懸空波導(dǎo)的拉曼激光雷達(dá)探測(cè)能力仿真統(tǒng)計(jì)研究

馬征征

(中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107)

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懸空波導(dǎo)的拉曼激光雷達(dá)探測(cè)能力仿真統(tǒng)計(jì)研究

馬征征

(中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107)

摘要基于高空氣球探空儀實(shí)測(cè)的34例懸空波導(dǎo)事件,仿真研究了拉曼激光雷達(dá)對(duì)其的探測(cè)能力,以指導(dǎo)設(shè)備選型和工作模式設(shè)置．利用蒙特卡洛方法計(jì)算了典型配置下激光雷達(dá)對(duì)各個(gè)波導(dǎo)的辨識(shí)概率,統(tǒng)計(jì)得到了平均辨識(shí)概率和能夠辨識(shí)波導(dǎo)數(shù)．進(jìn)一步考察了辨識(shí)概率隨波導(dǎo)參數(shù)的分布,以及雷達(dá)參數(shù)對(duì)探測(cè)能力的影響．結(jié)果表明:拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)懸空波導(dǎo)的辨識(shí)能力具有顯著的挑剔性．最后,給出推薦的設(shè)備型號(hào)和工作模式．

關(guān)鍵詞懸空波導(dǎo);拉曼激光雷達(dá);辨識(shí)概率;探測(cè)能力

引言

大氣波導(dǎo)作為一種特殊電波環(huán)境能夠影響電波傳播,因此具有十分重要的意義．按照出現(xiàn)高度,其可以分為表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)．兩者相比,懸空波導(dǎo)的出現(xiàn)高度較高,通常介于幾百米至幾千米,因此探測(cè)手段較少．然而我國(guó)海域遼闊,臨海海域波導(dǎo)發(fā)生頻率很高,這對(duì)探測(cè)提出較高需求．目前成熟的探測(cè)方法主要是通過高空氣球攜帶無線電探空儀升空,通過實(shí)地測(cè)量溫度、濕度和壓強(qiáng)等大氣參量來間接獲得折射率,提取波導(dǎo)．

激光雷達(dá)作為一種遙感探測(cè)設(shè)備,能夠通過拉曼散射技術(shù)測(cè)量溫度和濕度來間接獲得大氣折射率,探測(cè)懸空波導(dǎo)．目前,美國(guó)賓州州立大學(xué)和英國(guó)奇爾波頓天文臺(tái)等單位均已成功開展了拉曼激光雷達(dá)對(duì)懸空波導(dǎo)的探測(cè)[1-2]．近些年國(guó)內(nèi)也開展了利用拉曼激光雷達(dá)探測(cè)表面波導(dǎo)的研究,而對(duì)懸空波導(dǎo)的研究卻較為有限[3-6]．對(duì)比無線電探空儀這種傳統(tǒng)手段,激光雷達(dá)不僅能夠獲得連續(xù)和即時(shí)的大氣折射率剖面,還能夠通過俯仰和掃描探測(cè)獲得二維或三維的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)．但從早期搭建的設(shè)備系統(tǒng)來看,其探測(cè)精度要相當(dāng)于或略低于無線電探空儀[7]．依據(jù)激光雷達(dá)探測(cè)原理分析,懸空波導(dǎo)所處的高度較高(距離較遠(yuǎn)),因此,激光雷達(dá)所接收的信號(hào)光子數(shù)較少,泊松起伏噪聲所占的比重會(huì)增大,進(jìn)而影響測(cè)量精度．這是拉曼激光雷達(dá)測(cè)量懸空波導(dǎo)的主要誤差來源．

中國(guó)電波傳播研究所的ATS(氣溶膠-溫度-鈉)激光雷達(dá)具備米、拉曼、瑞利和共振熒光散射等多種探測(cè)能力．該雷達(dá)暫不具有探測(cè)大氣波導(dǎo)的能力,但能夠探測(cè)氮?dú)獾恼?轉(zhuǎn)拉曼散射信號(hào),這是濕度探測(cè)的兩個(gè)通道之一．本文將以高探氣球?qū)崪y(cè)的懸空波導(dǎo)事件為例,仿真研究拉曼激光雷達(dá)對(duì)懸空波導(dǎo)的探測(cè)能力,為設(shè)備改進(jìn)和選型、工作模式設(shè)置提供指導(dǎo)．

1探測(cè)原理

拉曼激光雷達(dá)技術(shù)已較為成熟．其通過探測(cè)振-轉(zhuǎn)拉曼散射信號(hào)測(cè)量大氣濕度,通過探測(cè)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射信號(hào)測(cè)量大氣溫度．拉曼激光雷達(dá)方程為

