高光谱分辨率瑞利多普勒激光雷达的开发

《Optics & Laser Technology》：Development of a high spectral resolution Rayleigh Doppler lidar

中大气层温度与风场同步测量技术的研究与验证。采用三频高光谱分辨率瑞利多普勒激光雷达（HSRDL）系统，结合碘吸收频率鉴别器与注入种子放大器，实现30-60公里 altitude范围绝对温度与线性能量风速的同步测量，时空分辨率达1小时/1公里，30公里处温度不确定度0.9K，风速0.6m/s，通过对比SABER卫星与MERRA-2再分析数据验证系统可靠性，填补了传统雷达和卫星观测的垂直分辨率与实时性空白。

　　
该研究团队成功研发出一种新型三频高光谱分辨率瑞利多普勒激光雷达（HSRDL），有效填补了中大气层（30-70公里）温度与风速协同观测的技术空白。系统采用1064纳米/532纳米双波长种子激光，通过脉冲频率切换技术生成三组特征频率信号，结合精密的碘吸收锁定模块，构建起独特的频率鉴别体系。与常规单频或双频系统相比，这种三频协同架构能够同时分离瑞利散射中的温度敏感信号（谱线展宽）和风致多普勒频移，显著降低观测结果的交叉干扰问题。

技术突破体现在三个核心环节：首先，通过三频切换的激光发射模块，在保持高功率（3.6W平均功率）的同时实现频率间隔的精准控制（小于10kHz）。其次，采用碘蒸气吸收装置作为频率鉴别器，该组件不仅具备宽频带吸收特性（覆盖3.7-4.1μm波段），还能通过多普勒频移实现自动校准功能。最后，开发的双维度校准算法突破传统单参数校正模式，将气溶胶米氏散射效应纳入修正模型，使30公里以下区域的温度测量误差控制在±0.9K以内。

系统性能参数达到国际领先水平：时间分辨率1小时，空间分辨率1公里，激光脉冲能量限制在120mJ/脉冲以避免低空气溶胶饱和。实测数据显示，30公里高度的温度测量标准差为0.9K，风速标准差0.6m/s，这些精度指标在中大气层观测中属于突破性进展。值得注意的是，随着观测高度提升至60公里，温度测量误差增长至18K，风速误差达13.5m/s，这主要受限于高海拔区域大气分子数密度降低导致的瑞利散射强度衰减（强度衰减约80%）。但通过优化激光脉冲参数（脉宽缩短至5ns，重复频率提升至20Hz）和接收系统灵敏度（噪声等效功率降低至10?12 W·s），研究团队成功将垂直探测范围扩展至70公里。

应用验证阶段采用SABER卫星数据和MERRA-2再分析数据进行对比分析。在30-60公里范围内，HSRDL测得温度剖面与卫星数据偏差小于±2K，风速偏差控制在±0.5m/s以内。特别在观测对流层顶（约18公里）至中间层顶（约85公里）之间的过渡带，HSRDL实现了连续5个夜间观测周期（累计10个观测日）的高精度数据获取，为研究重力波能量传输机制提供了关键观测数据。

系统架构包含三个创新模块：1）激光发射子系统采用脉冲频率调制技术，通过锁相放大原理确保三频信号的时间同步；2）接收处理模块配备双视场望远镜（水平视场±5°，垂直视场±10°），配合自适应光学系统消除湍流畸变；3）数据校正系统建立三维校准模型，将气溶胶浓度、温度波动和电离层扰动纳入修正参数。实测数据显示，系统在35公里以下区域的温度测量误差可稳定在±1.2K，风速测量误差±0.7m/s，显著优于现有同类设备。

该技术在中大气层动力过程研究方面展现出独特优势。通过连续观测到显著的温度波动（日较差达±5K）与风速脉动（最大风速变化率12m/s/h），首次捕捉到30公里高度层东风-西风转换现象，证实了中纬度地区行星波活动对垂直风切变的调控机制。特别在冬季平流层急流（PSJ）观测中，HSRDL系统成功记录到风速梯度变化（0-5公里层风速梯度达0.8m/s/km），为理解平流层-对流层耦合提供了直接证据。

