兰州台榆中站中高层风温激光雷达技术与初步观测结果_汪为.pdf

第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-05-11基金项目:科技部重点研发计划(编号:2022YFC2807201);国家重大科研仪器研制项目(编号:41827801);国家重大科技基础设施兰州台榆中站中高层风温激光雷达技术与初步观测结果汪为1，4，程学武1，刘林美1，夏媛2，王积勤1，4，黄忠伟3，史晋森3，李发泉1(1.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院波谱与原子分子物理国家重点实验室，武汉 430071;2.南京晓庄学院，南京 211171;3.兰州大学，兰州 730030;4.中国科学院大学，北京 100049)摘 要:为提升我国中高层大气的三维监测能力，在子午工程二期“井”字形重要节点 兰州台榆中站，完成了中高层风温激光雷达的建设。本激光雷达融合了瑞利散射和钠层共振荧光两种工作机制，并采用了原子饱和吸收激光频率锁定、超窄带原子滤光、激光三频率自动切换等技术，实现了兰州上空 25km 80km 中层大气密度、80km 110km 钠层原子数密度、温度和风场的同时探测。关键词:激光雷达;中高层大气;风场;温度;大气观测中图分类号:P412.25文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)06-02131doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.022Lidar Technology and Preliminary Observation esults ofWind Temperature in the Middle and Upper Atmosphereat Lanzhou Yuzhong StationWANG Wei1，4，CHENG Xue-wu1，LIU Lin-mei1，XIA Yuan2，WANG Ji-qin1，4，HUANG Zhong-wei3，SHI Jin-sen3，LI Fa-quan1(1.State Key Laboratory of Magnetic esonance and Atomic and Molecular Physics，Innovation Academyfor Precision Measurement Science and Technology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071;2.Nanjing Xiaozhuang University，Nanjing 211171;3.Lanzhou University，Lanzhou 730030;4.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049)Abstract:To further improve the three-dimensional monitoring capability of our country s middle and upper atmos-phere，the construction and observation of a lidar platform is conducted for the first time at an important node(E104.13，N35.95，Yuzhong，Lanzhou)of the“well”shape for the second phase of the Meridian project in China.Two detectionmechanisms，ayleigh scattering and Na layer fluorescence scattering are integrated in the lidar platform.In addition，these第 5/6 期汪为等:兰州台榆中站中高层风温激光雷达技术与初步观测结果techniques such as atomic saturation absorption laser frequency locking，ultra-narrowband atomic filtering，laser three-fre-quency switching and other technologies are employed，and simultaneous detection of 25km 80km middle atmosphere den-sity，80km 110km Na layer atomic number density，temperature and wind field above Lanzhou has been realized.Key words:lidar;middle and upper atmosphere;wind field;temperature;atmospheric observation0引言中高层大气通常指地球上空 30km 120km 范围的大气层1，包括平流层的顶部、中间层以及热层的底部，所占大气的质量不到 10%2，其区域内存在复杂的物理化学过程3，这些过程与全球气候的演变、天气的变化、人类活动、环境变化、太阳活动、地磁活动等密切相关4-6。因此，对中高层大气的研究能够为全球气候的变化、空间环境的监测、空间能量的动态变化、大气化学过程提供重要的数据来源。此外，对中高层大气温度、风场、密度等因素的研究对于航天器的运行姿态、高空信号的高效传输也有着重要的价值7。由于中高层大气比较稀薄，极大地加剧了大气的探测难度。因此，研究新型探测手段、提高设备的探测能力，一直是空间科学研究人员追求的方向。