吳佛菊，薛向輝，易帆，焦菁*，陳廷娣，余長明，柳付超，楊國韜，王繼紅，杜麗芳

1. 中國科學院國家空間科學中心，空間天氣學國家重點實驗室，北京 100190

2. 中國科學技術大學，地球和空間科學學院，合肥 230026

3. 武漢大學電子信息學院，武漢 430072

4. 地球空間環(huán)境與大氣測量教育部重點實驗室，武漢 430072

5. 大氣遙感國家野外科學觀測研究站，武漢 430072

引 言

位于地球大氣80-110 km 的區(qū)域是中層頂區(qū)域，這一區(qū)域是大氣與空間的分界并且在此區(qū)域中存在著大氣金屬層。流星消融機制被認為是大氣金屬層的來源[1]。當流星體進入地球大氣層時，由于地球大氣密度的增加，流星體會與地球大氣發(fā)生強烈地碰撞與摩擦從而釋放出金屬元素形成大氣金屬層，如鈉原子層、鉀原子層、鈣原子層等。由于大氣金屬層受到低層大氣的波動和電離層的影響，它可以作為示蹤劑去研究中高層大氣和電離層耦合機制的研究。因此，大氣金屬層的探測研究十分重要。激光雷達具有高時空分辨率、高探測精度等優(yōu)點，它可以覆蓋衛(wèi)星遙感和地基無線電設備的探測盲區(qū)，已經(jīng)成為探測大氣金屬層的有利工具。Bowman 等人于1996 年首次完成了鈉原子層的激光雷達探測[2]。隨后，眾多研究學者開展了對鈉原子層的激光雷達觀測。鈉原子激光雷達是目前全球范圍內(nèi)技術最為成熟，分布最廣，使用最多的激光雷達。

迄今為止，我們已經(jīng)用子午一期的鈉激光雷達對金屬鈉原子層進行了長達十年的激光雷達探測。通過對鈉激光雷達得到的光子回波信號進行反演分析，我們得到了中層頂鈉原子的密度變化特點以及鈉原子層的夜間變化和季節(jié)變化規(guī)律。此外，我們還利用鈉激光雷達數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了很多鈉原子層的特殊現(xiàn)象，如突發(fā)鈉層[3-5]、雙鈉層[6-7]、熱層鈉層[8-9]。這些特殊現(xiàn)象都與金屬原子離子的相互轉化有關，與電離層有著密不可分的關系。因此，子午一期的鈉激光雷達數(shù)據(jù)為中高層大氣與電離層的耦合研究打開了一扇新的大門。此外，子午一期的激光雷達還有瑞利激光雷達用來探測中層大氣的密度和溫度變化。該瑞利激光雷達數(shù)據(jù)被用來研究30-80 km 中層大氣的溫度變化趨勢以及行星波、潮汐波、重力波等大氣波動活動。

子午一期的瑞利激光雷達用于探測30-80 km 的大氣密度和溫度、鈉激光雷達用于探測80-110 km 的鈉層密度，實現(xiàn)了30-110 km 中高層大氣的同時探測。本激光雷達數(shù)據(jù)集提供了中層大氣密度溫度和中層頂區(qū)域鈉原子的密度。這些數(shù)據(jù)為中高層大氣的研究提供了數(shù)據(jù)保障。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

通過鈉激光雷達和瑞利激光雷達向大氣發(fā)射激光束，由于大氣分子和金屬原子的散射，從而使接收望遠鏡得到散射回來的光子數(shù)。對回波光子數(shù)進行反演處理便得到了本激光雷達數(shù)據(jù)集。

