2010-2020 年激光雷达数据集

2021-07-09吴佛菊薛向辉易帆焦菁陈廷娣余长明柳付超杨国韬王继红杜丽芳

中国科学数据(中英文网络版) 2021年2期

关键词：激光束瑞利激光雷达

吴佛菊，薛向辉，易帆，焦菁*，陈廷娣，余长明，柳付超，杨国韬，王继红，杜丽芳

1. 中国科学院国家空间科学中心，空间天气学国家重点实验室，北京 100190

2. 中国科学技术大学，地球和空间科学学院，合肥 230026

3. 武汉大学电子信息学院，武汉 430072

4. 地球空间环境与大气测量教育部重点实验室，武汉 430072

5. 大气遥感国家野外科学观测研究站，武汉 430072

引言

位于地球大气80-110 km 的区域是中层顶区域，这一区域是大气与空间的分界并且在此区域中存在着大气金属层。流星消融机制被认为是大气金属层的来源[1]。当流星体进入地球大气层时，由于地球大气密度的增加，流星体会与地球大气发生强烈地碰撞与摩擦从而释放出金属元素形成大气金属层，如钠原子层、钾原子层、钙原子层等。由于大气金属层受到低层大气的波动和电离层的影响，它可以作为示踪剂去研究中高层大气和电离层耦合机制的研究。因此，大气金属层的探测研究十分重要。激光雷达具有高时空分辨率、高探测精度等优点，它可以覆盖卫星遥感和地基无线电设备的探测盲区，已经成为探测大气金属层的有利工具。Bowman 等人于1996 年首次完成了钠原子层的激光雷达探测[2]。随后，众多研究学者开展了对钠原子层的激光雷达观测。钠原子激光雷达是目前全球范围内技术最为成熟，分布最广，使用最多的激光雷达。

迄今为止，我们已经用子午一期的钠激光雷达对金属钠原子层进行了长达十年的激光雷达探测。通过对钠激光雷达得到的光子回波信号进行反演分析，我们得到了中层顶钠原子的密度变化特点以及钠原子层的夜间变化和季节变化规律。此外，我们还利用钠激光雷达数据发现了很多钠原子层的特殊现象，如突发钠层[3-5]、双钠层[6-7]、热层钠层[8-9]。这些特殊现象都与金属原子离子的相互转化有关，与电离层有着密不可分的关系。因此，子午一期的钠激光雷达数据为中高层大气与电离层的耦合研究打开了一扇新的大门。此外，子午一期的激光雷达还有瑞利激光雷达用来探测中层大气的密度和温度变化。该瑞利激光雷达数据被用来研究30-80 km 中层大气的温度变化趋势以及行星波、潮汐波、重力波等大气波动活动。

子午一期的瑞利激光雷达用于探测30-80 km 的大气密度和温度、钠激光雷达用于探测80-110 km 的钠层密度，实现了30-110 km 中高层大气的同时探测。本激光雷达数据集提供了中层大气密度温度和中层顶区域钠原子的密度。这些数据为中高层大气的研究提供了数据保障。

1 数据采集和处理方法

通过钠激光雷达和瑞利激光雷达向大气发射激光束，由于大气分子和金属原子的散射，从而使接收望远镜得到散射回来的光子数。对回波光子数进行反演处理便得到了本激光雷达数据集。

1.1 数据采集方法

子午一期建立的激光雷达的工作过程大体相似，因此主要以子午一期延庆台站建立的钠激光雷达和瑞利激光雷达为例介绍。其发射单元结构示意图如图1 所示。在发射单元中，一台Nd:YAG 固体激光器（Continuum PL9030）发出波长为1064 nm 的激光束，该激光束经过第一个倍频晶体后，产生了一束532 nm 的绿色激光束和剩余的1064 nm 基波光。532 nm 的绿色激光束经过扩束镜调整激光的发散角和准直度后，由全反镜发射到地球大气中，从而被用来进行瑞利信号的探测。对于剩余的1064 nm 的激光，采用二次倍频余光复用技术[10]将其进行二次倍频后得到另一束532 nm 的绿色激光束，用于泵浦钠染料激光器使其产生一束589 nm 的黄色共振激光束去探测钠原子层。该黄色激光束同样经过扩束镜后，由全反镜反射进入大气金属层中。532 nm 的绿色激光束和589 nm 的黄色激光束被同时发出，完成瑞利信号和钠原子层信号的探测。瑞利和钠原子层的回波光子由反射式望远镜接收。回波光子被反射到焦平面上然后进入石英光纤中，然后通过光纤到达准直透镜和滤光片，最后进入光电倍增管中。光电倍增管将光信号转化为电信号，最后由MCS 采集卡采集数据。

此外，使用WS6-200 波长计测量钠激光雷达和瑞利激光雷达发出的波长，并且使用自动锁频软件将波长的误差锁定在0.3 pm 之内。因此，激光雷达发出的波长较为准确。

