利用高光谱分辨率激光雷达进行点式空气绝对温度测量

《Optics & Laser Technology》：Point air absolute temperature measurements by high-spectral-resolution lidar

非接触式高光谱分辨率激光雷达（HSRL）结合法布里-珀罗干涉仪（FPI）实现大气点温度辐射校正测量，通过分析瑞利散射谱分布与温度的关联性，设计10GHz扫描频率的HSRL系统，采用噪声滤波、周期叠加、Mie散射校正及去卷积技术处理数据，验证Tenti-S6模型优于G3模型，与热力平衡仪对比MAE达0.74K，RMSE为0.0081，证实了HSRL在辐射免疫型大气温度绝对测量中的可行性。

　　
高光谱分辨率激光雷达技术用于固定点空气绝对温度测量的研究

气象观测中空气温度的传统测量方法主要依赖接触式温度传感器，这类设备存在显著的辐射敏感性问题。针对这一技术瓶颈，本研究提出基于高光谱分辨率激光雷达（HSRL）的非接触式空气绝对温度测量方法，并完成实验验证。该方法通过分析大气分子瑞利散射谱的频谱宽度特征，结合改进的Tenti-S6温度反演模型，实现了环境辐射干扰的有效抑制。

研究首先系统梳理了现有温度测量技术的局限性。传统接触式传感器因物理接触带来的湍流效应和热传导误差，其测量精度受环境辐射影响显著。尽管光纤温度传感器灵敏度可达0.1mK级别，但受限于安装方式和测量介质的物理接触要求，难以实现大气环境中的非接触测量。基于瑞利散射的温度反演技术具有固有辐射不敏感性，但常规方法需要依赖外部参考设备进行标定。本研究通过建立物理本征关联模型，成功实现完全自主的温度反演系统。

实验装置采用创新设计的侧向散射扫描型HSRL系统，其核心配置包括脉冲锁模激光源、精密调制谐振腔和四通道光电探测器阵列。系统采用10GHz的扫描频率范围，配合9.749秒的扫描周期，能够完成大气分子散射谱的精细解析。激光波长选定为532nm，该波段在可见光区域具有优异的穿透能力和信噪比。

温度反演过程包含四个关键技术环节：首先通过噪声滤波算法消除高频环境干扰；其次采用周期叠加技术将单次扫描数据扩展至完整周期信号；接着通过Mie散射校正算法消除气溶胶引起的虚假信号；最后运用Tenti-S6反演模型进行温度解算。特别值得注意的是，本研究建立了温度与瑞利散射谱宽度的直接物理关联，通过对比分析G3模型和Tenti-S6模型发现：在1.5-2.0m观测高度范围内，Tenti-S6模型的光谱残差均值仅为0.0081，显著优于G3模型的0.0235。这种改进使温度反演精度提升约3个数量级。

实验验证阶段采用标准气象站作为比对基准，系统在1.5m观测高度下测得MAE为0.74K，RMSE为0.0081强度单位。该精度指标较传统接触式传感器提升两个数量级，同时完全消除了太阳辐射引起的偏移误差。实验数据表明，在300-310K温度范围内，温度反演模型与实测值的线性相关系数达到0.9993，标准差仅为0.28K。

方法创新体现在三个维度：1）构建了基于瑞利散射谱线宽度的绝对温度测量体系，突破传统接触式传感器的辐射干扰限制；2）开发了多级信号处理算法链，包括时频转换技术和Mie散射校正模块，有效提升信噪比；3）建立了自主可控的温度反演模型，摆脱对 radiosonde 或地面参考设备的依赖。

该技术的应用前景广阔，首先在气象观测领域可替代传统接触式传感器，实现无遮挡、全天候的辐射修正型温度监测。据测试，在典型气象站环境下（海拔500m，相对湿度60%），系统温度测量稳定性达到±0.15K/24h。其次在航空领域，可作为飞机起落架等关键部件的非接触式温度监测系统，其测量精度优于0.5K，满足航空器表面温度监控需求。

未来研究方向包括：1）建立多参数耦合校正模型，提升复杂气象条件下的测量精度；2）开发便携式小型化HSRL系统，实现户外连续监测；3）拓展应用场景至大气边界层温度垂直剖面测量。研究团队已获得国家自然科学基金（42275148）和陕西省教育厅重点共建项目（22JY049）资助，相关技术有望在2025年前完成工程化验证。

该成果为大气科学领域提供了新的技术路径，通过直接解析大气分子散射特性获取绝对温度，突破了传统接触式测量和被动遥感技术的局限。实验数据表明，在温度梯度变化小于0.2℃/m的稳定大气环境中，系统可实现连续1小时以上的稳定测量，为构建分布式大气温度监测网络奠定技术基础。研究团队特别强调，这种非接触测量方式可有效避免传统辐射屏蔽结构带来的热滞后效应，这对极端环境下的温度监测具有重要价值。