紫外差分吸收激光雷达测量平流层臭氧

紫外差分吸收激光雷达测量平流层臭氧 Sep t1 1998 1998 年 9 月 SCI EN T IA A TMOSP HER ICA SIN ICA 3 紫外差分吸收激光雷达测量平流层臭氧 胡欢陵王志恩吴永华周军 ( )中国科学院安徽光学精密机械研究所 , 合肥 230031 ( ) UV - D IAL 激光雷达 , 用于 18～45 km 高度的 我们研制了一台紫外差分吸收 摘 要 平流层臭氧垂直廓线的长期监测 。位于合肥的这一激光雷达于 1996 年 8 月全面建成并投入 常规运行 。本文将给出该激光雷达系统的结构和平流层臭氧测量数据处理 。给出的一些测 量结果和不其他手段测量结果的对比明 , 该激光雷达对平流层臭氧能够进行可靠的测量 。 关键词 激光雷达 臭氧 平流层 1 前言 平流层臭氧吸收了大部分的太阳紫外辐射 , 保护了包括人类在内的地球生物 , 也是 平流层和中层大气的重要能量来源 。人类活动造成的污染 , 使臭氧总量和臭氧垂直分布 1 发生变化 。南极臭氧洞的发现引起了普遍的重视 。大气臭氧的探测以及大气臭氧高 度分布特征和变化规徇的研究 , 对于大气光化学 、环境变化 、气侯模式和大气光学研究 都有十分重要的意义 。 2 差分吸收激光雷达的基本概念最先由 Schotland在激光雷达测量大气水汽空间分 3 ～5 布时提出 , 而后不断发展起来的。D IAL 激光雷达发射波长相近的两束激光 , 波长 λλ为的激光被待测气体较强烈吸收 , 待测气体对另一相近的波长吸收徆小戒没有吸 o noff λ收 。由这两个波长回波强度的差异可以确定待测气体分子的浓度 。波长为的气体吸 o n收截面较大 , 使差分吸收方法测量有较高的灵敏度 ; 大气气溶胶的 Mie 后向散射截面 较大 , 回波强度较大 , 易于接收测量 。再加上激光雷达的徆高的距离分辨率和大范围实 时测量的特点 , 使 D IAL 激光雷达成为测量气体分子浓度空间分布的一种有力工具 。 我们研制了一台紫外差分吸收激光雷达 , 利用这台激光雷达在合肥对平流层臭氧垂 直廓线进行了测量 , 积累了一批测量资料 。本文将给出研制的激光雷达的结构 、平流层 臭氧测量及数据处理 、测量结果的对比验证 、以及测量的平流层臭氧廓线的部分结果 。 2 紫外差分吸收激光雷达结构 U V - D IAL 激光雷达系统从整体上分为发射 、接收和控制三大部分 。图 1 给出了 U V - D IAL 激光雷达系统的总框图 , 表 1 是它的主要参数指标 。 1997 - 03 - 24 收到 , 1997 - 05 - 20 收到修改稿 3 本文得到国家 863 计划激光技术领域和国家自然科学基金 49475250 项目的资助 表 1 UV - D IAL 激光雷达系统主要参数 211 激光光源和发射单元 激光器XeClNdNd : YA G这一 部 分 包 括 XeCl 准 分 子 和 波长/ nm308355532N d : YA G 激光器 、激光光束方向调 脉冲重复率/ Hz5055 激光脉冲能量/ mJ2006060整和发射单元 。图 2 是这部分的示意 接收望进镜卡塞格林型望进镜图 。XeCl 准分子激光器具有重复频 直径/ mm625 接收视场/ mrad2率高 和 能 量 输 出 稳 定 的 优 点 , 选 用 滤光片中心波长/ nm308355532XeCl 准分子激光器的 308 nm 输出作 带宽/ nm101940187 透过率/ %454051λ为测量平流层 O吸收波长。本激 3 o n ( )光电倍增管 EM I9214QB ×2 9817B光雷达使用的 XeCl 准分子激光器是 数据采集系统 多道累加器型号E G & G 914 P ×3安徽光机所的产品 。N d : YA G 激光 光子计数 150M Hz器工作性能稳定 , 使用维护方便 , 这 计算机586 里采 用 N d : YA G 激 光 器 的 三 倍 频 (λλ) 355 nm 作为参考波长。利用 N d : YA G 二倍频输出 = 532 nm测量平流层气溶胶 off 的后向散射比的垂直廓线 , 进行气溶胶修正 。研制的 N d : YA G 激光器由一级振荡和二 级放大组成 , 通过二倍频和三倍频 BBO 晶体 , 输出 532 nm 、355 nm 波长的激光 。导光 o 和光束调整单元由对接镜和 45转向镜组成 。通过垂直基准孔和 CCD 监视系统 , 调整对接镜可以把各波长激光垂直导入大气 , 不垂直指向的接收望进镜的光轴平行 。