景。今后，可以进一步优化该激光雷达系统，力求为我国气象业务和大气科学研究提供国际领先的遥感探测装备。
团队简介
武汉大学地球与空间科学技术学院“大气激光雷达团队”（团队负责人：长江学者易帆教授）长期从事各种大气激光雷达的研发和科学应用工作。团队自主研制出不同种类的大气激光雷达系统，通过分析大气激光雷达观测数据，推动了相关大气物理过程的理解。
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