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拉曼激光雷达:理论背景

拉曼激光雷达

拉曼激光雷达(RL)是活性的,基于地面的激光遥感测量的水蒸气混合比率和几个云和气溶胶相关量垂直剖面仪。激光雷达是雷达的光学模拟,使用激光辐射的脉冲来探测大气中。

拉曼激光雷达 - figure 1

标准状态下的最先进的多波长拉曼激光雷达,通常被称为3-反向散射+ 2消光,或在短3β+2α或仅仅3 + 2拉曼激光雷达使用了(接种)的Nd:YAG激光器,其在波长发射光1064,532,和355纳米。光束扩展器降低了光束的发散。反向散射光被收集用望远镜。 7信道接收器在三个激光波长可弹性背散射信号和氮中的387和607 nm和407nm的通过使用二向色分束器和干涉滤光器的水蒸汽的拉曼信号分离。偏振器判别532纳米的反向散射信号的parallel-和交叉偏振分量。所有信号被光电倍增管检测并记录在单光子计数模式。

系统检测:

  • 在355,532,1064纳米弹性背散射信号
  • 在387和607纳米的氮振动旋转拉曼信号
  • 在407纳米的水蒸汽的振动旋转拉曼信号
  • 的532-nm信号的parallel-和交叉偏振分量

从这些信号中,在三个发射的波长的后向散射系数的型材,去极化率在532nm,以及消光系数,并在355个532纳米的激光雷达比被确定。此外,水蒸汽的混合比例的轮廓可以导出。从该数量相对湿度可以在相同的散射体积作为气溶胶特性,如果温度分布是已知的来确定。在大多数的从附近的无线电探测器发射的3个+ 2系统的信息被使用。一些系统利用的纯转动拉曼效应,允许用于测量大气中的温度分布,而无需使用无线电探空仪的。

拉曼激光雷达通过简单弹性反向散射激光雷达的主要优点是,它允许测量消光系数,而不是下的激光雷达比假设推断它。其原理如下:

拉曼激光雷达系统检测,除了在激光波长(弹性散射)反向散射,也标志着在不同的波长。这些信号从由分子,其吸收光子的能量的一部分或能量的量添加到该光子的能量(非弹性散射)散射出现。通过非弹性散射,这些分子改变其振动和/或转动状态(拉曼处理)。反向散射光经历引起其能量变化的频移。这种转变为散射分子,其被示意性地示出以下特性。

Frequency shift equation

频移可以从由下列方案的方法中涉及的拉曼散射过程的分子的振动和/或旋转状态的能量差来计算:

Equation 2

拉曼散射截面是幅度比那些弹性散射小几个数量级。因此,激光雷达喇曼具有高的激光脉冲能量,相对大的望远镜,和有效检测器工作的单光子检测的基础上。

下面的图片示出了用于分别355和532nm,刺激波长大气拉曼光谱。

Equation 3

因为能量水平的人口遵循玻尔兹曼分布,拉曼谱带内的强度分布包含在散射体积中的温度信息。因此喇曼激光雷达的一个应用是大气温度廓测量。

在几百到一千波数(取决于所述拉曼活性分子)的频率偏移的振动状态的结果的变化。因此后向散射辐射的光谱分辨的分析允许各种大气物种的测量。然而,低拉曼散射截面限制有意义应用到气体呈现相当高的浓度。因此拉曼激光雷达广泛地用于大气中的水蒸气的测量。

从已知数量浓度(氧,氮)的气体拉曼反向散射用作大气基准。因此,拉曼氮/氧信号可以被用于检索气溶胶消光系数并使用所谓的拉曼拨号技术来确定臭氧浓度。