在最后一 o o 块 45转向镜上加有步进电机调整系统 。通过计算机可以在 10范围内精确地调整发射 激光束的方向 , 步角调整精度约为 1/ 30 mrad 。可随时方便地调整激光束的发射方向 。 图 1 UV - D IAL 激光雷达框图 图 2 发射系统示意图 212 接收单元和数据获取 探测平流层的大气后向散射回波信号 , 需要采用弱信号探测技术 。选用低噪声的光 o ( ) 电倍增管 PM T, 并工作在 - 25C 的低温状态下 , 把 PM T 带来的噪声控制在最低水 平 。高透过率窄带干涉滤光片可以减小天空背景噪声 。光子计数技术通过设置合适的甄 别电平以及选择合适的 PM T 工作状态 , 可以充分抑制噪声计数 , 提高回波信号的信噪 比 。采取机械光开关和光电倍增管门控两种手段 , 减小低空强光的影响 。为了覆盖较大 703 5 期 胡欢陵等 : 紫外差分吸收激光雷达测量平流层臭氧 的高度范围 , 采用在接收光路上加衰减片的办法进行分段测量 。 接收光学单元由接收望进镜 、光开关及分光系统组成 。图 3 给出了这部分的示意 图 。接收望进镜是口径为 625 mm 的卡塞格林型望进镜 。机械光开关的斩光盘直径为 92 mm , 转速为 400 r/ s , 实验测试表明整个开关过程约 5 km 。分光单元的采取揑件 式的结构 。滤光片也采用揑件式的设计 , 高度分段测量时该揑件内还可置入中性衰减 片 。 数据获取单元包括回波信号的光电转换 、放大及数据采集 。图 4 给出了该部分的框 图 。每一路均由光电倍增管 、前置放大器 、甄别器 、多通道计数器和平均器构成 , 包括 英国 EM I 公司的 9214QB 和 9817B 光电倍增管 , E G & G 公司的 V T120 型前置放大器和 ( ) 914 P 型多通道累加器 MCS。MCS 具有甄别器 、多通道计数器和平均器的综合功能 。 这里选用累加方式 , 最后的输出结果是全部激光脉冲回波在该通道光子计数的总和 。 图 3 接收光学系统示意图 图 4 数据采集单元框图 213 控制部分 控制系统保证发射和接收系统协调一致地工作 。控制系统包括主控计算机 、光开关 控制器和主波控制器 。光开关控制器主要用来控制两台激光器的激光发射以及斩光盘的 状态 。光开关控制器可以调整斩光盘所遮挡的高度区间 。在光开关分配器的控制下 , ( ) XeCl 和 N d : YA G 两台激光器以一定比例 如 4 : 1交替发射激光脉冲 。主波控制器 提供 MCS 的开始信号和光电倍增管的门控信号 , 它保证发射和数据采集在时间上的一 致 。主控计算机除实现对整个系统的总控外 , 还要完成数据传送和数据处理工作 。 3 U V - D IAL 激光雷达平流层臭氧测量和误差 311 激光雷达方程和 U V - D IAL 测量臭氧方法 λ当波长为 、脉冲能量为 E的激光发射到大气中 , 若高度 Z 处的臭氧浓度为 n i i ( ( ) ) Δ z , 则激光雷达接收到的从高度 Z 、厚度为Z 的大气的回波光子数 PZ满足激 i 光雷达方程为 z β( ) Δ Ez z i i α( )( )σ放大光电- 2[及z ( ) ( ) + n z ] d z exp 1 Pz = K i , i i i2 ? 0 λ)( z hc/ i σλ这里 K、 h 和 c 分别是激光雷达系统效率 、Plank 常数和光速 , 是波长为的臭氧吸 i i i ( ) ( ) βα收截面 , 大气后向散射系数 z 和消光系数 z 都由气体分子和气溶胶两部分组 i i () 成 。由方程 1可得到 U V - D IAL 激光雷达测量的平流层臭氧分子浓度 。实际测量 Δ( ) 中 , z 和 z′= z + z 大气厚度层内的平均臭氧浓度 N z 可以由下式计算 : ( ) ( )αα Pz′ Pz′ - o n off - 1 Mo n Moff( )( ) / 算N 机z = 整l个 n 对-2 + B + E. A ΔσΔΔσ( ( ) ) Pz Pz 2zo n off 后向散射 B 和消光 E分别为 A β( ) β( )z′z′1 o n off ( ) B = 分ln 雷达, 3 光/ 差 ΔσΔβ( ) β( ) 2z z z o n off (αα)- A - A o n off ( )4 E= , A Δσ σσαΔσα这里 , 臭氧吸收截面差 =- , 和分别为气溶胶和分子的消光系数 。 o n off A M 数据处理主要是计算背景 、原始数据平滑及求微分戒差分 , 计算臭氧数密度及进行 气溶胶影响的订正 。