據(jù)中國激光雜志社網(wǎng)，于2025年10月26日報(bào)道，在國家自然科學(xué)基金委國家重大科研儀器研制項(xiàng)目的持續(xù)支持下，武漢大學(xué)易帆教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明并自主研制出世界上首臺基于單支譜提取的純轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達(dá)，能夠精準(zhǔn)測量大氣溫度廓線和氣溶膠/云后散系數(shù)廓線。
該儀器是目前全球唯一可在無需標(biāo)定的條件下，對大氣溫度廓線實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格物理測量的遙感設(shè)備。此外，該激光雷達(dá)還攻克了氣溶膠/云探測中“一個(gè)雷達(dá)方程、兩個(gè)未知量”的長期難題，嚴(yán)格推導(dǎo)出氣溶膠/云的后向散射系數(shù)和消光系數(shù)，為以往難以獲得準(zhǔn)確觀測結(jié)果的氣溶膠/云激光雷達(dá)探測提供了測量基準(zhǔn)。
01、研究背景
基于單支譜提取的純轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達(dá)代表一種精準(zhǔn)測量大氣溫度廓線的主動遙感方法，其思想由Cooney在1972年提出。但在過去五十多年間始終停留在概念層面，未能技術(shù)實(shí)現(xiàn)。原因在于大氣純轉(zhuǎn)動拉曼譜是N2和O2分子譜線的密集混合，而早期商業(yè)濾光片帶寬不足以提取單支譜線。此外，在測量氣溶膠/云光學(xué)特性廓線時(shí)，激光雷達(dá)方程數(shù)量少于待解未知量，反演時(shí)需引入額外假定，從而增加不確定性。
易帆教授課題組分析大氣N2和O2分子純轉(zhuǎn)動拉曼譜線，發(fā)現(xiàn)N2分子存在兩條單支譜線，具備利用最新商業(yè)器件孤立提取的可能。基于此，課題組研制出世界首臺基于單支譜提取的純轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了大氣溫度以及氣溶膠/云后散系數(shù)廓線的全天時(shí)精準(zhǔn)遙感測量，為大氣科學(xué)研究和氣象環(huán)境監(jiān)測提供了有效工具。
02、激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測量結(jié)果
為闡明基于單支譜提取純轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達(dá)的測量方法學(xué)，課題組計(jì)算了空氣純轉(zhuǎn)動拉曼光譜，如圖1所示。對于532.237 nm的激發(fā)波長，N2分子斯托克斯分支純轉(zhuǎn)動拉曼譜中轉(zhuǎn)動量子數(shù)J=4和J=14的兩支譜線與其相鄰O2分子純轉(zhuǎn)動拉曼線的間距均大于0.14 nm。因此，采用商業(yè)器件可實(shí)現(xiàn)對這兩個(gè)N2分子單支譜線的孤立提取。
課題組設(shè)計(jì)構(gòu)建基于單支譜提取的純轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)（圖2）。發(fā)射機(jī)為種子注入二倍頻Nd:YAG激光器，以30 Hz重復(fù)頻率發(fā)射532.237 nm激光束。大氣后向散射光由0.3-m和1.0-m口徑望遠(yuǎn)鏡同時(shí)收集，經(jīng)各自后繼光路輸出準(zhǔn)直光束，饋送至自主研制的三通道多色儀。它分別精準(zhǔn)孤立提取N2分子斯托克斯轉(zhuǎn)動量子數(shù)J=14和4的純轉(zhuǎn)動拉曼線，以及彈性散射信號。每個(gè)拉曼通道采用雙窄帶濾光片和一個(gè)法布里-珀羅干涉儀進(jìn)行信號提取。法布里-珀羅干涉儀為石英腔標(biāo)準(zhǔn)具，性能由工作溫度決定，研究人員專門制作了溫控裝置，使其工作于確定的溫度下，起伏小于0.03 K。法布里-珀羅干涉儀輸出的光信號經(jīng)透鏡會聚至光電倍增管，并轉(zhuǎn)化為電信號。彈性通道則由單一窄帶濾光片提取信號，再由光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號。整個(gè)系統(tǒng)共有6個(gè)獨(dú)立接收通道，其輸出電信號由6通道暫態(tài)記錄儀以模擬和光子計(jì)數(shù)模式同時(shí)采集存儲。經(jīng)預(yù)處理的光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨為1 分鐘，高度分辨為30 m。
組合J=4和J=14純轉(zhuǎn)動拉曼通道的雷達(dá)方程，可導(dǎo)出大氣溫度廓線的解析表達(dá)，其中兩個(gè)常數(shù)分別為物理常量和實(shí)驗(yàn)室可測量。即大氣溫度廓線T(z)可由激光雷達(dá)測得的兩個(gè)單支譜轉(zhuǎn)動拉曼通道的光子計(jì)數(shù)廓線嚴(yán)格解析得到，無需借助其他觀測標(biāo)定，表明這是一種獨(dú)立的物理測量。再組合J=4轉(zhuǎn)動拉曼通道和彈性通道的雷達(dá)方程，可獲取氣溶膠/云后散系數(shù)的嚴(yán)格表達(dá)式，這是迄今唯一能精準(zhǔn)測量氣溶膠/云后散系數(shù)廓線的方法。圖3給出了該激光雷達(dá)系統(tǒng)觀測的一次連續(xù)48小時(shí)大氣溫度垂直分布案例。
03、后續(xù)工作展望
課題組發(fā)明并自主研制的基于單支譜提取的純轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達(dá)，具有大的測量高度范圍、極佳的時(shí)間/高度分辨率，以及前所未有的全天時(shí)測量能力，在氣象和大氣科學(xué)研究中具備廣闊的應(yīng)用前景。今后，可以進(jìn)一步優(yōu)化該激光雷達(dá)系統(tǒng)，力求為我國氣象業(yè)務(wù)和大氣科學(xué)研究提供國際領(lǐng)先的遙感探測裝備。
團(tuán)隊(duì)簡介
武漢大學(xué)地球與空間科學(xué)技術(shù)學(xué)院“大氣激光雷達(dá)團(tuán)隊(duì)”（團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人：長江學(xué)者易帆教授）長期從事各種大氣激光雷達(dá)的研發(fā)和科學(xué)應(yīng)用工作。團(tuán)隊(duì)自主研制出不同種類的大氣激光雷達(dá)系統(tǒng)，通過分析大氣激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，推動了相關(guān)大氣物理過程的理解。
