陳玉寶,王簫鵬,步志超,王一萌,郭澤勇,熊 峰,王 宣
(1.中國氣象局 氣象探測中心,北京 100081;2.陽江市氣象局,陽江 529500; 3.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心,哈爾濱 150030;4.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院,武漢 430072)
氣溶膠激光雷達(dá)(light detection and ranging,LiDAR)是進(jìn)行大氣氣溶膠3維立體觀測的重要遙感設(shè)備之一,其探測數(shù)據(jù)具有高精度和高時空分辨率的特點[1-4],可用于大氣霧霾的監(jiān)測、數(shù)值模式同化預(yù)報和衛(wèi)星傳感器的地面標(biāo)定[5-7]。氣溶膠激光雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用的效果取決于其探測精度[8-10]。對于探測大氣風(fēng)場、溫度、水汽和臭氧含量等大氣廓線參數(shù)的激光雷達(dá)來說,可以與使用氣球或者無人機攜帶的觀測設(shè)備得到的數(shù)據(jù)來進(jìn)行比較,判斷其探測數(shù)據(jù)的精度[11-12];但是對于氣溶膠激光雷達(dá)來說,就要復(fù)雜很多,與地基的濁度計和太陽光度計等觀測設(shè)備進(jìn)行對比,都存在著波長不一致、探測體積不相同等多種困難[13]。因此,通過多部氣溶膠激光雷達(dá)的相互比對,并使用統(tǒng)計分析的方法來對雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定是一種可行的方法[14]。
歐洲氣溶膠激光雷達(dá)網(wǎng)(European Aerosol Research LiDAR Network,EARLINET)建立于2000年[15],初始階段包括來自11個國家的19部氣溶膠激光雷達(dá),到2016年,該雷達(dá)網(wǎng)網(wǎng)羅了來自16個國家的35部氣溶膠激光雷達(dá)。為了能夠提供高精度連續(xù)觀測的氣溶膠廓線數(shù)據(jù),EARLINET一直通過網(wǎng)內(nèi)激光雷達(dá)的比對觀測,基于統(tǒng)計分析的方法來對雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定。2001年~2002年,EARLINET對19部氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行了標(biāo)定,標(biāo)定完成后,所有雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了保證,氣溶膠后向散射系數(shù)廓線在邊界層中的相對標(biāo)準(zhǔn)差小于10%,在自由對流層中的標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.1×10-3km-1·sr-1。隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的氣溶膠激光雷達(dá)加入到該網(wǎng)中[16-17],2009年~2013年,EARLINET網(wǎng)內(nèi)的氣溶膠激光雷達(dá)的比對標(biāo)定每年定期舉行,期間對21部網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)再次進(jìn)行了標(biāo)定,數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了進(jìn)一步提高,在特定高度范圍內(nèi),回波信號的相對標(biāo)準(zhǔn)差小于2%,計算得到的粒子的后向散射系數(shù)和消光系數(shù)的變化范圍分別小于2×10-4km-1·sr-1和0.01km-1[18-20]。在國內(nèi),主要是通過太陽光度計、大氣成分觀測設(shè)備對氣溶膠激光雷達(dá)的探測精度進(jìn)行比對分析[21-25],本文中在國內(nèi)首次通過多臺激光雷達(dá)的比對觀測來對雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定,并取得了不錯的結(jié)果,標(biāo)定之后的氣溶膠激光雷達(dá)在北京的5個觀測站進(jìn)行了布點觀測,為超大城市氣象觀測試驗提供觀測數(shù)據(jù)。
