陳玉寶，王簫鵬，步志超，王一萌，郭澤勇，熊 峰，王 宣

(1.中國(guó)氣象局 氣象探測(cè)中心，北京 100081；2.陽(yáng)江市氣象局，陽(yáng)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)

引 言

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(cè)的重要遙感設(shè)備之一，其探測(cè)數(shù)據(jù)具有高精度和高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)[1-4]，可用于大氣霧霾的監(jiān)測(cè)、數(shù)值模式同化預(yù)報(bào)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(cè)精度[8-10]。對(duì)于探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)、溫度、水汽和臭氧含量等大氣廓線參數(shù)的激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，可以與使用氣球或者無(wú)人機(jī)攜帶的觀測(cè)設(shè)備得到的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行比較，判斷其探測(cè)數(shù)據(jù)的精度[11-12];但是對(duì)于氣溶膠激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，就要復(fù)雜很多，與地基的濁度計(jì)和太陽(yáng)光度計(jì)等觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，都存在著波長(zhǎng)不一致、探測(cè)體積不相同等多種困難[13]。因此，通過(guò)多部氣溶膠激光雷達(dá)的相互比對(duì)，并使用統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)對(duì)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(lái)自11個(gè)國(guó)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(lái)自16個(gè)國(guó)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(cè)的氣溶膠廓線數(shù)據(jù)，EARLINET一直通過(guò)網(wǎng)內(nèi)激光雷達(dá)的比對(duì)觀測(cè)，基于統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定。2001年～2002年，EARLINET對(duì)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小于10%，在自由對(duì)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(lái)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(duì)標(biāo)定每年定期舉行，期間對(duì)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(hào)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小于2%，計(jì)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(guó)內(nèi)，主要是通過(guò)太陽(yáng)光度計(jì)、大氣成分觀測(cè)設(shè)備對(duì)氣溶膠激光雷達(dá)的探測(cè)精度進(jìn)行比對(duì)分析[21-25],本文中在國(guó)內(nèi)首次通過(guò)多臺(tái)激光雷達(dá)的比對(duì)觀測(cè)來(lái)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定，并取得了不錯(cuò)的結(jié)果，標(biāo)定之后的氣溶膠激光雷達(dá)在北京的5個(gè)觀測(cè)站進(jìn)行了布點(diǎn)觀測(cè)，為超大城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1 研究背景

為了揭示城市熱島、地表粗糙度差異和大氣污染等對(duì)城市氣象和環(huán)境的影響，2016年，中國(guó)氣象局發(fā)起了超大城市綜合氣象觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)多種地基觀測(cè)設(shè)備，實(shí)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(cè)，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(duì)其影響機(jī)理。為了確保試驗(yàn)中組網(wǎng)氣溶膠激光雷達(dá)探測(cè)的大氣氣溶膠特征參數(shù)廓線定量可比，項(xiàng)目組在北京南郊觀象臺(tái)開(kāi)展了氣溶膠激光雷達(dá)的標(biāo)定。

2017年9月，6臺(tái)氣溶膠激光雷達(dá)在南郊開(kāi)展了第1次標(biāo)定工作，標(biāo)定完成后在北京市的5個(gè)站點(diǎn)布點(diǎn)觀測(cè)。本次試驗(yàn)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(duì)觀測(cè)標(biāo)定2個(gè)階段：第1個(gè)階段的標(biāo)定主要包括對(duì)激光雷達(dá)的望遠(yuǎn)鏡對(duì)中、模數(shù)(analog to digital,AD)采集卡底噪、接收信號(hào)飽和度、收發(fā)光軸的一致性、激光雷達(dá)的瑞利散射信號(hào)等幾個(gè)方面進(jìn)行檢查標(biāo)定;第2個(gè)階段是在南郊觀象臺(tái)開(kāi)展雷達(dá)集中比對(duì)觀測(cè)，主要是對(duì)多臺(tái)激光雷達(dá)同址同時(shí)刻探測(cè)的大氣邊界層氣溶膠信號(hào)的一致性進(jìn)行檢查標(biāo)定。

