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瑞利激光雷达探测大气温度廓线
摘要:介绍了使用瑞利散射激光雷达探测平流层大气温度的原理,给出数据的反演方法。对模拟数据进行相应的计算分析,探讨提高反演精度的实用算法;,对25~55km高度进行温度反演,并将参考温度分别增加和减少5%,进行对比与分析,验证在不同高度上对温度探测结果的影响。
关键词:激光雷达;瑞利散射;温度
中图分类号:TN958 文献标识码:A
引言
由于光波能够实现对大气光学及其物理特性、气象和气候参数进行高时空、高分辨率的精细化探测,所以激光雷达在大气遥测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势[1]。
虽然目前L625激光雷达仅在个别学校和科研单位(例如南京信息工程大学、中科院安徽光机所等)投入使用,但未来的使用范围应该能得以扩大,因此,能提前做好该雷达的相关性能研究是有必要的。
1 原理
气溶胶粒子在平流层的中上部造成的散射回波可以忽略不计;大气密度廓线可以由某一高度上的大气密度计算得出;理想气体下的状态方程、大气静力学方程相结合,可以得到大气温度。
2 仪器
L625激光雷达分为激光发射、回波信号接收和数据采集及控制3部分;是由计算机控制测量过程,并存储采集到的数据;它是一台多功能的大气探测激光系统。
3 算法分析
模拟信号生成
从图1中可以验证结论:当观测高度达到70km后,回波信号随高度的增加基本没有太大变化,均在1~10之间。因此可以近似认为,从70km高度向上的部分,雷达测得的回波信号平均值即为背景噪声,并且初步推算其数值应该在1~10之间。
参考点的影响
参考高度选取越高越好,参考高度的温度数值一般采用模式或探空资料。下面来分析参考温度值的影响。数据采用2011年11月25日21时26分的观测数据,,对25 ~55 km高度进行温度反演。反演时,将参考温度分别增加5%和减少5%,并将测量结果与原始结果对比,得到的对比情况如图2所示。
图2 参考温度对于测量结果的影响对比
当参考温度取值偏小时, 反演的温度结果亦偏小。当参考温度取值偏大时, 反演的温度结果亦偏大。但是, 不同高度处的温度受影响程度