论文部分内容阅读
2018年8月22日由欧空局历经20年研发的全球首颗星载激光测风雷达顺利发射升空，标志着人类在风场探测领域步入了崭新的阶段，太阳背景辐射对星载激光测风雷达白天探测的精度具有重要影响，与探测结果是否能用于改善数值预报系统的精度息息相关。为研究太阳背景辐射对星载激光雷达测风的影响，本文建立了星载激光测风雷达信号仿真系统以及计算了天顶辐亮度，并基于星载激光测风雷达ALADIN（Atmospheric Laser Doppler Instrument）接收系统的光学参数将天顶辐亮度转化为太阳背景噪声。评估了太阳背景噪声对星载激光雷达测风精度的影响。评估了不同卫星轨道参数下太阳背景辐射的差异以及对测风不确定度的影响情况，并提出了相应的补偿方案。本文的主要工作及结论有：
（1）研究了星载激光测风雷达太阳背景噪声的模拟方法，并论证了该方法的可行性。本文利用辐射传输模式libRadtran对太阳背景辐射进行了仿真，并估测了不同天气情况下典型地表类型对应的太阳背景辐射。将太阳背景辐射模拟结果转化为太阳背景噪声，该值与CALIOP（Cloud–Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）和MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）遥感资料的对比表明，三者的趋势具有较好的一致性，相关系数较高，验证了太阳背景噪声计算方法的正确性。
（2）根据星载激光雷达的工作原理和系统结构，建立了星载激光测风雷达信号仿真系统，并评估了有无太阳背景噪声对测风精度的影响。将考虑太阳背景噪声时Rayleigh通道不确定度理论计算结果与仿真模拟结果进行了对比，二者具有较好的一致性，验证了星载激光雷达信号仿真系统、鉴频系统以及Rayleigh通道测风不确定度理论的正确性。
（3）以ALADIN星载激光测风雷达硬件参数为例，系统地评估了太阳背景辐射对星载激光测风雷达的影响。星载激光雷达测风精度对太阳背景辐射的敏感性实验表明，在355nm波段太阳背景辐射每增加20mW m-2sr-1nm-1，Rayleigh通道在边界层、对流层和平流层的不确定度增加的量级平均为0.38m s-1、0.18m s-1和0.69m s-1。Mie通道在边界层和对流层测风不确定度增加量的平均值为0.07m s-1和0.21m s-1。对Rayleigh通道和Mie通道风速进行合成，结果表明太阳背景辐射对边界层测风不确定度的影响较小，对平流层测风不确定度的影响较大。不考虑太阳背景辐射的情况下，大气气候态差异造成的星载激光雷达测风不确定度差异介于0.02m s-1~0.43m s-1之间，气溶胶类型差异造成的测风不确定度在边界层的最大差异为1.89m s-1。季节差异造成对测风不确定度的影响较小。除冰雪覆盖地区外，地表类型对测风不确定度的影响也较小。大气气候态类型的差异是造成对流层和平流层测风差异的主要原因，气溶胶类型差异是造成边界层差异的主要原因。根据欧空局对星载激光测风雷达不确定度的要求，通过本文定义的质量系数，评估了星载激光雷达测风数据的整体质量，结果表明70%以上的测风廓线数据质量较高。
（4）评估了轨道参数对太阳背景辐射的影响。对于太阳同步轨道来说，卫星轨道主要取决于轨道高度和轨道升交点。320km和396km两种轨道高度下太阳背景辐射的全球分布差异并不大，但是降低轨道高度可以大幅增加Rayleigh通道和Mie通道的信噪比，进而导致两种轨道的测风不确定度具有较大差异。结果表明，在两种轨道高度下，边界层测风不确定度的差异约为0.45m s-1，对流层的差异为0.81m s-1，平流层的差异为2.01m s-1，增加单束激光的能量可弥补轨道高度升高造成的测风不确定度的增大。轨道升交点为18时、15时和12时三种情况时，太阳背景辐射的全球分布具有较大差异，轨道升交点越接近正午时刻，其整体接收的太阳背景辐射越大。本文通过合理假设，建立了Rayleigh通道测风不确定度与信噪比之间的关系，从而为提升单束激光能量减小测风不确定度这一方法提供了理论依据。最后建立了单束激光能量、太阳背景辐射以及测风不确定度之间的关系，并根据三者之间的关系研究发现当单束激光的能量达到80mJ时，运行在新轨道上的星载激光雷达的测风精度能够达到Aeolus的测风精度水平。