項(xiàng)目組有2種方式開(kāi)展比對(duì)觀測(cè):(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(kāi)展比對(duì)觀測(cè)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(duì)國(guó)內(nèi)參加試驗(yàn)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(jì)分析的方法，當(dāng)參加比對(duì)觀測(cè)標(biāo)定的激光雷達(dá)的某個(gè)波長(zhǎng)接收通道的數(shù)量大于5個(gè)時(shí)，可以開(kāi)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。

2 比對(duì)觀測(cè)標(biāo)定的接收通道及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法介紹

由于標(biāo)準(zhǔn)激光雷達(dá)尚未研制完成，因此采用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行比對(duì)觀測(cè)標(biāo)定。參加標(biāo)定的6臺(tái)激光雷達(dá)都有532nm米散射接收通道，可以通過(guò)標(biāo)定得到較為準(zhǔn)確的信號(hào)，3臺(tái)雷達(dá)有355nm米散射接收通道，1臺(tái)雷達(dá)有1064nm米散射接收通道，較難實(shí)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(guó)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(duì)于參加試驗(yàn)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(lái)計(jì)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(cè)量值為x11，x12，x1k,…,x1n；第2部雷達(dá)在距離r1，r2，rk,…,rn處的測(cè)量值為x21，x22，x2k,…,x2n；第i部雷達(dá)在距離r1，r2，rk,…,rn處的測(cè)量值為xi1，xi2，xik,…,xin。假設(shè)共有m臺(tái)雷達(dá)，則所有m臺(tái)雷達(dá)在r1，r2，rk,…,rn處測(cè)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(diǎn)。每個(gè)雷達(dá)的系統(tǒng)差的計(jì)算方法如下：

(2)

式中，i表示第i部雷達(dá)。相對(duì)系統(tǒng)差的計(jì)算方法如下:

(3)

標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算方法如下：

(4)

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算方法如下：

(5)

3 氣溶膠激光雷達(dá)標(biāo)定過(guò)程及結(jié)果分析

第一批次氣溶膠激光雷達(dá)的標(biāo)定在2017年9月開(kāi)展，參加標(biāo)定的6臺(tái)雷達(dá)中，任意兩臺(tái)雷達(dá)之間的距離不大于100m，為了方便比對(duì)過(guò)程說(shuō)明，對(duì)6臺(tái)雷達(dá)分別命名為101、102、103、104、105和106。

3.1 標(biāo)定前氣溶膠激光雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)分析

2017-09-08對(duì)參加聯(lián)合比對(duì)觀測(cè)標(biāo)定的氣溶膠激光雷達(dá)的信號(hào)進(jìn)行了首次對(duì)比分析，取22:00～22:10累加的532nm米散射通道的信號(hào)歸一化處理，距離平方校正后，進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示?？梢钥闯觯?04號(hào)雷達(dá)曲線和106號(hào)雷達(dá)曲線，與計(jì)算得到的大氣分子線擬合較差，存在明顯的問(wèn)題。因此，對(duì)其余4臺(tái)雷達(dá)的信號(hào)進(jìn)行對(duì)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(duì)1km～5km的信號(hào)分段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表2所示?？梢钥吹?，1km～2km高度范圍內(nèi)最大的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了90.8%，2km～5km最大相對(duì)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(tái)雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)反演得到后向散射系數(shù)廓線，其對(duì)比圖如圖2所示。對(duì)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了80.3%，2km～5km最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為244.3%。分別對(duì)雷達(dá)在上述2個(gè)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(gè)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(hào)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(wú)法使用。

