Optics Express | 基于氧气校正的激光外差辐射计

研究背景

   近20年来，全球数值天气预报模式( NWP )的性能不断提高。NWP模式从本质上描述了大气运动规律，广泛应用于中短期天气预报、环境变化、气候预测等领域，可为7天天气预报提供依据。大气风场是数值天气预报模式最重要的初始输入场之一，其精度对数值天气预报模式的性能有重要影响。世界气象组织( WMO)对全球风场观测的要求是垂直分辨率为0.2-5 km，测量精度为1.5-5 m/s。此外，对大气风场的研究不仅可以为大气动力学过程提供有益的见解，促进大气空间研究，还可以确保空间活动的安全。

导读

    激光外差辐射计具有高光谱分辨率的特点，可以很容易地探测到风场引起的透射光谱的微小多普勒频移。激光外差辐射计还具有轻便、可靠、便携和低成本等优点，近年来受到了相当大的关注。在本文中，我们开发了一种用于平流层和对流层风场探测的高分辨率氧校正双通道激光外差辐射计。利用研制的带有平衡探测器的LHR作为光混频器，获得了高分辨率的CO₂在大气柱中的透射光谱。在观测过程中同时获得了O₂的透射谱，基于约束Nelder – Mead单纯形法，利用O₂透射光谱对温度和压力剖面进行了修正。视线上的大气风场廓线是基于最优估计算法检索大气CO₂透射光谱得到的，精度为-5 m/s。结果表明所开发的高分辨率氧气校正的激光外差辐射计具有良好的大气风场探测性能。

    相关成果以“High-resolution oxygen-corrected laser heterodyne radiometer (LHR) for stratospheric and tropospheric wind field detection”为题在Optics Express期刊上发表。该论文第一作者为博士生李竣，通讯作者为高晓明研究员和谈图副研究员。

创新研究

实验装置示意图及原理   

    近红外双通道LHR示意图如图1所示。使用自制的精度为7弧秒的太阳跟踪器对太阳进行跟踪。CO₂和O₂吸收的太阳辐射通过准直器耦合到单模光纤中。光纤光开关通过光纤开关的驱动电路将太阳辐射分为调制频率为125 Hz的两路调幅信号。一个幅度调制的太阳光从光纤开关中被一个10:90的光纤分束器分离出来，其中90 %的部分通过光纤耦合器与中心在1.27mm的DFB激光器的本振光耦合，然后连接到光电探测器用于测量O₂透射谱，而10 %的部分连接到光电探测器用于监测太阳能功率。另一束振幅调制的太阳光通过2×2光纤耦合器与另一束中心波长为1.603mm的DFB激光器的本振光耦合，然后与平衡探测器连接，用于测量CO₂的透射谱。PD1和平衡探测器产生的中频信号由射频处理模块( RM1、RM2)处理，其中RM1由Bias – T、290-400 MHz带通滤波器和三级低噪声放大器组成，每级增益为21 dB。然后将放大后的中频信号送入平方律检波器。RM2由一个0.3-10 MHz的带通滤波器和一个平方律检波器组成。RM1和RM2的输出信号都使用锁相放大器进行解调。

图1 高分辨率氧气校正激光外差辐射计示意图

图源：Optics Express（2023）https://doi.org/10.1364/OE.483123 (Fig.1）

    反演原理如图2所示。基于Hitran2016和Geisa数据库以及Py4cats，我们建立了逐线的大气辐射传输模型。O₂在大气中分布均匀，因此可以利用O₂透射光谱对大气温度和压力廓线进行修正。如图6所示，根据欧洲中期天气预报中心(ECWMF)和中国气象局气象资料服务中心(CMCC)的经纬度插值得到合肥地区的温度和气压先验廓线。根据合肥地区近几年的气象数据，确定了先验温度和先验压力的不确定度。从对流层到低平流层的压力和温度廓线是基于约束的Nelder – Mead单纯形法反演的。通过修改拟合系数，使得拟合的O₂透射光谱与实测O₂透射光谱之间的残差小于默认值。反演得到的温度和气压廓线作为风场反演的前向模型中的大气参数。反演迭代过程中，每个周期都要计算风场的雅克比矩阵。经过i次迭代后，使拟合的CO₂透射光谱与实测CO₂透射光谱之间的残差小于默认值。反演的风廓线为状态向量xi+1，利用反演的风廓线采用正演模型可以计算出最佳拟合的CO₂和O₂透射谱，并得到相应的风场廓线。

图2 反演流程图

图源：Optics Express（2023）https://doi.org/10.1364/OE.483123 (Fig.5）

结果及讨论

    分析了一组典型的透射光谱，用于确定大气温度和压力以及反演大气风场。2021年12月21日10：54测量了O₂和CO₂的透射光谱，太阳天顶角为56.63°。预处理后的LHR数据通过透射光谱与相应的ILS卷积得到。O₂和CO₂的反演结果分别如图3(a)、(b)和图4(a)、(b)所示，其中处理后的LHR数据(黑色曲线)、拟合光谱(红色曲线)和残差(蓝色曲线)以0.0001cm^-1为间隔呈现。如预期的那样，拟合的光谱与LHR光谱基本一致，残差随机分布，表明拟合效果良好。

图3 O₂反演结果,(a)预处理(黑色曲线),拟合(红色曲线)LHR透射谱;(b)残差。

图4 CO₂反演结果,(a)预处理(黑色曲线),拟合(红色曲线)LHR透射谱;(b)残差。

图源：Optics Express（2023）https://doi.org/10.1364/OE.483123 (Fig.8,9）

    在反演算法中导入风场先验廓线进行迭代。反演得到的视线方向风廓线如图5所示。左图为LHR测得的大气CO₂透射谱。先验风廓线(蓝色曲线)和视线上的检索得到的风廓线(红色虚线)显示在右侧面板中。

图5 左图为实测的大气透射光谱；右图显示了先验垂直风廓线(蓝色曲线)和反演得到的沿视线上的风廓线(红色虚线)。

应用与展望

    本团队提出了一种近红外双通道氧气校正LHR，用于测量对流层和低平流层的大气垂直风场。在LHR的CO₂通道中使用0.3-10 MHz的带通滤波器，获得了0.00067cm^-1的光谱分辨率。获得了合肥地区O₂和CO₂的透射光谱，在12 min的记录时间内获得了100的信噪比。采用约束Nelder – Mead单纯形法，通过O₂透射光谱对温度和压力剖面进行了修正。视线上的大气风场廓线是基于最优估计算法检索大气CO₂透射光谱得到的，精度为-5m/s。更详细的气象数据和长期观测数据可以应用于提高测量和反演结果的准确性。在未来的工作中，我们将致力于在不同的纬度和经度站点部署LHR，以测量不同方向的风场。