(1)

式中: 系數(shù)K=AN0Δrη,所含各量均是與距離無關(guān)的量,A是接收望遠(yuǎn)鏡物理面積,N0是發(fā)射光子數(shù),Δr是距離分辨率,垂直探測(cè)時(shí)即為高度分辨率,η是系統(tǒng)效率; O(r)是重疊因子,r是探測(cè)距離; 體后向散射系數(shù)β(λ0,λX,r)=n(r)σ(λ0,λX),n(r)是被探測(cè)物數(shù)密度,σ(λ0,λX)是微分后向散射截面,λ0和λX分別是發(fā)射波長(zhǎng)和散射波長(zhǎng),下標(biāo)X表示不同的波長(zhǎng)(或物質(zhì)種類)； 消光系數(shù)α=αa+αm,即包含氣溶膠消光系數(shù)和分子消光系數(shù)； 噪聲NB可以通過擬合消除．

對(duì)于濕度探測(cè),通常采用對(duì)水氣和氮?dú)夥肿觾蓚€(gè)通道測(cè)量結(jié)果的比值來確定．水汽分壓e(r)為

(2)

式中,PN2(r)為氮?dú)夥謮海?/p>

對(duì)于溫度探測(cè),通常采用兩個(gè)不同波長(zhǎng)或波段內(nèi)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射信號(hào)的測(cè)量結(jié)果反演．由于兩個(gè)通道波長(zhǎng)相近,消光系數(shù)近似相同．兩通道比值為

(3)

注意到純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射截面與溫度有關(guān),比值中包含了溫度信息,即Q=Q(T)．通過與理論計(jì)算或標(biāo)定的Q-T關(guān)系比對(duì),即可得到溫度．更具體的反演過程以及散射截面和消光系數(shù)的計(jì)算可參考早期的工作[5-6]．

氣壓是相對(duì)穩(wěn)定的量,這里直接使用無線電探空儀的測(cè)量結(jié)果．得到大氣折射率為

(4)

實(shí)際情況中,無論是濕度測(cè)量還是溫度測(cè)量,各通道獲得的信號(hào)(光子數(shù))中均包含了起伏噪聲．根據(jù)激光雷達(dá)的探測(cè)原理,該噪聲服從泊松分布,有

k=0,1,2,…,N*(r),…,

(5)

在反演結(jié)果中引入誤差．其中,N*(r)是無信號(hào)起伏時(shí)接收光子數(shù)．

在使用蒙特卡洛方法進(jìn)行仿真時(shí),對(duì)各波導(dǎo)剖面各接收通道各高度門內(nèi)的接收光子數(shù)均按照該概率分布方式處理．

2波導(dǎo)描述

圖1是懸空波導(dǎo)的幾何特征及描述參量示意圖．

圖中,橫軸是大氣修正折射指數(shù),縱軸是高度．ht、hb、hei分別為波導(dǎo)層頂高度(通常所稱的波導(dǎo)高度)、波導(dǎo)層底高度、波導(dǎo)底高,ht和hb之間為波導(dǎo)層厚度,ht和hei之間為波導(dǎo)厚度,ΔM為波導(dǎo)強(qiáng)度．

我們于2009年6月17日至7月15日期間,赴廣東省汕頭市南澳島開展了高空氣球探空儀實(shí)驗(yàn)．施放了28個(gè)高探氣球,所攜帶的探空儀記錄了高度、溫度、濕度、壓強(qiáng)、風(fēng)速和風(fēng)向等信息．

提取出高度在500 m以上、強(qiáng)度在3.0 M-unit以上的懸空波導(dǎo),總計(jì)獲得了34個(gè)波導(dǎo)事件．這些波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)剖面分布如圖2所示．

圖1　懸空波導(dǎo)的幾何特征及描述參量

圖2　高空氣球探空儀實(shí)測(cè)的34例懸空波導(dǎo)結(jié)構(gòu)剖面分布

所有34例懸空波導(dǎo),波導(dǎo)高度范圍為575～5 005 m,平均值為2 144 m．波導(dǎo)厚度分布在33～208 m之間,平均值為86 m．波導(dǎo)層厚度分布在9～89 m之間,平均值為37 m．波導(dǎo)強(qiáng)度范圍為3.0～11.0 M-unit,平均值為5.0 M-unit．