3.2 標(biāo)定過(guò)程及分項(xiàng)結(jié)果分析

本次標(biāo)定試驗(yàn)包括雷達(dá)AD卡底噪標(biāo)定、信號(hào)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(hào)合理性標(biāo)定和聯(lián)合對(duì)比觀測(cè)標(biāo)定等5個(gè)分項(xiàng)開(kāi)展的，對(duì)每個(gè)分項(xiàng)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(duì)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(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)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(hào)雷達(dá)的532nm米散射信號(hào)采用模擬和光子計(jì)數(shù)融合的方式探測(cè)，105號(hào)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(hào)雷達(dá)P模擬通道的3000s累加底噪圖。整個(gè)通道包括8000個(gè)距離庫(kù)，距離分辨率為3.75m，把每100個(gè)庫(kù)分成1段，計(jì)算該段的噪聲的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及該段的噪聲平均值與整個(gè)8000個(gè)庫(kù)噪聲的平均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差。101號(hào)雷達(dá)和105號(hào)雷達(dá)模擬通道的最大相對(duì)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(hào)處理時(shí)需要定期測(cè)量背景噪聲，并減除背景噪聲，圖4是101號(hào)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(duì)比圖。兩者的后向散射系數(shù)在2.13km的相對(duì)偏差達(dá)到了42.7%，在1km～5km高度范圍內(nèi)的平均相對(duì)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(hào)飽和檢查 對(duì)于信號(hào)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(cè)試時(shí)間，降低大氣氣溶膠變化帶來(lái)的誤差，本文中主要采用降低激光器功率的方法來(lái)測(cè)試，從激光器發(fā)射最大的功率開(kāi)始，逐步降低，測(cè)試過(guò)程中最小的功率至少要小于最大功率的20%，對(duì)不同發(fā)射功率對(duì)應(yīng)的不同接收信號(hào)，進(jìn)行距離平方校正，并取對(duì)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(guò)多組數(shù)據(jù)平行度分析以降低由于激光能量降低帶來(lái)的信噪比的影響，同時(shí)如果大氣穩(wěn)定性不好，可以反復(fù)多次測(cè)量。

Fig.5 Saturation calibration for No.102 LiDARa—before calibration b—after calibration

對(duì)102號(hào)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(hào)，power 2一直到power 3是逐步降低發(fā)射功率后的回波信號(hào)。對(duì)3條回波信號(hào)的距離平方校正信號(hào)取對(duì)數(shù)，分別擬合斜率，分析結(jié)果如表4所示?？梢钥吹?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(duì)101號(hào)～106號(hào)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(duì)中檢查標(biāo)定 望遠(yuǎn)鏡對(duì)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(gè)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(shí)，輪流打開(kāi)ABCD這4個(gè)象限的遮擋板中的一個(gè)，接收大氣回波信號(hào)，采集并比對(duì)分析。對(duì)于F1的標(biāo)定方式，由于ABCD4個(gè)象限與發(fā)射激光的相對(duì)位置不同，在0km～1km，A象限的信號(hào)最強(qiáng)，B象限信號(hào)最弱，CD象限信號(hào)相同，在1km～5km，4個(gè)象限的信號(hào)應(yīng)該完全相同;對(duì)于F2模式，0km～5km的信號(hào)都應(yīng)該完全相同。

Fig.6 Position diagram of laser and telescope in four quadrant calibration

經(jīng)過(guò)標(biāo)定后，部分雷達(dá)的對(duì)中情況有了較大的改善，少數(shù)雷達(dá)后期需要通過(guò)改進(jìn)接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射和接收光軸的一致性。104號(hào)雷達(dá)標(biāo)定前后雷達(dá)ABCD這4個(gè)象限的回波信號(hào)以及信號(hào)的平均值圖如圖7所示。由于104號(hào)雷達(dá)為非同軸結(jié)構(gòu)，AB兩個(gè)象限在低空的回波信號(hào)差值應(yīng)該較大，CD兩個(gè)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(lái)，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(gè)象限的信號(hào)差值也非常大，標(biāo)定后(見(jiàn)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(duì)標(biāo)定前后5km以下的4個(gè)象限的數(shù)據(jù)與平均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)系統(tǒng)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表6所示。在低空0km～1km高度范圍內(nèi)，CD兩個(gè)象限平均值的相對(duì)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(hào)、103號(hào)、104號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)采用F1標(biāo)定方式，102號(hào)、105號(hào)和106號(hào)雷達(dá)采用F2標(biāo)定方式。根據(jù)雷達(dá)的硬件特點(diǎn)以及標(biāo)定時(shí)的大氣情況，對(duì)低、中、高3層回波信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(hào)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(jì)算出來(lái)的大氣分子回波信號(hào)與雷達(dá)測(cè)量得到的邊界層以上的大氣回波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)判斷雷達(dá)的光路和光電器件是否存在問(wèn)題。106號(hào)雷達(dá)532nm米散射通道的回波信號(hào)與大氣分子信號(hào)對(duì)比圖如圖8所示，圖8a是標(biāo)定之前的對(duì)比結(jié)果，圖8b是標(biāo)定之后的對(duì)比結(jié)果，標(biāo)定之前和標(biāo)定之后雷達(dá)回波信號(hào)與計(jì)算的大氣分子信號(hào)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(duì)101號(hào)～106號(hào)雷達(dá)的大氣分子回波信號(hào)進(jìn)行檢查標(biāo)定，標(biāo)定后的結(jié)果如表9所示?？梢钥吹?，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(gè)別雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)差較大，主要是由于遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的信噪比降低造成的。