為了揭示城市熱島、地表粗糙度差異和大氣污染等對城市氣象和環(huán)境的影響,2016年,中國氣象局發(fā)起了超大城市綜合氣象觀測試驗,通過多種地基觀測設(shè)備,實現(xiàn)城市區(qū)域風(fēng)、溫、濕、水凝物、氣溶膠等“五條廓線”的連續(xù)觀測,從而揭示超大城市氣象條件與大氣邊界層的結(jié)構(gòu)特征及城市熱島效應(yīng)、下墊面差異和氣溶膠分布等對其影響機理。為了確保試驗中組網(wǎng)氣溶膠激光雷達(dá)探測的大氣氣溶膠特征參數(shù)廓線定量可比,項目組在北京南郊觀象臺開展了氣溶膠激光雷達(dá)的標(biāo)定。
2017年9月,6臺氣溶膠激光雷達(dá)在南郊開展了第1次標(biāo)定工作,標(biāo)定完成后在北京市的5個站點布點觀測。本次試驗中的氣溶膠激光雷達(dá)的標(biāo)定包括單部雷達(dá)關(guān)鍵參數(shù)的標(biāo)定和多部雷達(dá)的集中比對觀測標(biāo)定2個階段:第1個階段的標(biāo)定主要包括對激光雷達(dá)的望遠(yuǎn)鏡對中、模數(shù)(analog to digital,AD)采集卡底噪、接收信號飽和度、收發(fā)光軸的一致性、激光雷達(dá)的瑞利散射信號等幾個方面進(jìn)行檢查標(biāo)定;第2個階段是在南郊觀象臺開展雷達(dá)集中比對觀測,主要是對多臺激光雷達(dá)同址同時刻探測的大氣邊界層氣溶膠信號的一致性進(jìn)行檢查標(biāo)定。
項目組有2種方式開展比對觀測:(1)研制標(biāo)準(zhǔn)的氣溶膠激光雷達(dá),并在歐洲和EARLINET的雷達(dá)開展比對觀測標(biāo)定,主要參數(shù)達(dá)標(biāo)后,作為量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)源,對國內(nèi)參加試驗的雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定,目前標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠激光雷達(dá)正在研制中;(2)采用統(tǒng)計分析的方法,當(dāng)參加比對觀測標(biāo)定的激光雷達(dá)的某個波長接收通道的數(shù)量大于5個時,可以開展標(biāo)定,出現(xiàn)概率高的結(jié)果被認(rèn)為是正確的結(jié)果。
由于標(biāo)準(zhǔn)激光雷達(dá)尚未研制完成,因此采用統(tǒng)計分析的方法對氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行比對觀測標(biāo)定。參加標(biāo)定的6臺激光雷達(dá)都有532nm米散射接收通道,可以通過標(biāo)定得到較為準(zhǔn)確的信號,3臺雷達(dá)有355nm米散射接收通道,1臺雷達(dá)有1064nm米散射接收通道,較難實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的標(biāo)定。參考?xì)W洲EARLINET激光雷達(dá)標(biāo)定后的精度以及我國目前激光雷達(dá)標(biāo)定處于起步階段的現(xiàn)狀,確定本次標(biāo)定的主要參數(shù)目標(biāo),如表1所示。
Table 1 Main parameter targets of aerosol LiDAR calibration (10min cumulative data)
對于參加試驗的氣溶膠激光雷達(dá)的各種參數(shù)的標(biāo)定,采用統(tǒng)一的方法來計算其誤差,主要為系統(tǒng)差和標(biāo)準(zhǔn)差。
假設(shè)第1部雷達(dá)在距離r1,r2,rk,…,rn處的測量值為x11,x12,x1k,…,x1n;第2部雷達(dá)在距離r1,r2,rk,…,rn處的測量值為x21,x22,x2k,…,x2n;第i部雷達(dá)在距離r1,r2,rk,…,rn處的測量值為xi1,xi2,xik,…,xin。假設(shè)共有m臺雷達(dá),則所有m臺雷達(dá)在r1,r2,rk,…,rn處測量值的平均值為y1,y2,yk,…,yn,其中:
(1)
式中,k表示距離雷達(dá)r1,r2,…,rn處的點。每個雷達(dá)的系統(tǒng)差的計算方法如下:
(2)
式中,i表示第i部雷達(dá)。相對系統(tǒng)差的計算方法如下:
(3)
標(biāo)準(zhǔn)差的計算方法如下:
(4)