图1 延庆台站钠激光雷达和瑞利激光雷达的发射单元

接收单元地主要设备是直径为1 米地反射式望远镜，该望远镜主镜镀了铝加SiO2保护膜，能够实现回波光子的全波段接收。望远镜接收到的钠原子层的回波信号和瑞利散射信号经过窄带滤光片后，信号中的背景噪声以及其他波段的信号被抑制，只保留了589 nm 和532 nm 的回波信号。这些微弱的回波信号被高量子效率的光电倍增管转换为电信号之后，由光子计数卡进行数据采集。

1.2 数据处理方法

1.2.1 钠激光雷达数据

钠激光雷达数据集包括共振荧光光子计数文件和钠层密度文件。荧光光子计数文件是钠激光雷达探测获得的原始数据文件。根据Megie[11]、Chu[12]提出的反演算法，将原始数据文件反演后得到钠层密度文件。其反演公式如下：

其中，n是钠原子的密度；nr是参考高度处的大气数密度，通常取参考高度为35-40km；Ns和Nr分别是在高度z处和在参考高度zr处接收到的光子数；Nb是背景噪声；σeff是钠原子的有效散射截面，σeff=5.22e-16 m2/sr；σr是参考高度处的瑞利散射截面，其值可由大气密度模式NRLMSISE-00 获得。E是钠原子层的消光系数，它的值为钠原子的密度和有效散射截面乘积的积分。

1.2.2 瑞利激光雷达数据

在瑞利激光雷达数据中，瑞利散射光子计数文件可以被用来反演30-80 km 的中层大气温度和密度。其中大气密度的反演公式为：

其中ρ(z)表示高度z处的大气分子数密度；ρ(zr)表示归一化高度处的大气密度（可由NRLMSISE-00 模式得到）；zr为归一化的参考高度，通常为30 km 以上；Ns是在高度z处的光子数，Nr是参考高度处的回波光子数，Nb是背景噪声。

若将ρ(zr)初始化为1，则得到了相对大气密度。在大气温度反演中，需要用到相对大气密度。

对于中层大气的温度反演，Alain Hauchecorne 和Marie-Lise Chanin[13]提出假设大气满足流体静力学平衡和理想气体状态方程，大气温度廓线可以由相对密度廓线反演得到，这个方法被称为CH 方法。我们根据CH 方法，我们选定参考高度zr（一般选择探测上限高度）后得到在高度zi处的大气温度T(zi)为：

其中，R 为理想气体常数，M 为理想气体摩尔质量，g(z)为z高度处的重力加速度，T(zr)为参考高度处的大气温度（可由NRLMSISE-00 模式得到）。

2 数据样本描述

子午一期的钠激光雷达和瑞利激光雷达的重复频率为30Hz，原始文件由1000 个激光脉冲产生。因此，激光雷达数据集中，每一个数据文件的时间分辨率为33s。由于每一个激光脉冲的停留时间为640ns，故每一个数据文件的空间分辨率为96m。激光雷达数据集中包含原始数据集和二级科学数据集。瑞利散射光子计数文件和荧光散射光子计数文件是MCS 格式的原始数据集。大气温度和密度文件以及钠层密度文件属于二级科学数据，其数据格式为ASCII，是由原始数据反演得到的。每一个数据文件名都包含了台站编码、设备类型编码、设备序号以及年月日和文件序号。激光雷达数据文件格式如表1。

表1 激光雷达数据文件格式

我们利用钠激光雷达和瑞利激光雷达的数据，得到了钠层典型的回波光子信号和瑞利回波信号，如图2 所示。

图2 钠层回波（左）和瑞利回波（右）

图3 钠原子密度（左）大气密度（中）大气温度（右）

图3 展示了将钠层和瑞利回波信号反演后，得到的典型的钠原子密度剖线以及大气密度和温度剖线。

此外，激光雷达的数据还可以进行重力波的研究。图4 展示了利用2009-2012 年的激光雷达数据，对北京地区重力波活动的研究结果[14]。

图4 不同波长重力波垂直波数的季节变化规律（上）和不同波长重力波垂直频率的季节变化分布（下）

3 数据质量控制与评估

在钠激光雷达和瑞利激光雷达采集数据的过程中，我们使用了WS6-200 波长计实时监测589 nm和532 nm，并且使用自动稳频软件严格控制了589 nm 和532 nm 这两个波长仅在0.3 pm 的范围内波动。这个波动误差对于钠原子层探测和瑞利信号获取的影响是微乎其微的。其次，在激光雷达系统的接收部分，使用了大口径的接收望远镜和窄带滤光片，很好地抑制了背景杂散噪声。这些细节提高了我们两台激光雷达的探测性能，并且得到了高信噪比的回波信号（图2）。