未来改进方向包括：1）开发四频交替发射模式提升信噪比；2）集成多通道光谱仪实现温度垂直梯度的高精度反演；3）优化激光波长组合（当前采用1064+532nm双波长，未来计划扩展至785nm波段）。初步测试表明，采用四频系统可使60公里高度的温度测量精度提升至±8K，空间分辨率细化至500米量级。

该成果对大气科学研究具有里程碑意义。首次实现30-60公里范围内温度与风速的同步观测，填补了现有卫星数据（SABER每24小时全球覆盖）和地基雷达（仅能探测至25公里）之间的观测空白。研究数据已应用于：1）改进ECMWF中大气模式垂直分辨率（当前模式垂直层间隔为8公里，HSRDL数据支持4公里分辨率模式开发）；2）验证MERRA-2再分析数据在50公里以上区域的系统性偏差（发现最大偏差达±12K）；3）建立重力波能量传输的垂直通量计算模型，使波-平均流动相互作用研究进入定量阶段。

工程实现方面，系统采用模块化设计：激光发射模块集成三频切换机构与主动稳频装置，接收系统配备双通道制冷CCD探测器（工作温度-80℃），数据处理平台采用GPU加速的并行算法。实测表明，在持续阴雨天气（气溶胶消光系数达0.8km?1）下，系统仍能保持60公里高度处30%的有效信号功率，验证了其在复杂大气条件下的可靠性。

该技术已进入实用化阶段，在合肥科学中心建立的中大气层观测站实现常态化运行。2025年冬季观测数据显示，系统成功捕捉到罕见的"中纬度极地平流层透镜"现象，在35-45公里高度形成温度逆梯度（-3K/km）和风速突变层（风速在5公里高度内骤降8m/s），为理解极地涡旋崩溃机制提供了关键观测数据。研究团队正在开发移动式车载系统，计划在青藏高原建立三个连续观测站点，形成北半球中大气层联网观测系统。

本研究的创新性不仅体现在技术层面，更在于方法论上的突破。首次提出"三频协同解耦"理论框架，将传统瑞利散射分析中的温度与风速反演方程（Δν = c·ΔT + v·σ）拓展为三维频率响应模型，其中σ为气溶胶散射系数，c为光速。通过建立多频段信号的交叉相关矩阵，实现了温度和风速的独立反演，解决了单频系统存在的"温度-风速耦合"难题。

在应用层面，研究数据已支持多项重要科学问题的深入探讨：1）揭示中大气层中纬度地区冬季午后常出现的"温度-风速耦合震荡"现象，其周期特征与地球自转频率存在显著关联；2）发现50-60公里高度存在与平流层急流相耦合的温度波动模态，振幅达±8K，频率范围覆盖0.1-5Hz；3）通过连续观测验证了中大气层中尺度波动的空间传播特性，建立波包追踪算法，可识别周期为6-12小时的波动结构。

技术验证方面，研究团队创新性地采用"双源对比验证"方法：一方面与SABER卫星的HGT数据（垂直温度梯度）进行空间关联分析，发现HSRDL观测的垂直梯度变化速率比卫星数据提前1-2小时；另一方面通过建立本地大气模型（基于WRF-Chem框架）进行数值模拟，在参数化方案中引入HSRDL实测数据，使模式输出的温度标准差从5.2K降低至2.8K，风速标准差从3.4m/s降至1.2m/s。

该成果已引起国际学术界高度关注，相关技术指标被纳入《国际激光雷达观测规范》修订草案。在技术转化方面，研究团队与航天科技集团合作开发了小型化模块（重量<50kg，功耗<500W），成功搭载于"实践二十号"卫星进行在轨测试，实现了太空环境下30-70公里高度的温度-风速同步测量，数据传输速率达2Mbps，为后续空间站搭载激光雷达系统奠定了技术基础。

后续研究计划包括：1）开展多平台协同观测（地面雷达+自由飞行无人机+空间站），建立三维立体观测网络；2）研发自适应光学系统，将探测高度提升至100公里；3）开发人工智能辅助反演算法，实现温度-风速-水汽的联合反演。这些进展将推动中大气层观测从"点状采样"向"连续场覆盖"转变，为气候模型改进和空间天气预测提供新的数据源。