悬空波导的拉曼激光雷达探测能力仿真统计研究

马征征

(中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107)



悬空波导的拉曼激光雷达探测能力仿真统计研究

马征征

(中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107)

摘要基于高空气球探空仪实测的34例悬空波导事件,仿真研究了拉曼激光雷达对其的探测能力,以指导设备选型和工作模式设置．利用蒙特卡洛方法计算了典型配置下激光雷达对各个波导的辨识概率,统计得到了平均辨识概率和能够辨识波导数．进一步考察了辨识概率随波导参数的分布,以及雷达参数对探测能力的影响．结果表明:拉曼激光雷达系统对悬空波导的辨识能力具有显著的挑剔性．最后,给出推荐的设备型号和工作模式．

关键词悬空波导;拉曼激光雷达;辨识概率;探测能力

引言

大气波导作为一种特殊电波环境能够影响电波传播,因此具有十分重要的意义．按照出现高度,其可以分为表面波导和悬空波导．两者相比,悬空波导的出现高度较高,通常介于几百米至几千米,因此探测手段较少．然而我国海域辽阔,临海海域波导发生频率很高,这对探测提出较高需求．目前成熟的探测方法主要是通过高空气球携带无线电探空仪升空,通过实地测量温度、湿度和压强等大气参量来间接获得折射率,提取波导．

激光雷达作为一种遥感探测设备,能够通过拉曼散射技术测量温度和湿度来间接获得大气折射率,探测悬空波导．目前,美国宾州州立大学和英国奇尔波顿天文台等单位均已成功开展了拉曼激光雷达对悬空波导的探测[1-2]．近些年国内也开展了利用拉曼激光雷达探测表面波导的研究,而对悬空波导的研究却较为有限[3-6]．对比无线电探空仪这种传统手段,激光雷达不仅能够获得连续和即时的大气折射率剖面,还能够通过俯仰和扫描探测获得二维或三维的波导结构．但从早期搭建的设备系统来看,其探测精度要相当于或略低于无线电探空仪[7]．依据激光雷达探测原理分析,悬空波导所处的高度较高(距离较远),因此,激光雷达所接收的信号光子数较少,泊松起伏噪声所占的比重会增大,进而影响测量精度．这是拉曼激光雷达测量悬空波导的主要误差来源．

中国电波传播研究所的ATS(气溶胶-温度-钠)激光雷达具备米、拉曼、瑞利和共振荧光散射等多种探测能力．该雷达暂不具有探测大气波导的能力,但能够探测氮气的振-转拉曼散射信号,这是湿度探测的两个通道之一．本文将以高探气球实测的悬空波导事件为例,仿真研究拉曼激光雷达对悬空波导的探测能力,为设备改进和选型、工作模式设置提供指导．

1探测原理

拉曼激光雷达技术已较为成熟．其通过探测振-转拉曼散射信号测量大气湿度,通过探测纯转动拉曼散射信号测量大气温度．拉曼激光雷达方程为

(1)

式中: 系数K=AN0Δrη,所含各量均是与距离无关的量,A是接收望远镜物理面积,N0是发射光子数,Δr是距离分辨率,垂直探测时即为高度分辨率,η是系统效率; O(r)是重叠因子,r是探测距离; 体后向散射系数β(λ0,λX,r)=n(r)σ(λ0,λX),n(r)是被探测物数密度,σ(λ0,λX)是微分后向散射截面,λ0和λX分别是发射波长和散射波长,下标X表示不同的波长(或物质种类)； 消光系数α=αa+αm,即包含气溶胶消光系数和分子消光系数； 噪声NB可以通过拟合消除．

对于湿度探测,通常采用对水气和氮气分子两个通道测量结果的比值来确定．水汽分压e(r)为

(2)

式中,PN2(r)为氮气分压．

对于温度探测,通常采用两个不同波长或波段内纯转动拉曼散射信号的测量结果反演．由于两个通道波长相近,消光系数近似相同．两通道比值为

(3)