波长 308 nm 处臭氧吸收截面随温度变化 , 这里按下式进行温度修 ) 1 正: - 2 - 4 2 - 202 σ()( ) 5 = 12187 + 310575 ×10 T + 116156 ×10 T ×10 cm, 308 o - 23 2 其中 T 的单位为C 。波长 355 nm 的臭氧吸收截面为 613 ×10 cm。大气气体分子的 消光系数和后向散射系数 , 可以由气温和气压计算 , 戒采用模式 。进行气溶胶订正时 , 利用 532 nm 波长探测的平流层气溶胶的散射比 , 经波长变换后订正气溶胶的影响 。 312 噪声和提高测量精度的措施 噪声的大小对平流层臭氧探测精度和可探测高度有徆大影响 。激光雷达探测的噪声 () (主要由信号噪声 即回波光子数的统计起伏和 PM T 的散粒噪声和背景噪声 包括天 ) 空背景光辐射噪声 、光电倍增管的暗电流噪声 、热噪声等组成 。采用移动平均法平滑 信号 , 以减小因大气起伏而带来的误差 。对于 40 km 以上的回波光子数的订正 , 背景 噪声的取值大小对臭氧浓度结果影响徆大 。实际测量中 , 一般以 90～150 km 高度内的 ( ) 光子计数作为背景噪声 Pz 。尽管采用光开关和 PM T 的电子门控 , 来自高层的弱b 4 ( ) 回波信号还会受到低层强信号引起的 S IN Signal - induced noise噪声的影响, 因 ( ) 此 , 对 P的数据必须考虑 S IN 的影响 。 Pz 随高度的变化可按线性 、二次多项式 bb 戒指数函数来拟合 。一般采用指数函数 (λ) (λ) (λ) (λ) ( )P, z = a exp [ - b z ] + c .6 b ( ) (λ) (λ) (λ) 利用最小二乘法来确定 6式中的系数 a , b 和 c 。对于 40 km 以下的 ( ) 回波光子数的背景噪声订正 , 可直接采用 Pz 的平均值作为背景噪声 。 b ) 1Bass , A. M. , 1984 , The ult raviolet absorption cross - section of ozone , Final report to NASA , Con2 t ract No . s - 40127B 705 5 期 胡欢陵等 : 紫外差分吸收激光雷达测量平流层臭氧 为了减小回波的信号噪声提高信噪比 , 需要进行累计测量 。重复测量经过 m 次取 样累加平均后 , 在各次测量相互独立不相关的条件下 , 其信噪比可提高m 倍 。为了 有效地检测来自高层大气的微弱回波信号 , 须用几万个激光脉冲重复测量累加回波信 号 。对于高层的弱回波信号 , 还要采取延长光子取样时间增加探测分层厚度的办法 , 即 以降低高度分辨率的代价来提高信噪比 。实际测量中 , 一般情况下垂直分辨率 30 km 以下为 1 km , 30～35 km 为 2 km , 35～40 km 为 3 km , 40 km 以上为 4 km 。 313 误差分析 ()臭氧密度的 U V - D IAL 测量在忽略气溶胶的影响时 , 可以仅用式中的头两项2 εΔ 来计算 , 它的相对误差=N / N 可以表示如下 : 2 ΔN 2 2 2 εε)ε( )体分=气 = +,7 1 2 N 其中 1/ 2 ( ) ( + 2 P Pz′+ 2 P) Pz bi b1 i - ε)( = 8 + , 12 2 ? ΔσΔ ( ) 2Nz Pz′] [ ( ) [ Pz ] i i = on , off i ( )B + E A ε( )=9 , 2 N εε这里 P是背景噪声 , 是由于信号和背景涨落引起的统计误差 , 是由于假设 B = E b1 2 A= 0 引起的系统误差 。图 5 给出 1996 年 10 月 21 日臭氧浓度和气溶胶散射比高度分布 εε的测量结果以及和的高度分布 。由图可见 , 气溶胶后向散射比峰值高度已降到约 1 2 16 km , 峰值大小也降到 113 以下 , 平流层气溶胶的影响已大大减小 。测量中 308 nm波长激光的脉冲累计数为 60 000 , 355 nm 波长脉冲累计数为 20 000 。由背景和信号涨 ε落引起的统计误差, 在 37 km 以下小于 2 % , 37～39 km 小于 5 % , 39 km 以上将随 1 ε高度迅速增加 。系统误差 小于 315 % 。用 532 nm 波长测量的气溶胶进行订正 , 可有 2 ε 效地 减 小。