（1）研究了星载激光测风雷达太阳背景噪声的模拟方法，并论证了该方法的可行性。本文利用辐射传输模式libRadtran对太阳背景辐射进行了仿真，并估测了不同天气情况下典型地表类型对应的太阳背景辐射。将太阳背景辐射模拟结果转化为太阳背景噪声，该值与CALIOP（Cloud–Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）和MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）遥感资料的对比表明，三者的趋势具有较好的一致性，相关系数较高，验证了太阳背景噪声计算方法的正确性。
（2）根据星载激光雷达的工作原理和系统结构，建立了星载激光测风雷达信号仿真系统，并评估了有无太阳背景噪声对测风精度的影响。将考虑太阳背景噪声时Rayleigh通道不确定度理论计算结果与仿真模拟结果进行了对比，二者具有较好的一致性，验证了星载激光雷达信号仿真系统、鉴频系统以及Rayleigh通道测风不确定度理论的正确性。
（3）以ALADIN星载激光测风雷达硬件参数为例，系统地评估了太阳背景辐射对星载激光测风雷达的影响。星载激光雷达测风精度对太阳背景辐射的敏感性实验表明，在355nm波段太阳背景辐射每增加20mW m-2sr-1nm-1，Rayleigh通道在边界层、对流层和平流层的不确定度增加的量级平均为0.38m s-1、0.18m s-1和0.69m s-1。Mie通道在边界层和对流层测风不确定度增加量的平均值为0.07m s-1和0.21m s-1。对Rayleigh通道和Mie通道风速进行合成，结果表明太阳背景辐射对边界层测风不确定度的影响较小，对平流层测风不确定度的影响较大。不考虑太阳背景辐射的情况下，大气气候态差异造成的星载激光雷达测风不确定度差异介于0.02m s-1~0.43m s-1之间，气溶胶类型差异造成的测风不确定度在边界层的最大差异为1.89m s-1。季节差异造成对测风不确定度的影响较小。除冰雪覆盖地区外，地表类型对测风不确定度的影响也较小。大气气候态类型的差异是造成对流层和平流层测风差异的主要原因，气溶胶类型差异是造成边界层差异的主要原因。根据欧空局对星载激光测风雷达不确定度的要求，通过本文定义的质量系数，评估了星载激光雷达测风数据的整体质量，结果表明70%以上的测风廓线数据质量较高。
（4）评估了轨道参数对太阳背景辐射的影响。对于太阳同步轨道来说，卫星轨道主要取决于轨道高度和轨道升交点。320km和396km两种轨道高度下太阳背景辐射的全球分布差异并不大，但是降低轨道高度可以大幅增加Rayleigh通道和Mie通道的信噪比，进而导致两种轨道的测风不确定度具有较大差异。结果表明，在两种轨道高度下，边界层测风不确定度的差异约为0.45m s-1，对流层的差异为0.81m s-1，平流层的差异为2.01m s-1，增加单束激光的能量可弥补轨道高度升高造成的测风不确定度的增大。轨道升交点为18时、15时和12时三种情况时，太阳背景辐射的全球分布具有较大差异，轨道升交点越接近正午时刻，其整体接收的太阳背景辐射越大。本文通过合理假设，建立了Rayleigh通道测风不确定度与信噪比之间的关系，从而为提升单束激光能量减小测风不确定度这一方法提供了理论依据。最后建立了单束激光能量、太阳背景辐射以及测风不确定度之间的关系，并根据三者之间的关系研究发现当单束激光的能量达到80mJ时，运行在新轨道上的星载激光雷达的测风精度能够达到Aeolus的测风精度水平。