相對標(biāo)準(zhǔn)差的計算方法如下:
(5)
第一批次氣溶膠激光雷達(dá)的標(biāo)定在2017年9月開展,參加標(biāo)定的6臺雷達(dá)中,任意兩臺雷達(dá)之間的距離不大于100m,為了方便比對過程說明,對6臺雷達(dá)分別命名為101、102、103、104、105和106。
2017-09-08對參加聯(lián)合比對觀測標(biāo)定的氣溶膠激光雷達(dá)的信號進(jìn)行了首次對比分析,取22:00~22:10累加的532nm米散射通道的信號歸一化處理,距離平方校正后,進(jìn)行對比,如圖1所示??梢钥闯?,104號雷達(dá)曲線和106號雷達(dá)曲線,與計算得到的大氣分子線擬合較差,存在明顯的問題。因此,對其余4臺雷達(dá)的信號進(jìn)行對比顯示,并與分子線擬合,可以看出,由于參加標(biāo)定的雷達(dá)的overlap區(qū)在0km~1km范圍,因此對1km~5km的信號分段進(jìn)行統(tǒng)計分析,如表2所示。可以看到,1km~2km高度范圍內(nèi)最大的相對標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了90.8%,2km~5km最大相對標(biāo)準(zhǔn)差為58.8%。
Fig.1 Comparison and analysis of range square correction signals of 532nm Mie scattering channel for 6 LiDARs from 2017-09-08T22:00 to 2017-09-08T22:10(10min accumulation)
4臺雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)反演得到后向散射系數(shù)廓線,其對比圖如圖2所示。對結(jié)果進(jìn)行分析如表2所示??梢钥吹?,1km~2km高度范圍內(nèi)最大的相對標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了80.3%,2km~5km最大相對標(biāo)準(zhǔn)差為244.3%。分別對雷達(dá)在上述2個高度范圍內(nèi)的后向散射系數(shù)進(jìn)行積分,在1km~2km高度范圍內(nèi),其積分值的變化范圍為5.9×10-5~2.2×10-4,變化范圍約為最小積分值的272.9%,在2km~5km高度范圍內(nèi),其積分值的變化范圍為6.6×10-6~3.5×10-5,變化范圍約為4個雷達(dá)在此高度范圍內(nèi)最小積分值的430.3%。
Fig.2 Comparison of range square correction signals of 532nm Mie scattering channel for 4 LiDARs from 2017-09-08T22:00 to 2017-09-08T22:10(10min accumulation)
Table 2 Comparison and analysis table of 532nm Mie scattering raw signal and backscattering coefficients for 4 LiDARs from 2017-09-08T22:00 to 2017-09-08T22:10
從表2可知,參加標(biāo)定的雷達(dá)的532nm通道的原始信號和反演得到的后向散射系數(shù)的一致性較差,如不進(jìn)行標(biāo)定,組網(wǎng)后的數(shù)據(jù)無法使用。
本次標(biāo)定試驗包括雷達(dá)AD卡底噪標(biāo)定、信號飽和度標(biāo)定、發(fā)射接收光軸同軸度標(biāo)定、瑞利散射信號合理性標(biāo)定和聯(lián)合對比觀測標(biāo)定等5個分項開展的,對每個分項的標(biāo)定方法和標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了分析。
3.2.1 模擬采集通道底噪標(biāo)定 對于雷達(dá)系統(tǒng)的模擬采集通道,其底噪是否水平及噪聲的大小,會影響信號的質(zhì)量,對參加標(biāo)定的模擬采集通道的底噪進(jìn)行分析。在所有參加標(biāo)定的雷達(dá)中,101號雷達(dá)的532nm米散射信號采用模擬和光子計數(shù)融合的方式探測,105號雷達(dá)的532nm米散射通道僅使用模擬方式采集。蓋上望遠(yuǎn)鏡的蓋子,得到采集卡的底噪曲線。圖3是101號雷達(dá)P模擬通道的3000s累加底噪圖。整個通道包括8000個距離庫,距離分辨率為3.75m,把每100個庫分成1段,計算該段的噪聲的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,以及該段的噪聲平均值與整個8000個庫噪聲的平均值的相對標(biāo)準(zhǔn)差。101號雷達(dá)和105號雷達(dá)模擬通道的最大相對偏差如表3所示。