注意到纯转动拉曼散射截面与温度有关,比值中包含了温度信息,即Q=Q(T)．通过与理论计算或标定的Q-T关系比对,即可得到温度．更具体的反演过程以及散射截面和消光系数的计算可参考早期的工作[5-6]．

气压是相对稳定的量,这里直接使用无线电探空仪的测量结果．得到大气折射率为

(4)

实际情况中,无论是湿度测量还是温度测量,各通道获得的信号(光子数)中均包含了起伏噪声．根据激光雷达的探测原理,该噪声服从泊松分布,有

k=0,1,2,…,N*(r),…,

(5)

在反演结果中引入误差．其中,N*(r)是无信号起伏时接收光子数．

在使用蒙特卡洛方法进行仿真时,对各波导剖面各接收通道各高度门内的接收光子数均按照该概率分布方式处理．

2波导描述

图1是悬空波导的几何特征及描述参量示意图．

图中,横轴是大气修正折射指数,纵轴是高度．ht、hb、hei分别为波导层顶高度(通常所称的波导高度)、波导层底高度、波导底高,ht和hb之间为波导层厚度,ht和hei之间为波导厚度,ΔM为波导强度．

我们于2009年6月17日至7月15日期间,赴广东省汕头市南澳岛开展了高空气球探空仪实验．施放了28个高探气球,所携带的探空仪记录了高度、温度、湿度、压强、风速和风向等信息．

提取出高度在500 m以上、强度在3.0 M-unit以上的悬空波导,总计获得了34个波导事件．这些波导的结构剖面分布如图2所示．

图1　悬空波导的几何特征及描述参量

图2　高空气球探空仪实测的34例悬空波导结构剖面分布

所有34例悬空波导,波导高度范围为575～5 005 m,平均值为2 144 m．波导厚度分布在33～208 m之间,平均值为86 m．波导层厚度分布在9～89 m之间,平均值为37 m．波导强度范围为3.0～11.0 M-unit,平均值为5.0 M-unit．

事实上,探空仪获得的波导参数相比真实值存在一定的误差．根据本文的研究目的,将探空仪获得的波导结果作为真实值,用以考察激光雷达对其的探测能力．这里,需要确立激光雷达辨识悬空波导的判据[9]．所谓成功辨识,要求测量到的波导强度值至少达到2.5 M-unit．

3仿真结果

3.1辨识概率随波导参数的分布

参考中国电波传播研究所的中型激光雷达系统,激光器采用美国Continuum公司的Powerlite 8020型号．发射波长为三倍频354.7 nm,重复频率为20 Hz,脉冲能量为300 mJ．发射累积时间为10 min．接收望远镜直径设为1 m．高度门为400 ns即30 m．重叠因子为1,雷达效率简单设定为1%[5]．

使用蒙特卡洛方法进行1 000次独立的仿真,将其中成功辨识的次数除以仿真总次数,得到激光雷达分别探测34例悬空波导的辨识概率．图3是辨识概率随波导高度的分布．

图3　辨识概率随波导高度的分布

图3中星号表示辨识概率随波导高度的分布．对于34例悬空波导,激光雷达的辨识概率分布非常宽泛,从0%至100%．经计算,平均辨识概率为64%,辨识概率达到90%的波导共有17例．这表明,该激光雷达系统能够成功辨识出50%(17/34)的悬空波导．图中实线拟合了辨识概率随波导高度的变化．其表现出辨识概率随波导高度的升高而略微升高．该规律表明:在该条件下,波导高度对激光雷达探测能力未表现出明显影响．辨识概率显现出两极分化的分布特征．这说明排除波导高度,存在对辨识概率影响起决定作用的其它因素．