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

子午一期建立的激光雷達的工作過程大體相似，因此主要以子午一期延慶臺站建立的鈉激光雷達和瑞利激光雷達為例介紹。其發(fā)射單元結構示意圖如圖1 所示。在發(fā)射單元中，一臺Nd:YAG 固體激光器（Continuum PL9030）發(fā)出波長為1064 nm 的激光束，該激光束經(jīng)過第一個倍頻晶體后，產(chǎn)生了一束532 nm 的綠色激光束和剩余的1064 nm 基波光。532 nm 的綠色激光束經(jīng)過擴束鏡調(diào)整激光的發(fā)散角和準直度后，由全反鏡發(fā)射到地球大氣中，從而被用來進行瑞利信號的探測。對于剩余的1064 nm 的激光，采用二次倍頻余光復用技術[10]將其進行二次倍頻后得到另一束532 nm 的綠色激光束，用于泵浦鈉染料激光器使其產(chǎn)生一束589 nm 的黃色共振激光束去探測鈉原子層。該黃色激光束同樣經(jīng)過擴束鏡后，由全反鏡反射進入大氣金屬層中。532 nm 的綠色激光束和589 nm 的黃色激光束被同時發(fā)出，完成瑞利信號和鈉原子層信號的探測。瑞利和鈉原子層的回波光子由反射式望遠鏡接收?；夭ü庾颖环瓷涞浇蛊矫嫔先缓筮M入石英光纖中，然后通過光纖到達準直透鏡和濾光片，最后進入光電倍增管中。光電倍增管將光信號轉化為電信號，最后由MCS 采集卡采集數(shù)據(jù)。

此外，使用WS6-200 波長計測量鈉激光雷達和瑞利激光雷達發(fā)出的波長，并且使用自動鎖頻軟件將波長的誤差鎖定在0.3 pm 之內(nèi)。因此，激光雷達發(fā)出的波長較為準確。

圖1 延慶臺站鈉激光雷達和瑞利激光雷達的發(fā)射單元

接收單元地主要設備是直徑為1 米地反射式望遠鏡，該望遠鏡主鏡鍍了鋁加SiO2保護膜，能夠實現(xiàn)回波光子的全波段接收。望遠鏡接收到的鈉原子層的回波信號和瑞利散射信號經(jīng)過窄帶濾光片后，信號中的背景噪聲以及其他波段的信號被抑制，只保留了589 nm 和532 nm 的回波信號。這些微弱的回波信號被高量子效率的光電倍增管轉換為電信號之后，由光子計數(shù)卡進行數(shù)據(jù)采集。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 鈉激光雷達數(shù)據(jù)

鈉激光雷達數(shù)據(jù)集包括共振熒光光子計數(shù)文件和鈉層密度文件。熒光光子計數(shù)文件是鈉激光雷達探測獲得的原始數(shù)據(jù)文件。根據(jù)Megie[11]、Chu[12]提出的反演算法，將原始數(shù)據(jù)文件反演后得到鈉層密度文件。其反演公式如下：

其中，n是鈉原子的密度；nr是參考高度處的大氣數(shù)密度，通常取參考高度為35-40km；Ns和Nr分別是在高度z處和在參考高度zr處接收到的光子數(shù)；Nb是背景噪聲；σeff是鈉原子的有效散射截面，σeff=5.22e-16 m2/sr；σr是參考高度處的瑞利散射截面，其值可由大氣密度模式NRLMSISE-00 獲得。E是鈉原子層的消光系數(shù)，它的值為鈉原子的密度和有效散射截面乘積的積分。

1.2.2 瑞利激光雷達數(shù)據(jù)

在瑞利激光雷達數(shù)據(jù)中，瑞利散射光子計數(shù)文件可以被用來反演30-80 km 的中層大氣溫度和密度。其中大氣密度的反演公式為：

其中ρ(z)表示高度z處的大氣分子數(shù)密度；ρ(zr)表示歸一化高度處的大氣密度（可由NRLMSISE-00 模式得到）；zr為歸一化的參考高度，通常為30 km 以上；Ns是在高度z處的光子數(shù)，Nr是參考高度處的回波光子數(shù)，Nb是背景噪聲。

若將ρ(zr)初始化為1，則得到了相對大氣密度。在大氣溫度反演中，需要用到相對大氣密度。

對于中層大氣的溫度反演，Alain Hauchecorne 和Marie-Lise Chanin[13]提出假設大氣滿足流體靜力學平衡和理想氣體狀態(tài)方程，大氣溫度廓線可以由相對密度廓線反演得到，這個方法被稱為CH 方法。我們根據(jù)CH 方法，我們選定參考高度zr（一般選擇探測上限高度）后得到在高度zi處的大氣溫度T(zi)為：

其中，R 為理想氣體常數(shù)，M 為理想氣體摩爾質量，g(z)為z高度處的重力加速度，T(zr)為參考高度處的大氣溫度（可由NRLMSISE-00 模式得到）。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