Fig.3 3000s cumulative background noise map for 532nm P analog receiving channel of No.101 LiDAR
Table 3 Background noise analysis result table of analog channel for No.101 and No.105 LiDARs
可以看到,兩部雷達(dá)的模擬通道在進(jìn)行信號處理時需要定期測量背景噪聲,并減除背景噪聲,圖4是101號雷達(dá)532nm模擬接收通道在校正之前和之后的后向散射系數(shù)結(jié)果對比圖。兩者的后向散射系數(shù)在2.13km的相對偏差達(dá)到了42.7%,在1km~5km高度范圍內(nèi)的平均相對平均偏差為19.4%。
Fig.4 Backscattering coefficient map for 532nm analog channels of No.101 LiDAR before and after background noise correction
3.2.2 信號飽和檢查 對于信號是否飽和的檢查方法,是在假設(shè)大氣穩(wěn)定的條件下,采用更換衰減片或者降低激光器發(fā)射功率的方法。為了縮短測試時間,降低大氣氣溶膠變化帶來的誤差,本文中主要采用降低激光器功率的方法來測試,從激光器發(fā)射最大的功率開始,逐步降低,測試過程中最小的功率至少要小于最大功率的20%,對不同發(fā)射功率對應(yīng)的不同接收信號,進(jìn)行距離平方校正,并取對數(shù)。作者選取信噪比高的一段數(shù)據(jù),且連續(xù)分析一段數(shù)據(jù)的平行度,通過多組數(shù)據(jù)平行度分析以降低由于激光能量降低帶來的信噪比的影響,同時如果大氣穩(wěn)定性不好,可以反復(fù)多次測量。
Fig.5 Saturation calibration for No.102 LiDARa—before calibration b—after calibration
對102號雷達(dá)飽和度進(jìn)行檢查標(biāo)定,標(biāo)定前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理如圖5a所示,調(diào)整發(fā)射功率之后,標(biāo)定的數(shù)據(jù)如圖5b所示。power 1是接收通道正常工作條件下的回波信號,power 2一直到power 3是逐步降低發(fā)射功率后的回波信號。對3條回波信號的距離平方校正信號取對數(shù),分別擬合斜率,分析結(jié)果如表4所示。可以看到,標(biāo)定前回波曲線的傾斜角度最大差值為5.1°,標(biāo)定后的最大差值為1.5°。
采用相同的方法對101號~106號雷達(dá)的飽和情況進(jìn)行檢查標(biāo)定,標(biāo)定后的結(jié)果如表5所示。
Table 4 Comparison of the results before and after saturation calibration for No.102 LiDAR
Table 5 Calibration result analysis table of saturation check for No.101~106 LiDARs
3.2.3 望遠(yuǎn)鏡對中檢查標(biāo)定 望遠(yuǎn)鏡對中檢查標(biāo)定的目的是把發(fā)射激光的光軸與接收光軸重合。把望遠(yuǎn)鏡分為4個象限,與激光發(fā)射口之間的位置關(guān)系如圖6所示。包括2種模式:第1種是發(fā)射激光與望遠(yuǎn)鏡非同軸的情況,如圖6a所示,定義為F1方式;第2種是同軸的情況,如圖6b所示,定義為F2方式。在進(jìn)行標(biāo)定時,輪流打開ABCD這4個象限的遮擋板中的一個,接收大氣回波信號,采集并比對分析。對于F1的標(biāo)定方式,由于ABCD4個象限與發(fā)射激光的相對位置不同,在0km~1km,A象限的信號最強,B象限信號最弱,CD象限信號相同,在1km~5km,4個象限的信號應(yīng)該完全相同;對于F2模式,0km~5km的信號都應(yīng)該完全相同。