事實(shí)上,探空儀獲得的波導(dǎo)參數(shù)相比真實(shí)值存在一定的誤差．根據(jù)本文的研究目的,將探空儀獲得的波導(dǎo)結(jié)果作為真實(shí)值,用以考察激光雷達(dá)對(duì)其的探測(cè)能力．這里,需要確立激光雷達(dá)辨識(shí)懸空波導(dǎo)的判據(jù)[9]．所謂成功辨識(shí),要求測(cè)量到的波導(dǎo)強(qiáng)度值至少達(dá)到2.5 M-unit．

3仿真結(jié)果

3.1辨識(shí)概率隨波導(dǎo)參數(shù)的分布

參考中國(guó)電波傳播研究所的中型激光雷達(dá)系統(tǒng),激光器采用美國(guó)Continuum公司的Powerlite 8020型號(hào)．發(fā)射波長(zhǎng)為三倍頻354.7 nm,重復(fù)頻率為20 Hz,脈沖能量為300 mJ．發(fā)射累積時(shí)間為10 min．接收望遠(yuǎn)鏡直徑設(shè)為1 m．高度門為400 ns即30 m．重疊因子為1,雷達(dá)效率簡(jiǎn)單設(shè)定為1%[5]．

使用蒙特卡洛方法進(jìn)行1 000次獨(dú)立的仿真,將其中成功辨識(shí)的次數(shù)除以仿真總次數(shù),得到激光雷達(dá)分別探測(cè)34例懸空波導(dǎo)的辨識(shí)概率．圖3是辨識(shí)概率隨波導(dǎo)高度的分布．

圖3　辨識(shí)概率隨波導(dǎo)高度的分布

圖3中星號(hào)表示辨識(shí)概率隨波導(dǎo)高度的分布．對(duì)于34例懸空波導(dǎo),激光雷達(dá)的辨識(shí)概率分布非常寬泛,從0%至100%．經(jīng)計(jì)算,平均辨識(shí)概率為64%,辨識(shí)概率達(dá)到90%的波導(dǎo)共有17例．這表明,該激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠成功辨識(shí)出50%(17/34)的懸空波導(dǎo)．圖中實(shí)線擬合了辨識(shí)概率隨波導(dǎo)高度的變化．其表現(xiàn)出辨識(shí)概率隨波導(dǎo)高度的升高而略微升高．該規(guī)律表明:在該條件下,波導(dǎo)高度對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)能力未表現(xiàn)出明顯影響．辨識(shí)概率顯現(xiàn)出兩極分化的分布特征．這說明排除波導(dǎo)高度,存在對(duì)辨識(shí)概率影響起決定作用的其它因素．

圖4是辨識(shí)概率隨波導(dǎo)層厚度的分布．首先,從圖上看到,辨識(shí)概率隨波導(dǎo)層厚度表現(xiàn)出了十分顯著的分布特征．對(duì)于層厚度較窄的波導(dǎo),辨識(shí)概率傾向于低值;而對(duì)于層厚度較寬的波導(dǎo),辨識(shí)概率傾向于高值．這表明波導(dǎo)層厚度是影響辨識(shí)概率的一個(gè)決定性因素．其次,實(shí)線使用函數(shù)y=a—bc-x(x為橫軸坐標(biāo)值,y為縱軸坐標(biāo)值,a、b、c為擬合參數(shù),下同)擬合了辨識(shí)概率隨波導(dǎo)層厚度的變化,展示出了隨波導(dǎo)層厚度增大,辨識(shí)概率從0%增大至接近100%的變化規(guī)律．

圖5是辨識(shí)概率隨波導(dǎo)厚度的分布．其大致展示了與辨識(shí)概率隨波導(dǎo)層厚度分布類似的規(guī)律．但從實(shí)線的擬合情況可以清楚地比對(duì)出,其變化程度不如圖4．這表明:同樣作為表征厚度的參量,波導(dǎo)層厚度對(duì)辨識(shí)概率的影響更具決定性．從圖1中波導(dǎo)層厚度的定義可以分析得到,波導(dǎo)層厚度內(nèi)的折射率負(fù)梯度段是其被探測(cè)的基礎(chǔ)．

圖4　辨識(shí)概率隨波導(dǎo)層厚度的分布

圖5　辨識(shí)概率隨波導(dǎo)厚度的分布

圖6是辨識(shí)概率隨波導(dǎo)強(qiáng)度的分布．首先,從圖上看到,辨識(shí)概率隨波導(dǎo)強(qiáng)度表現(xiàn)出了顯著的分布特征．對(duì)于較弱的波導(dǎo),辨識(shí)概率傾向于低值;而對(duì)于較強(qiáng)的波導(dǎo),辨識(shí)概率幾乎全達(dá)100%．這表明波導(dǎo)強(qiáng)度是影響辨識(shí)概率的另一個(gè)決定性因素．其次,實(shí)線擬合了辨識(shí)概率隨波導(dǎo)強(qiáng)度的變化,展示出了隨波導(dǎo)強(qiáng)度增大,辨識(shí)概率從低值增大至接近100%的變化規(guī)律．