子午一期的鈉激光雷達和瑞利激光雷達的重復頻率為30Hz，原始文件由1000 個激光脈沖產(chǎn)生。因此，激光雷達數(shù)據(jù)集中，每一個數(shù)據(jù)文件的時間分辨率為33s。由于每一個激光脈沖的停留時間為640ns，故每一個數(shù)據(jù)文件的空間分辨率為96m。激光雷達數(shù)據(jù)集中包含原始數(shù)據(jù)集和二級科學數(shù)據(jù)集。瑞利散射光子計數(shù)文件和熒光散射光子計數(shù)文件是MCS 格式的原始數(shù)據(jù)集。大氣溫度和密度文件以及鈉層密度文件屬于二級科學數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式為ASCII，是由原始數(shù)據(jù)反演得到的。每一個數(shù)據(jù)文件名都包含了臺站編碼、設備類型編碼、設備序號以及年月日和文件序號。激光雷達數(shù)據(jù)文件格式如表1。

表1 激光雷達數(shù)據(jù)文件格式

我們利用鈉激光雷達和瑞利激光雷達的數(shù)據(jù)，得到了鈉層典型的回波光子信號和瑞利回波信號，如圖2 所示。

圖2 鈉層回波（左）和瑞利回波（右）

圖3 鈉原子密度（左）大氣密度（中）大氣溫度（右）

圖3 展示了將鈉層和瑞利回波信號反演后，得到的典型的鈉原子密度剖線以及大氣密度和溫度剖線。

此外，激光雷達的數(shù)據(jù)還可以進行重力波的研究。圖4 展示了利用2009-2012 年的激光雷達數(shù)據(jù)，對北京地區(qū)重力波活動的研究結果[14]。

圖4 不同波長重力波垂直波數(shù)的季節(jié)變化規(guī)律（上）和不同波長重力波垂直頻率的季節(jié)變化分布（下）

3 數(shù)據(jù)質量控制與評估

在鈉激光雷達和瑞利激光雷達采集數(shù)據(jù)的過程中，我們使用了WS6-200 波長計實時監(jiān)測589 nm和532 nm，并且使用自動穩(wěn)頻軟件嚴格控制了589 nm 和532 nm 這兩個波長僅在0.3 pm 的范圍內(nèi)波動。這個波動誤差對于鈉原子層探測和瑞利信號獲取的影響是微乎其微的。其次，在激光雷達系統(tǒng)的接收部分，使用了大口徑的接收望遠鏡和窄帶濾光片，很好地抑制了背景雜散噪聲。這些細節(jié)提高了我們兩臺激光雷達的探測性能，并且得到了高信噪比的回波信號（圖2）。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集可支持低層大氣波動、中層大氣溫度密度、電離層擾動、中高層大氣與電離層耦合機制的相關研究，為空間天氣現(xiàn)象的研究提供更多的數(shù)據(jù)支持。

致 謝

本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國家科技基礎條件平臺-國家空間科學數(shù)據(jù)（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

數(shù)據(jù)作者分工職責

吳佛菊，女，博士研究生，研究方向為中高層大氣激光雷達探測。主要承擔工作：數(shù)據(jù)服務。

薛向輝，男，博士，教授，研究方向為大氣激光雷達探測。主要承擔工作：數(shù)據(jù)服務。

易帆，男，博士，教授，研究方向為激光雷達探測技術與大氣遙感。主要承擔工作：數(shù)據(jù)服務。

焦菁，女，博士，副研究員，研究方向為中高層大氣激光雷達探測。主要承擔工作：數(shù)據(jù)服務。

陳廷娣，女，工程師，研究方向為大氣激光雷達探測。主要承擔工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

余長明，男，博士，副教授，研究方向為激光雷達探測技術與大氣遙感。主要承擔工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

柳付超，男，講師，研究方向為激光雷達探測技術與大氣遙感。主要承擔工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

楊國韜，男，博士，研究員，研究方向為中高層大氣激光雷達探測。主要承擔工作：數(shù)據(jù)服務。

王繼紅，男，碩士，研究員，研究方向為中高層大氣激光雷達探測。主要承擔工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

杜麗芳，女，碩士，工程師，研究方向為激光雷達遙感探測技術與儀器研制。主要承擔工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。