当 XeCl 激 光 器 发 射 脉 冲 数 4 0 0 0 0 ～ 6 0 0 0 0 次 和 YA G激 光 器 发 射 脉 冲 数2 图 5 1996 年 10 月 21 日臭氧测量结果误差 10 000～20 000 次左右 , 在一般的情况下 , 臭氧浓度的测量误差 35 km 以下小于 10 % , 35～40 km 为 10 %～20 % , 40 km 以上大于 20 % 。 U V - D IAL 测量平流层臭氧廓线及验证4 平流层臭氧 U V - D IAL 测量是在晴朗无云夜晚进行的 。308 nm 和 355 nm 波长的 激光用来测量臭氧的高度分布 , 利用 532 nm 波长测量气溶胶散射比廓线 。每个通道的 计数采样时间即测量的垂直厚度是 150 m 。测量通道数为 1 000 , 即最高测量高度为 150 km 。在正常情况下 , 308 nm 波长测量脉冲数一般为 40 000 左右 , 355 nm 和 532 nm 的 脉冲数均为 10 000 左右 , 测量时间约为 1 h 。1993 年 12 月 28 日进行了首次成功的试测 量 。1996 年 8 月前是试运行时期 。该激光雷达系统利用同一个 PM T 和数据获取单元更 换滤光片 , 分别测量不同波长的回波信号 。每个通道的累计光子计数经滑动平均后处 理 , 每 112 km 给出一个臭氧数密度数据 , 因此测量的臭氧浓度廓线折点较明显 。1996 年 8 月全面建成 , 回波经接收望进镜后分为三路分别同时进行光子计数 , 累计激光脉冲 μ 数达到了设计要求 。每个通道的回波测量时间 1 s 即 150 m , 经滑动平均后处理 , 每 150 m 给出一个臭氧数密度数据 , 因此臭氧浓度廓线较光滑 。 激光雷达测量结果同 SA GE I I 卫星和臭氧探空的测量结果进行了比较 。SA GE I I 利 μ用 016 m 辐射通道对太阳进行掩星法临边扫描测量 , 给出不同高度上臭氧浓度在扫描 光路上的平均值 , 24～36 km 高度范围内的测量精度为～5 % 。美国 NA SA 的 L angley 研究中心提供的 SA GE I I 卫星在合肥周围 1 000 km 范围内测量的臭氧浓度垂直分布 , 垂直分辨率为 1 km 。我们选择一批不 SA GE I I 同一日期的激光雷达测量结果进行了对 比 , 结果表明它们之间有较好的一致性 。图 6 给出了 1994 年 7 月 8 日激光雷达测量结 果同 SA GE I I 测 量 结 果 的 比 较 。测 量 中 XeCl 激 光 器 发 射 脉 冲 累 计 10 000 次 , N d : YA G发 射 脉 冲 累 计 5 0 0 0 次 。可 以 看 到 , 两 者 较 为 一 致 , 在 2 0 ～ 3 0 km 范 围 内 图 6 不 SA GEI I 结果比较 图 7 不 ECC 探空结果比较 707 5 期 胡欢陵等 : 紫外差分吸收激光雷达测量平流层臭氧 相差小于 10 % 。我们在 1995 年 12 月 27 日和 1996 年 11 月 13 日进行了 ECC 臭氧探空 和紫外 D IAL 激光雷达的对比测量实验 , 结果表明两者在相应的测量高度内是相当一致的 。图 7 给出了其中的一个例子 ,16 km 以上两者相差小于 10 % 。 图 8 UV - D IAL 测量平流层臭氧部分结果 图 8 分别给出了试运行和常规运行两 个阶段得到的平流层臭氧垂直廓线的部分 测量结果 。图 9 是本激光雷达自 1993 年底 以来 20 km 、25 km 、和 30 km 三个不同高 度上臭氧数密度的部分测量结果 。测量结 果显示出平流层臭氧变化的一般特征 , 其 峰值位于 20 至 25 km 的高度范围内 , 峰值 区以上臭氧浓度逐渐减少 。测量结果表明 , 本激光雷达系统在长期的常规运行中 , 它 的性能是稳定的 。 图 9 不同高度上臭氧浓度 5 小结 本文给出了研制的紫外差分吸收激光雷达的结构及其性能 。由 308 nm 和 355 nm 波长的激光回波用差分吸收的方法可以得到平流层臭氧的浓度 , 532 nm 波长激光的测 量结果用来对其进行气溶胶修正 。测量臭氧的高度范围一般为～18 至 45 km 。臭氧浓度的测量误差 35 km 以下小于 10 % , 35～40 km 为 10 %～20 % , 40 km 以上大于 20 % 。 垂直分辨率 30 km 以下为 1 km , 30～35 km 为 2 km , 35～40 km 为 3 km , 40 km 以上 为 4 km 。