上面研究表明,波導(dǎo)層厚度和波導(dǎo)強(qiáng)度對(duì)辨識(shí)概率有著決定性影響．圖7是激光雷達(dá)探測(cè)懸空波導(dǎo)辨識(shí)概率隨這兩個(gè)因素的二維分布,以更好地體現(xiàn)出辨識(shí)概率分布規(guī)律．辨識(shí)概率值的大小通過圓圈顏色來表示．隨著辨識(shí)概率由低至高,圓圈的顏色由紅色向綠色轉(zhuǎn)變．其次,藍(lán)線使用函數(shù)(x-a)(y-b)=c(x為橫軸坐標(biāo)值,y為縱軸坐標(biāo)值,a、b、c為擬合參數(shù))擬合了紅色和綠色圓圈的分割線．可以看到,辨識(shí)概率的低值(紅色圓圈)均出現(xiàn)在藍(lán)線的外側(cè),即波導(dǎo)層厚度較窄或波導(dǎo)強(qiáng)度較弱的部分．因此,拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)懸空波導(dǎo)的辨識(shí)能力具有顯著的挑剔性,其難以辨識(shí)具有窄波導(dǎo)層厚度或弱波導(dǎo)強(qiáng)度的懸空波導(dǎo)．

圖6　辨識(shí)概率隨波導(dǎo)強(qiáng)度的分布

圖7　辨識(shí)概率隨波導(dǎo)層厚度/強(qiáng)度的二維分布

3.2高度分辨率對(duì)探測(cè)能力的影響

下面考察不同高度分辨率下激光雷達(dá)對(duì)懸空波導(dǎo)的探測(cè)能力．其中,平均辨識(shí)概率是指34例波導(dǎo)辨識(shí)概率的平均值．辨識(shí)概率達(dá)到90%的波導(dǎo),被認(rèn)定為能夠成功辨識(shí),簡(jiǎn)稱能夠辨識(shí)．

從表1中看到,根據(jù)高度分辨率的不同,可以分為3個(gè)階段．

當(dāng)高度分辨率大于30 m時(shí),平均辨識(shí)概率較低,能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)較少．這是因?yàn)樵S多具有較窄層厚度的波導(dǎo)在該高度分辨率下完全無法被檢測(cè)出來．

隨著高度分辨率繼續(xù)減小至7.5 m,平均辨識(shí)概率逐漸增大,能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)趨向增加．這是因?yàn)樵诮邮招盘?hào)足夠強(qiáng)的前提下,高度分辨率越小,激光雷達(dá)能夠識(shí)別的高度向結(jié)構(gòu)就越細(xì)．因此一些層厚度較窄的波導(dǎo)將能夠被辨識(shí)出來．

表1　不同高度分辨率下的激光雷達(dá)對(duì)

當(dāng)高度分辨率從7.5 m減小至3 m時(shí),平均辨識(shí)概率略微下降,能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)減少．分析認(rèn)為,這是因?yàn)楦叨确直媛侍嵘耐瑫r(shí),單高度門內(nèi)的接收信號(hào)光子數(shù)將相應(yīng)降低,其中所含泊松起伏噪聲比重就越大．原本一些能夠辨識(shí)的波導(dǎo)可能被強(qiáng)噪聲所淹沒．因此當(dāng)接收信號(hào)不夠強(qiáng)時(shí),距離分辨率的減小將可能導(dǎo)致探測(cè)精度降低而得不償失．

最后,從表中可以選出在高度分辨率為7.5 m時(shí),平均辨識(shí)概率達(dá)到最大值86%,能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)達(dá)到最大值20個(gè)(20/34,59%)．該結(jié)果表明在該激光雷達(dá)系統(tǒng)配置下,高度分辨率選擇為7.5 m是最優(yōu)的．

3.3雷達(dá)參數(shù)對(duì)探測(cè)能力的影響

考察另外兩套不同激光器下雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)懸空波導(dǎo)的探測(cè)能力．表2采用了比Powerlite 8020型號(hào)性能更優(yōu)秀的Powerlite 9030型激光器;而表4中Surelite I-20型激光器性能要比Powerlite 8020型低一些,但其具有無需冷凝箱和價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)．

表2　采用Powerlite 9030型激光器時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)

