雲-氣溶膠雷射雷達

雲-氣溶膠雷射雷達是美國與法國合作研製的對地觀測衛星上的有效載荷，屬於美國“地球觀測系統”（EOS），又名地球系統科學探路者-3（ESSP-3），用於探測雲層和氣溶膠的垂直分布及其對地球冷熱變化的影響。

基本介紹

• 中文名：雲-氣溶膠雷射雷達
• 外文名：Cloud-Aerosol Lidar
• 研發國家：美國、法國合作
• 類型：地球觀測系統
• 質量：156kg
• 功率：124W

研發背景

美國是星載雷射雷達的先行者, 曾在1994 年9月20 日用發現號太空梭搭載雷射雷達進行了雷射雷達空間技術試驗(Lidar In-space Technolog yExperiment s , LITE), 證明了空間雷射雷達在研究氣溶膠和雲方面的潛力。LITE 成為世界上首個地球軌道雷射雷達試驗。

隨後, 美國NASA 在1998 年與法國國家航天中心(CNES)合作開始實施“雲-氣溶膠雷射雷達和紅外探測者衛星觀測”(Cloud-Aeroso ls Lidar and Inf rared Pathfinder Satellite Observat ions ,CA LIPSO)計畫, 該計畫的任務是提供全球的雲和氣溶膠觀測數據, 用於研究雲和氣溶膠對氣候的影響。2006 年4 月28 日, CA LIPSO 衛星由德爾它
-II 火箭發射升空, 正交偏振雲-氣溶膠雷射雷達(Cloud-Aeroso l LIdar w i th Orthog onal Polarization, CA LIOP)則是CA LIPSO 衛星的主要有效載荷之一。相比於LITE ,CA LIPSO 採用了偏振檢測技術, 實現了全球覆蓋, 其首批試驗結果更表明,CA LIOP 具備識彆氣溶膠、沙塵、煙塵以及捲雲的能力, 它成為世界上首個套用型的星載雲和氣溶膠雷射雷達, 其觀測能力優異。

系統組成

發射系統

發射系統共採用了兩套完全相同的雷射發射裝置, 一套為主份, 另一套為備份。發射系統所用雷射器為1 064nm 的Nd :YAG 雷射器,Nd :YAG 雷射器有192 個半導體雷射器泵浦, 單脈衝輸出最高可達440mJ 。為了提高可靠性和使用壽命, 套用中雷射單脈衝輸出調整為220mJ 。通過使用倍頻技術, 發射系統可獲得532nm 波長的雷射脈衝輸出, 最終發射系統將輸出單脈衝能量均為110mJ 的1 064nm 和532nm的雷射, 脈寬20ns , 重複頻率20 .16Hz 。雷射器通過光束準直系統之後, 其發散角可達100μrad 。根據雷射脈衝重複頻率以及光束髮散角可得, 雲-氣溶膠雷射雷達地面水平解析度為333m , 地面光斑大小為70m 。視場校準機構能將發射系統視場與接收視場進行校準, 校準機構調節範圍±1°, 解析度1.6μrad , 校準精度優於13μrad 。

接收系統

CALIOP 接收系統採用1m 直徑的望遠鏡系統, 視場為130mrad , 覆蓋整個發射系統視場100μrad 。望遠鏡系統接收的散射光脈衝聚焦後經後續透鏡準直入射到分光鏡上, 反射光為532nm 的光脈衝, 它經過干涉濾光片和窄帶標準具來減小太陽背景光的影響, 然後再由偏振分光鏡分為兩偏振方向相互垂直的偏振光532nm 平行光和532nm 垂直光, 用於正交偏振檢測, 通過對比反向散射的正交偏振成分的比率, 可區分雲的冰相和水相。消偏器則用於望遠
鏡的校準。分光鏡的透射光為1 064nm 的光脈衝回波, 它經過干涉濾光片後由探測器直接探測。

光電倍增管有較大的動態範圍、很低的暗噪聲以及較好的量子效率, 它用於檢測532nm 光脈衝信號。532nm 光脈衝檢測電路採用2 個14 位的數字轉換器實現了22 位的動態範圍。但光電倍增管在1 064nm 處的量子效率比較低, 故系統中採用雪崩二極體來檢測1 064nm 的雷射脈衝回波。532nm通道的靈敏度要優於1 064nm 通道的靈敏度。

性能參數

“雲-氣溶膠雷射雷達”採用雙波長（532nm，1064nm）的正交極化雷達，可提供高解析度（30m）的氣溶膠和雲的垂直分布。雷達質量156kg，功率124W，數據傳輸速率316kbit/s。該雷達有3個通道，1個通道測量1064nm的後向散射強度，另外2個通道測量532nm後向散射信號的正交極化部分。水平解析度333m，垂直解析度30m，視場130urad。