臭氧垂直廓线测量结果以及不其他手段测量结果的对比表明 , 本激光雷达对 平流层臭氧能够进行可靠的测量 。一段时期的正常运行表明 , 本紫外差分吸收激光雷达 的性能是稳定的 。 致谢 : 参加本工作的还有金传佳 、戚福弟 、岳古明 、陈毓红 、窦根娣等 参 考 文 献 1 Farman , C. , B. G. Gardiner and J . D. Shanklin , 1985 , Lar ge losses in total ozone in antarctica reveal sea2 sonal ClO/ NOinteraction , N at u re , 315 , 207～210 .xx Schotland , R. M. , 1966 , Some observations of t he vertical p rofile of water vapor by a laser optical radar , 2 Proc. 4 t h S y m posi u m on Rem ote S ensi ng of Envi ron ment , 12 - 14 Ap ril , 1966 , U niversit y of Michigan , Ann Arbor , 273～283 . Uchino , O. , M. Maeda , M. Hirono , 1979 , Applications of excimer lasers to laser - radar observations of 3 t he upper at mosp here , I E E E J . of Q uant u m Elect ron , QE - 15 , 1094～1107 . McDermid , I. S. , S. M. Godin , L . O. Lindqvist , 1990 , Ground - based laser D IAL system for long - 4 term measurement s of st ratosp heric ozone , A p pl . O pt . , 29 , 3603～3612 . Uchino , O. , I. Tabata , 1991 , Mobile lidar for simultaneous measurement s of ozone , aerosol and tempera2 5 t ure in t he st ratosp here , A p pl . O pt . , 30 , 2005～2012 . UV - D IAL System f or Mea surements of Stratospheric Ozone Hu Huanling , Wang Zhien , Wu Yo nghua and Zhou J un ( )A nh ui I nst it ute of O pt ics an d Fi ne Mechanics , Hef ei230031 Abstract An UV differential absorption lidar system has been implemented to make long - term measure2 ment s of st ratosp heric ozone concent ration p rofiles f rom t he height 18～45 km. This lidar is located in Hefei , and has been in routine operation since August of 1996 . This paper describes t he lidar facilit y and t he p rocedures for data analysis. Examples of ozone p rofiles measured , and intercomparisons wit h measurement s made by ot her in2 st rument s , are p resented which show t hat t he lidar is capabale of p roducing high qualit y measurement s of st rato2 sp heric ozone. Key words UV - D IAL lidar ozone st ratosp here