图4是辨识概率随波导层厚度的分布．首先,从图上看到,辨识概率随波导层厚度表现出了十分显著的分布特征．对于层厚度较窄的波导,辨识概率倾向于低值;而对于层厚度较宽的波导,辨识概率倾向于高值．这表明波导层厚度是影响辨识概率的一个决定性因素．其次,实线使用函数y=a—bc-x(x为横轴坐标值,y为纵轴坐标值,a、b、c为拟合参数,下同)拟合了辨识概率随波导层厚度的变化,展示出了随波导层厚度增大,辨识概率从0%增大至接近100%的变化规律．

图5是辨识概率随波导厚度的分布．其大致展示了与辨识概率随波导层厚度分布类似的规律．但从实线的拟合情况可以清楚地比对出,其变化程度不如图4．这表明:同样作为表征厚度的参量,波导层厚度对辨识概率的影响更具决定性．从图1中波导层厚度的定义可以分析得到,波导层厚度内的折射率负梯度段是其被探测的基础．

图4　辨识概率随波导层厚度的分布

图5　辨识概率随波导厚度的分布

图6是辨识概率随波导强度的分布．首先,从图上看到,辨识概率随波导强度表现出了显著的分布特征．对于较弱的波导,辨识概率倾向于低值;而对于较强的波导,辨识概率几乎全达100%．这表明波导强度是影响辨识概率的另一个决定性因素．其次,实线拟合了辨识概率随波导强度的变化,展示出了随波导强度增大,辨识概率从低值增大至接近100%的变化规律．

上面研究表明,波导层厚度和波导强度对辨识概率有着决定性影响．图7是激光雷达探测悬空波导辨识概率随这两个因素的二维分布,以更好地体现出辨识概率分布规律．辨识概率值的大小通过圆圈颜色来表示．随着辨识概率由低至高,圆圈的颜色由红色向绿色转变．其次,蓝线使用函数(x-a)(y-b)=c(x为横轴坐标值,y为纵轴坐标值,a、b、c为拟合参数)拟合了红色和绿色圆圈的分割线．可以看到,辨识概率的低值(红色圆圈)均出现在蓝线的外侧,即波导层厚度较窄或波导强度较弱的部分．因此,拉曼激光雷达系统对悬空波导的辨识能力具有显著的挑剔性,其难以辨识具有窄波导层厚度或弱波导强度的悬空波导．

图6　辨识概率随波导强度的分布

图7　辨识概率随波导层厚度/强度的二维分布

3.2高度分辨率对探测能力的影响

下面考察不同高度分辨率下激光雷达对悬空波导的探测能力．其中,平均辨识概率是指34例波导辨识概率的平均值．辨识概率达到90%的波导,被认定为能够成功辨识,简称能够辨识．

从表1中看到,根据高度分辨率的不同,可以分为3个阶段．

当高度分辨率大于30 m时,平均辨识概率较低,能够辨识个数较少．这是因为许多具有较窄层厚度的波导在该高度分辨率下完全无法被检测出来．

随着高度分辨率继续减小至7.5 m,平均辨识概率逐渐增大,能够辨识个数趋向增加．这是因为在接收信号足够强的前提下,高度分辨率越小,激光雷达能够识别的高度向结构就越细．因此一些层厚度较窄的波导将能够被辨识出来．

表1　不同高度分辨率下的激光雷达对

当高度分辨率从7.5 m减小至3 m时,平均辨识概率略微下降,能够辨识个数减少．分析认为,这是因为高度分辨率提升的同时,单高度门内的接收信号光子数将相应降低,其中所含泊松起伏噪声比重就越大．原本一些能够辨识的波导可能被强噪声所淹没．因此当接收信号不够强时,距离分辨率的减小将可能导致探测精度降低而得不偿失．

最后,从表中可以选出在高度分辨率为7.5 m时,平均辨识概率达到最大值86%,能够辨识个数达到最大值20个(20/34,59%)．该结果表明在该激光雷达系统配置下,高度分辨率选择为7.5 m是最优的．

3.3雷达参数对探测能力的影响

考察另外两套不同激光器下雷达系统对悬空波导的探测能力．表2采用了比Powerlite 8020型号性能更优秀的Powerlite 9030型激光器;而表4中Surelite I-20型激光器性能要比Powerlite 8020型低一些,但其具有无需冷凝箱和价格便宜的优势．