Fig.6 Position diagram of laser and telescope in four quadrant calibration
經(jīng)過標(biāo)定后,部分雷達(dá)的對中情況有了較大的改善,少數(shù)雷達(dá)后期需要通過改進(jìn)接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,才能進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射和接收光軸的一致性。104號雷達(dá)標(biāo)定前后雷達(dá)ABCD這4個象限的回波信號以及信號的平均值圖如圖7所示。由于104號雷達(dá)為非同軸結(jié)構(gòu),AB兩個象限在低空的回波信號差值應(yīng)該較大,CD兩個象限在低空理想情況下應(yīng)該是完全重合的,從圖7a可以看出來,標(biāo)定前在0km~1km高度B象限的值要高于D象限的值,CD兩個象限的信號差值也非常大,標(biāo)定后(見圖7b)可以看出,CD象限曲線在低空的差值明顯降低,光路得到優(yōu)化。
Fig.7 Curve of four quadrant signal before and after calibration for No. 104 LiDAR
對標(biāo)定前后5km以下的4個象限的數(shù)據(jù)與平均值的相對標(biāo)準(zhǔn)差和相對系統(tǒng)差進(jìn)行統(tǒng)計分析,如表6所示。在低空0km~1km高度范圍內(nèi),CD兩個象限平均值的相對系統(tǒng)差從18.7%降到7.8%,標(biāo)準(zhǔn)差從26.7%降到11.3%。
101號、103號、104號氣溶膠激光雷達(dá)采用F1標(biāo)定方式,102號、105號和106號雷達(dá)采用F2標(biāo)定方式。根據(jù)雷達(dá)的硬件特點以及標(biāo)定時的大氣情況,對低、中、高3層回波信號進(jìn)行統(tǒng)計分析,如表7所示。
Table 6 Statistical analysis results of different heights before and after four quadrant calibration for No.104 LiDAR
Table 7 Four quadrant calibration results for No.101 LiDAR
3.2.4 瑞利散射信號檢查標(biāo)定 在大氣邊界層之上,大氣氣溶膠的含量非常少,可以假設(shè)為0,利用計算出來的大氣分子回波信號與雷達(dá)測量得到的邊界層以上的大氣回波信號進(jìn)行對比,來判斷雷達(dá)的光路和光電器件是否存在問題。106號雷達(dá)532nm米散射通道的回波信號與大氣分子信號對比圖如圖8所示,圖8a是標(biāo)定之前的對比結(jié)果,圖8b是標(biāo)定之后的對比結(jié)果,標(biāo)定之前和標(biāo)定之后雷達(dá)回波信號與計算的大氣分子信號之間的標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)差,如表8所示。
Fig.8 Comparison between echo signal of No.106 LiDAR and atmospheric molecular echo signal
對101號~106號雷達(dá)的大氣分子回波信號進(jìn)行檢查標(biāo)定,標(biāo)定后的結(jié)果如表9所示。可以看到,在3km~7km高度系統(tǒng)差一般都小于10%,標(biāo)準(zhǔn)差都小于20%,個別雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)差較大,主要是由于遠(yuǎn)場信號的信噪比降低造成的。
3.2.5 低空氣溶膠信號比對觀測標(biāo)定 在完成了雷達(dá)的AD卡底噪、信號飽和度、望遠(yuǎn)鏡四象限對中、瑞利散射信號擬合等幾項標(biāo)定之后,對6部雷達(dá)在同一時刻同一時間段內(nèi)累加的實測信號,進(jìn)行對比分析。2017-09-14T03:00~2017-09-14T03:10,6部雷達(dá)在南郊觀象臺開展觀測,對532nm米散射通道回波信號,進(jìn)行距離平方校正和歸一化處理,如圖9所示。去掉0km~1km的overlap區(qū),對雷達(dá)1km~5km高度范圍內(nèi)的信號進(jìn)行相對系統(tǒng)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計分析,結(jié)果如表10所示。可以看到,1km~2km范圍內(nèi),最大相對標(biāo)準(zhǔn)差為10.8%,2km~5km范圍內(nèi)最大相對標(biāo)準(zhǔn)差為9.3%,6部雷達(dá)觀測原始強度數(shù)據(jù)的一致性有了明顯提高。
