[发明专利]测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统

说明书

技术领域：

本发明设计了一种测量云中固、液态水含量的激光雷达探测方法与系统。本发明利用水的固、液态拉曼散射频移的不同，通过窄带滤光片及水的不同相态反演技术，获得云中固、液态水的含量。本发明使用SureliteⅡ-20激光器作为激光发射源，产生355nm波长的激光辐射，通过光学接收部分的4个探测通道：其中，两个水探测通道，使用窄带滤光片分别探测固、液两种相态水的特征拉曼回波信号，弹性散射通道用来探测气溶胶或云的光学特性，氮气拉曼通道则用来探测氮气的拉曼散射光，用于归一化水的拉曼散射信号；实现对云中水的相态进行探测。最后，通过水的固、液态拉曼散射原理反演出云中水的固、液态含量。

背景技术：

云的形成和演变，是大气中运动过程的具体表现，是预示着未来天气变化的重要征兆，借助云的观测，对正确判断大气运动状况，特别是对短期临近天气预报有重要意义。人工影响天气方面，只有全面掌握云的参数信息才能更为有效的进行人工影响天气活动。气候研究方面，云具有辐射强迫作用，影响地球系统的收支平衡，进而影响气候变化。研究表明，云辐射导致的全球温度变化比二氧化碳的影响大3倍还要多。在模式研究方面，云的物理特性及过程也是一个重要的话题，云信息的正确参数化对全球模式及区域天气预报模式十分重要。云的参数可以从地面观测也可以天基形式观测, 因此，云参数信息如云高、云厚、云的微物理特征，是检验数值天气预报和天气模型的重要依据。

对云的探测，除对云高、云厚、云状等宏观物理特性探测外，目前急需解决的是云内部微物理结构信息的探测问题，如云中水的相态、水的含量、水的粒径谱分布等。云中水的相态信息是云的一个重要的描述参数。云中冰晶或者是水滴是云中的主要物质，云对大气辐射传输的影响主要是由于冰晶或者水滴的散射和吸收造成。根据粒子散射理论，不同大小和含量的冰晶或者水滴的散射特性不同，其造成的辐射效应也不同，而云中的冰晶和水滴的大小和含量又随大气环境和云的种类而发生变化，因此，云中水的含量和粒径大小对研究云的辐射效应十分重要。若已知云中的含水量，假设云中水的粒径分布满足某一关系，则云中水的粒径谱分布与水含量之间可以由简单的数学关系获得，因此，研究云中水的含量问题变得至关重要。

目前为止，有多种对云的观测方法。卫星遥感有其自身的优势，可以从卫星轨道对全球云分布进行观测，但在云相态的探测方面，它只能从宏观上将云分为水相、冰相或混合相，并不能从微观上判定云水凝物粒子的相态，而且在云分类、云层重叠处理、低云观测等方面也存在很多问题，地表大面积的雪/ 冰、逆温层的出现等也会对卫星设备的被动观测产生很大影响。机载云滴粒子测量仪是人工影响天气中常用的仪器，可以测量飞机飞行路径上的云的各种参数，主要是云滴粒粒径谱、含水量等。机载云滴粒子探测器优势是能够直接测量云滴粒子，其结果较为准确，另外飞机可以采用飞行穿云的形式，可以获得大范围内云粒子参数，其缺点是飞机探测花费太高，又受空管限制，飞行机会并不多。就云的地面观测而言，气象业务中最常见的是人工观测方法，观测员通过对云状的判断和与目标物的对比，判断云高、云量。但人工观测时空分辨率低，且对云高的判断不如器测准确，对云量的判断则受观主观影响和观测者所处位置限制，因此，云观测业务中点人工观测将逐渐被云高仪和全天空成像仪所取代。云高仪和全天空成像仪是对云的宏观物理特性进行测量，不涉及云内部的微物理结构信息。探空仪则是将云观测仪器利用气球升力带入云中，云参数传感器将所测的相关参数传回地面。探空方式测云可以准确的得到云高、含水量、云粒径分布等信息，但缺点是时空分辨率低。微波辐射计是常用的被动观测仪器，可用于云含水量的反演，但作为被动遥感设备，微波辐射计在探测能力和空间分辨率上还有待提升。普通天气雷达由于其波长限制，对云的探测能力有限，随着毫米波技术的发展，毫米波雷达成为云观测的有力工具，毫米波雷达与普通的天气雷达相比波长短，能更好的与云中的水滴和冰晶相互左右，再配以扫描设备，毫米波雷达能够探测以雷达为中心几十公里内云的相关参数。为便于实地观测，毫米波雷达多做成方舱的形式，拖运方便，NASA则将毫米波雷达作为卫星有效载荷发射了Cloudsat卫星，可以对全球云分布进行测量。