表2　采用Powerlite 9030型激光器时雷达系统对

从表2可以看到,采用Powerlite 9030激光器后,在高度分辨率为30 m以上时雷达系统探测性能几乎没有提升．这再次说明制约该阶段探测能力的因素是较大的高度分辨率,而不是系统性能．而在较小高度分辨率条件下,探测能力均表现出了一定程度的提升．最优探测性能对应的高度分辨率仍为7.5 m．此时平均辨识概率达到89%,能够辨识个数达到25个(25/34,74%)．

从表3可以看到,采用Surelite I-20型激光器后,能够辨识个数出现下降．尤其在高度分辨率较小时,能够辨识个数显著下降,探测能力大打折扣．当高度分辨率为30 m时,能够辨识个数达到最大值,仅为12个(12/34,35%)．因此不推荐使用Surelite I-20型激光器．

表3　采用Surelite I-20型激光器时雷达系统对

4结论

基于高探气球探空仪实测的34例悬空波导事件,参考中国电波传播研究所激光雷达系统配置,仿真研究了激光雷达对悬空波导的探测能力．

通过研究辨识概率随波导参数的分布,得到如下结论:波导的出现高度未对激光雷达探测能力表现出明显影响,其不是影响辨识概率的决定性因素．波导层厚度是影响辨识概率的一个决定性因素．相比波导厚度,波导层厚度对辨识概率的影响更具决定性．波导强度是影响辨识概率的另一个决定性因素．拉曼激光雷达系统对悬空波导的辨识能力具有显著的挑剔性,其难以辨识具有窄波导层厚度或弱波导强度的悬空波导．

通过研究高度分辨率对探测能力的影响,得到如下结论:在高度分辨率为7.5 m时,能够辨识个数达到最大值20个(59%)．在该激光雷达系统配置下,高度分辨率选择为7.5 m是最优的．

最后,通过研究雷达参数对探测能力的影响,得到如下结论:采用Powerlite 9030型激光器后,最优探测性能对应的高度分辨率仍为7.5 m．能够辨识个数提升至25个(74%)．采用Surelite I-20型激光器后,探测能力下降明显,故不推荐使用Surelite I-20激光器．

致谢: 感谢中国电波传播研究所的康士峰研究员、张玉生高工、韩杰和郭相明工程师等在大气波导探测方面提供的帮助．

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A simulated statistical study on Raman lidar detection ability to elevated ducts

MA Zhengzheng

(NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

AbstractWith respect to 34 elevated duct events obtained by high-altitude balloon with radiosonde, we studied the detection ability of Raman lidar to them by simulation, to help selecting instrument type and setting operation mode. Using Monte-Carlo method, we calculated the identification probability of each duct detected by a lidar with typical configuration, consequently gained the statistically average identification probability and number of identifiable ducts. Furthermore, we surveyed the distribution of identification probability with parameters of duct, and the detection ability with parameters of lidar. The result indicates that the detection ability of Raman lidar to elevated ducts possesses remarkable difference. Finally, we bring forth the recommended instrument type and operation mode.

Keywordselevated duct; Raman lidar; identification probability; detection ability

收稿日期：2015-05-25

中图分类号O439

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)02-0376-06

DOI10.13443/j.cjors.2015052501

作者简介

马征征(1982-),男,湖北人,武汉大学空间物理学博士,中国电波传播研究所高级工程师,主要研究方向为激光雷达和大气探测等.

马征征. 悬空波导的拉曼激光雷达探测能力仿真统计研究[J]. 电波科学学报,2016,31(2):376-381. DOI: 10.13443/j.cjors.2015052501

MA Z Z. A simulated statistical study on Raman lidar detection ability to elevated ducts[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):376-381. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015052501

资助项目: 国家自然科学基金 (41104102)

联系人： 马征征 E-mail: zh.zh.ma.7@gmail.com