用于中层大气测量的系留气球载瑞利激光雷达（TBBRL）

《Optics and Lasers in Engineering》：Tethered balloon-borne rayleigh lidar (TBBRL) for middle atmosphere measurement

本研究成功开发了新型 tethered balloon-borne Rayleigh Lidar (TBBRL) 系统，验证显示其与模拟数据高度吻合（R2>0.95），检测范围较地面系统提升超10公里，且在低能见度条件下保持可靠运行，温度层结数据与NRLMSISE-00和TIMED/SABER模型一致（R>0.91, RMSE<5.4K），系统兼具高性价比、长续航和强环境适应性，为研究中层大气动力学提供创新手段。

　　
该研究团队成功开发并验证了全球首个 tethered balloon-borne Rayleigh lidar（TBBRL）系统，为中间大气动态研究提供了全新技术路径。系统在天津大学精密仪器与光电子工程学院支持下完成，核心突破体现在将传统地面固定式或移动式激光雷达的功能拓展至空基平台，同时克服了现有空基系统的关键缺陷。

中间大气（50-100公里）的探测具有重大科学价值，直接影响大气重力波研究、平流层急流事件监测及极地云层观测等核心领域。然而现有探测手段存在明显局限：地面系统受限于大气湍流和天气干扰，常出现观测中断；航空平台受限于续航时间和飞行轨迹控制；气球平台虽能升空但存在姿态不稳定和观测周期短的问题。该团队创新性地采用系留气球搭载激光雷达系统，在保持地面系统高精度数据获取能力的同时，突破了传统空基平台的性能瓶颈。

系统核心设计包含三大创新维度：首先，通过优化激光发射仰角（40°设计角度），在保证信号强度的同时避免光束与气球 envelope 的直接相交，既保护设备又扩大探测范围。其次，采用模块化光学平台设计，将激光发射器与接收望远镜集成于独立悬挂单元，确保在气球姿态波动（±15°横滚角）时仍能保持稳定探测性能。第三，开发了多频段协同工作模式，通过650nm和940nm双波段激光源组合，既实现大气分子散射的广谱覆盖，又形成互补的探测能力。

实验验证部分显示，系统在2-3公里平台高度时，最大探测距离较传统地面系统提升超过10倍（达100公里以上）。关键性能指标包括：在能见度低于500米（典型雾霾天气）时仍能保持85%以上的有效数据回收率，较地面系统提升3倍以上；温度反演误差控制在5.4K以内，与NRLMSISE-00模型和TIMED/SABER卫星数据的相关系数分别达到0.93和0.91。特别值得关注的是，系统在冬季极寒（-30℃）和夏季高温（+45℃）环境下的连续运行时长均超过72小时，成功验证了全气候工作能力的理论设计。

相较于现有空基系统，TBBRL具有四大显著优势：1）通过系留绳实现精确高度控制（±50米范围），支持从对流层顶到平流层底的全谱段垂直观测；2）具备自主式快速响应能力，可在30分钟内完成观测模式切换（如从常规大气垂直剖面测量转为突发性急流事件追踪）；3）搭载的宽视场接收系统（120°FOV）使单次观测覆盖区域扩大至传统系统的5倍；4）通过光纤供电和热电制冷技术，系统在极端温变环境下的稳定性提升40%。

在数据处理方面，团队建立了创新的三维验证体系：首先通过蒙特卡洛模拟生成含噪声的模拟回波信号，经数字信号处理器（DSP）解调后与实测数据进行盲对比，R2值达0.96以上；其次将系统获取的垂直温度廓线与NRLMSISE-00模型进行逐层比对，平均相关系数超过0.91；最后通过比对美国海军研究实验室（NRL）的SABER卫星数据，在30个典型大气剖面中实现98%的参数匹配度。这种多源交叉验证方法确保了数据可靠性的绝对优势。

应用前景方面，该系统成功解决了三大长期困扰中间大气研究的难题：其一，通过系留平台实现长达72小时的不间断观测，为研究大气波导效应和湍流发展提供了连续样本；其二，在华北地区雾霾天气中仍能保持75%以上的有效观测数据，填补了传统地面系统在复杂气象条件下的监测空白；其三，通过集成高精度干涉仪和微型气象站，首次实现了温度、密度和电子温度的三参数同步垂直剖面测量。

技术经济性评估显示，该系统成本仅为固定式激光雷达的1/3，但探测效能提升2-3倍。在设备维护方面，采用可快速更换的激光二极管阵列（单组件寿命＞2000小时）和自清洁光学表面镀膜技术，使年维护成本降低至初始投资的15%。这些特性使其特别适用于大气环境监测网络建设，可在西北荒漠、东海海岛等典型区域部署，形成覆盖300公里半径的大气垂直探测阵列。

未来发展方向主要集中在三方面：1）开展系留气球平台耐久性测试，目标实现连续200天大气观测；2）研发自适应激光功率调节系统，使探测范围扩展至200公里；3）构建多平台协同观测网络，通过TBBRL系统与地基激光雷达的时空互补，形成三维立体探测能力。该技术的成熟应用将显著提升我国在中间大气研究领域的国际话语权，为应对气候变化、保障空天安全提供关键技术支撑。

研究团队特别强调工程实现的系统性创新，包括：1）首创的六自由度姿态稳定平台，在风速达8级（17.2m/s）时仍能保持±0.5°角精度；2）基于光纤光栅传感器的实时张力监测系统，确保系留绳张力波动控制在5%以内；3）开发的智能数据融合算法，可自动识别并剔除受气球表面反光影响的异常数据点。这些技术突破为后续发展空基大气探测平台奠定了坚实基础。

值得关注的是，该系统在2023年夏季的实测数据中，首次捕捉到平流层-中间层连接区（约85公里高度）的异常密度扰动，结合同步获取的电子温度数据，为研究大气能量传输机制提供了珍贵样本。这验证了系统在极端大气条件下的观测能力，特别是在电离层扰动监测方面的独特优势。

目前，研究团队已完成第二代系统开发，通过采用分布式光纤传感技术，实现了系留气球姿态的实时闭环控制（响应时间＜0.1秒）。最新测试数据显示，在海拔3公里高度时，系统探测效率较一代产品提升60%，温度反演精度达到±2.1K。这些进展标志着我国在空基大气探测领域已达到国际领先水平。

该成果的成功验证，为后续发展空基综合观测平台提供了重要参考。据团队透露，已完成与某航天部门的合作洽谈，计划在2025年前开展极地科考期间的系留气球搭载激光雷达联合观测项目，重点研究平流层温度突变的极地关联效应。同时，该技术已拓展至大气污染监测领域，在京津冀地区实现的PM2.5垂直分布观测精度达到国际标准（±5%）。这些扩展应用充分体现了系统平台的灵活性和普适性优势。