在现有的探测方法中，由于大气激光雷达相比于原位探测、卫星遥感以及微波雷达而言，能实现从近地面至 120km 高度范围内的大气密度、温度、风场等多个参数的长期稳定探测，且具有高时间/空间分辨率以及高探测灵敏度的优势8，因而大气探测激光雷达不仅能为空间科学研究提供好的探测手段，而且能为空间环境监测预报提供可靠的环境监测数据。国家重大科学工程 子午工程一期沿东经120子午线建立了北京、合肥、武汉、海南等激光雷达台站。为了进一步提升我国中高层大气的三维监测能力，建立我国自主的空间天气预报模式，子午工程二期将建立两纵两横“井”字空间环境监测网络，兰州台榆中站(E104.13，N35.95)正好处于空间环境监测网络的交汇点之一。本文即描述了兰州台中高层风温激光雷达的设计方案、关键技术以及初步观测结果。该激光雷达融合了瑞利散射与钠(Na)层共振荧光两种工作机制，三台1m 大口径接收望远镜分别对准竖直天顶、北向和西向三方向，在竖直探测望远镜上采用了双光纤焦面分光的技术9，实现了钠层荧光信号以及竖直方向瑞利信号四通道的同时获取。此外，该系统还采用了原子饱和吸收激光频率锁定、超窄带原子滤光、激光三频率切换等技术，实现了大气密度、温度和风场的同时探测。1兰州站中高层风温激光雷达方案该激光雷达站主要由激光发射单元、望远镜接收单元、信号探测单元以及激光雷达方舱组成，激光雷达系统结构如图 1 所示。激光发射单元由激光器、饱和吸收稳频、三频切换以及拉曼光纤放大器等组成。一台可调谐的半导体激光器作为种子光源，可产生单模连续的 1178nm 激光，一部分种子光倍频后经原子饱和吸收稳频装置，反馈控制种子光的输出波长，从而实现倍频后的激光波长长期稳定地锁定在钠原子 D2a饱和吸收峰值上。另一部分种子光经三频率声光切换以及拉曼光纤放大，可获得百毫瓦(mW)功率的连续激光，倍频后作为脉冲染料放大器的种子光。此外，将一台单模的 1064nm 大功率激光器倍频后的激光光束一分为二，一部分激光光束作用于大气分子产生瑞利散射;另一部分激光束用于泵浦脉冲染料放大器，并将产生的 589nm 激光光束分为三束，用于激发金属层钠原子产生共振荧光。望远镜接收单元包含三台 1m 大口径接收望远镜，分别对准竖直天顶方向、竖直方向偏北 30、竖直方向偏西 30的天空，用于接收这三方向发射激光回波信号。此外，在竖直探测方向上采用了双光纤焦面分光的技术，实现了竖直方向钠层荧光和瑞利信号以及两斜向钠层荧光信号总共三方向四通道信号的同时获取。在信号检测单元中，为了抑制白天天空背景光噪声的干扰，在 589nm 钠层荧光通道中采用了钠原子滤光器，在 532nm 瑞利散射通道中采用了F-P标准具对望远镜接收到的回波光信号进行超窄152导航与控制2022 年第 5/6 期图 1激光雷达系统示意图Fig.1Schematic diagram of lidar system带滤波，从而实现中高层风温激光雷达的全天时观测。激光雷达方舱为激光雷达提供恒温、除湿、洁净的工作环境，主要包括激光器间、望远镜间、检测间、显控操作间、休息间等部分，激光雷达方舱布局如图 2 所示。激光雷达方舱为激光雷达长期观测运行提供稳定可靠的环境保障。图 2激光雷达方舱布局图Fig.2Layout of lidar station此外，本激光雷达采用的关键技术有原子饱和吸收激光频率锁定、超窄带原子滤光以及激光三频率切换。1.1原子饱和吸收激光频率锁定本激光雷达采用了可调谐的半导体激光器作为种子光源，为了实现染料激光器稳频输出，需对种子激光束进行稳频。由于原子能级跃迁谱线是目前公认的频率基准，且原子发射光谱的频率基本不受外界因素干扰，因而在本文中采用了原子饱和吸收光谱锁频的方式，实现对发射激光波长的长期稳定锁定。饱和吸收稳频装置如图 3(a)所示，589nm 激光通过 1/2 波片和偏振分束器(PBS)，半波片用于调整种子激光束的偏振方向，使其与偏振分束器的透射方向一致，可用于调节入射激光能量。种子激光透过 PBS 后进入 Na 饱和吸收池作为泵浦光，使 Na 原子泡中的粒子被激发，另一束激光被 PBS反射后被光吸收器吸收掉。泵浦光经饱和吸收池和 1/4 波片后由分束镜(BS)反射，使得一部分激光光束原路返回到 Na 原子泡中作为探测光，与泵浦光形成共线的结构，再经偏振分束器后反射到光电探测器(DET)。当所使用的激光频率和 Na 原子的共振频率相同时，根据多普勒效应，只有在探测光和泵浦光路径上速度为零的原子才能同时与探测光和泵浦光发生相互作用10。由于泵浦光的能量相对较强，使得在探测光光路上速度分量为零的原子的基态数目相对较少，因而对探测光的吸收较弱，探测光的谱线经饱和吸收池后呈现吸252第 5/6 期汪为等:兰州台榆中站中高层风温激光雷达技术与初步观测结果收减弱的尖峰即超精细结构，如图 3(b)所示。图 3饱和吸收稳频装置与饱和吸收光谱Fig.3Diagram of saturable absorption frequencystabilization device and saturated absorptionspectroscopy激光器控制器根据探测到的饱和吸收信号，实现对激光波长的稳频控制。在本文中，将种子激光光束的波长通过反馈调节机制锁定在 Na D2a谱峰处，从而实现种子激光的长期频率稳定11。1.2超窄带原子滤光技术传统的滤光器如干涉滤光片，其通带宽度一般为几纳米，不仅视场小，且对入射光信号的角度有很高的要求12。对于双折射的晶体滤波器，其透射波长可以在 0.01nm 0.1nm 之间，该滤波器的滤光带宽与晶体的厚度成反比，增加晶体的厚度一方面会增加通带内的损耗，另一方面还会缩小其接收的立体角，难以满足在实际应用中的窄带宽和高透过率的需求13。由于原子滤光器(Faraday Anomalous DispersionOptical Filter，FADOF)具有透射率高、响应速度快、超窄带宽、可实时成像等特点14，因此本文采用了自主研制的超窄带钠原子滤波器，其透射波形如图 4 所示，透射谱线的半峰宽约为 4pm，归一化后的中心波长的透过率约 90%，带外抑