使用相同的反演算法對6部雷達(dá)標(biāo)定好的原始信號進(jìn)行反演,得到6部雷達(dá)同址同時刻觀測的后向散射系數(shù)曲線,如圖10所示。對1km~5km高度范圍內(nèi)的反演結(jié)果進(jìn)行相對系統(tǒng)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計分析,如表11所示??梢钥吹?,1km~2km高度范圍內(nèi)的最大的相對標(biāo)準(zhǔn)差為21.0%,2km~5km最大相對標(biāo)準(zhǔn)差為35.9%。
分別對雷達(dá)在上述2個高度范圍內(nèi)的后向散射系數(shù)進(jìn)行積分,在1km~2km高度范圍內(nèi),其積分值的變化范圍為3.4×10-5~4.1×10-5,變化范圍約為6部雷達(dá)在該高度范圍內(nèi)積分最小值的20.6%,在2km~5km高度范圍內(nèi),其積分值的變化范圍為3.7×10-5~5.9×10-5,變化范圍約為6部雷達(dá)在該高度范圍內(nèi)積分最小值的32.4%。
Table 8 Comparison of Rayleigh signal of No.106 LiDAR before and after calibration
Table 9 Calibration results of Rayleigh signal for No.101~106 LiDARs
Fig.9 Comparison of 532nm normalized signal from 2017-09-14T03:00 to 2017-09-14T03:10(10min accumulation)
Table 10 Calibration results of 532nm Mie scattering signal for 6 LiDARs (10min accumulation)
2017年9月,在北京南郊觀象臺對參加中國氣象局組織的超大城市氣象觀測試驗的6部氣溶膠激光雷達(dá)的532nm米散射通道的光路分系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)進(jìn)行了檢查標(biāo)定,使用統(tǒng)一的算法,對標(biāo)定后532nm通道的原始信號進(jìn)行處理得到了后向散射系數(shù),并對標(biāo)定前后的原始信號和后向散射系數(shù)進(jìn)行了比對分析。
(1) 1km~2km原始信號的相對系統(tǒng)差從66.3%降低到4.5%,相對標(biāo)準(zhǔn)差從90.8%降低到10.8%。
(2) 2km~5km原始信號的相對系統(tǒng)差從65.5%降低到4.3%,相對標(biāo)準(zhǔn)差從80.3%降低到9.3%。
(3)1km~2km后向散射系數(shù)的相對系統(tǒng)差從26.8%降低到10.6%,相對標(biāo)準(zhǔn)差從58.8%降低到21.0%。
(4)2km~5km后向散射系數(shù)的相對系統(tǒng)差從137.3%降低到17.6%,相對標(biāo)準(zhǔn)差從244.3%降低到35.9%。
(5)分別對氣溶膠激光雷達(dá)的后向散射系數(shù)進(jìn)行積分,在1km~2km高度范圍內(nèi),標(biāo)定前其積分值的變化范圍為最小積分值的272.9%,標(biāo)定后為20.6%;標(biāo)定前在2km~5km高度范圍內(nèi),其積分值的變化范圍為最小積分值的430.3%,標(biāo)定后為32.4%。
除104號激光雷達(dá)在2km~5km高度范圍內(nèi)的消光系數(shù)結(jié)果大于表1中所述目標(biāo)值之外,其余結(jié)果均達(dá)到上述目標(biāo)值。該次標(biāo)定是大城市試驗中氣溶膠激光雷達(dá)的首次聯(lián)合對比觀測標(biāo)定,喇曼通道、355nm、1064nm通道以及低空overlap區(qū)的信號的檢查標(biāo)定尚未開展,后期將繼續(xù)開展上述項目的標(biāo)定。