從表2可以看到,采用Powerlite 9030激光器后,在高度分辨率為30 m以上時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)性能幾乎沒有提升．這再次說明制約該階段探測(cè)能力的因素是較大的高度分辨率,而不是系統(tǒng)性能．而在較小高度分辨率條件下,探測(cè)能力均表現(xiàn)出了一定程度的提升．最優(yōu)探測(cè)性能對(duì)應(yīng)的高度分辨率仍為7.5 m．此時(shí)平均辨識(shí)概率達(dá)到89%,能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)達(dá)到25個(gè)(25/34,74%)．

從表3可以看到,采用Surelite I-20型激光器后,能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)出現(xiàn)下降．尤其在高度分辨率較小時(shí),能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)顯著下降,探測(cè)能力大打折扣．當(dāng)高度分辨率為30 m時(shí),能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)達(dá)到最大值,僅為12個(gè)(12/34,35%)．因此不推薦使用Surelite I-20型激光器．

表3　采用Surelite I-20型激光器時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)

4結(jié)論

基于高探氣球探空儀實(shí)測(cè)的34例懸空波導(dǎo)事件,參考中國(guó)電波傳播研究所激光雷達(dá)系統(tǒng)配置,仿真研究了激光雷達(dá)對(duì)懸空波導(dǎo)的探測(cè)能力．

通過研究辨識(shí)概率隨波導(dǎo)參數(shù)的分布,得到如下結(jié)論:波導(dǎo)的出現(xiàn)高度未對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)能力表現(xiàn)出明顯影響,其不是影響辨識(shí)概率的決定性因素．波導(dǎo)層厚度是影響辨識(shí)概率的一個(gè)決定性因素．相比波導(dǎo)厚度,波導(dǎo)層厚度對(duì)辨識(shí)概率的影響更具決定性．波導(dǎo)強(qiáng)度是影響辨識(shí)概率的另一個(gè)決定性因素．拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)懸空波導(dǎo)的辨識(shí)能力具有顯著的挑剔性,其難以辨識(shí)具有窄波導(dǎo)層厚度或弱波導(dǎo)強(qiáng)度的懸空波導(dǎo)．

通過研究高度分辨率對(duì)探測(cè)能力的影響,得到如下結(jié)論:在高度分辨率為7.5 m時(shí),能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)達(dá)到最大值20個(gè)(59%)．在該激光雷達(dá)系統(tǒng)配置下,高度分辨率選擇為7.5 m是最優(yōu)的．

最后,通過研究雷達(dá)參數(shù)對(duì)探測(cè)能力的影響,得到如下結(jié)論:采用Powerlite 9030型激光器后,最優(yōu)探測(cè)性能對(duì)應(yīng)的高度分辨率仍為7.5 m．能夠辨識(shí)個(gè)數(shù)提升至25個(gè)(74%)．采用Surelite I-20型激光器后,探測(cè)能力下降明顯,故不推薦使用Surelite I-20激光器．

致謝: 感謝中國(guó)電波傳播研究所的康士峰研究員、張玉生高工、韓杰和郭相明工程師等在大氣波導(dǎo)探測(cè)方面提供的幫助．

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MA Zhengzheng

(NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

AbstractWith respect to 34 elevated duct events obtained by high-altitude balloon with radiosonde, we studied the detection ability of Raman lidar to them by simulation, to help selecting instrument type and setting operation mode. Using Monte-Carlo method, we calculated the identification probability of each duct detected by a lidar with typical configuration, consequently gained the statistically average identification probability and number of identifiable ducts. Furthermore, we surveyed the distribution of identification probability with parameters of duct, and the detection ability with parameters of lidar. The result indicates that the detection ability of Raman lidar to elevated ducts possesses remarkable difference. Finally, we bring forth the recommended instrument type and operation mode.

Keywordselevated duct; Raman lidar; identification probability; detection ability

收稿日期：2015-05-25

中圖分類號(hào)O439

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2016)02-0376-06

DOI10.13443/j.cjors.2015052501

作者簡(jiǎn)介

馬征征(1982-),男,湖北人,武漢大學(xué)空間物理學(xué)博士,中國(guó)電波傳播研究所高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)和大氣探測(cè)等.

馬征征. 懸空波導(dǎo)的拉曼激光雷達(dá)探測(cè)能力仿真統(tǒng)計(jì)研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(2):376-381. DOI: 10.13443/j.cjors.2015052501

MA Z Z. A simulated statistical study on Raman lidar detection ability to elevated ducts[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):376-381. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015052501

資助項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金 (41104102)

聯(lián)系人： 馬征征 E-mail: zh.zh.ma.7@gmail.com