3.2.5 低空氣溶膠信號(hào)比對(duì)觀測(cè)標(biāo)定 在完成了雷達(dá)的AD卡底噪、信號(hào)飽和度、望遠(yuǎn)鏡四象限對(duì)中、瑞利散射信號(hào)擬合等幾項(xiàng)標(biāo)定之后，對(duì)6部雷達(dá)在同一時(shí)刻同一時(shí)間段內(nèi)累加的實(shí)測(cè)信號(hào)，進(jìn)行對(duì)比分析。2017-09-14T03:00～2017-09-14T03:10，6部雷達(dá)在南郊觀象臺(tái)開(kāi)展觀測(cè)，對(duì)532nm米散射通道回波信號(hào)，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(duì)雷達(dá)1km～5km高度范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行相對(duì)系統(tǒng)差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表10所示。可以看到,1km～2km范圍內(nèi)，最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為10.8%，2km～5km范圍內(nèi)最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為9.3%，6部雷達(dá)觀測(cè)原始強(qiáng)度數(shù)據(jù)的一致性有了明顯提高。

3.3 氣溶膠消光系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

使用相同的反演算法對(duì)6部雷達(dá)標(biāo)定好的原始信號(hào)進(jìn)行反演，得到6部雷達(dá)同址同時(shí)刻觀測(cè)的后向散射系數(shù)曲線，如圖10所示。對(duì)1km～5km高度范圍內(nèi)的反演結(jié)果進(jìn)行相對(duì)系統(tǒng)差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)分析，如表11所示?？梢钥吹?，1km～2km高度范圍內(nèi)的最大的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為21.0%，2km～5km最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為35.9%。

分別對(duì)雷達(dá)在上述2個(gè)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)

4 結(jié) 論

2017年9月，在北京南郊觀象臺(tái)對(duì)參加中國(guó)氣象局組織的超大城市氣象觀測(cè)試驗(yàn)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(duì)標(biāo)定后532nm通道的原始信號(hào)進(jìn)行處理得到了后向散射系數(shù)，并對(duì)標(biāo)定前后的原始信號(hào)和后向散射系數(shù)進(jìn)行了比對(duì)分析。

(1) 1km～2km原始信號(hào)的相對(duì)系統(tǒng)差從66.3%降低到4.5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差從90.8%降低到10.8%。

(2) 2km～5km原始信號(hào)的相對(duì)系統(tǒng)差從65.5%降低到4.3%，相對(duì)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(duì)系統(tǒng)差從26.8%降低到10.6%，相對(duì)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(duì)系統(tǒng)差從137.3%降低到17.6%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差從244.3%降低到35.9%。

(5)分別對(duì)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(hào)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(yàn)中氣溶膠激光雷達(dá)的首次聯(lián)合對(duì)比觀測(cè)標(biāo)定，喇曼通道、355nm、1064nm通道以及低空overlap區(qū)的信號(hào)的檢查標(biāo)定尚未開(kāi)展，后期將繼續(xù)開(kāi)展上述項(xiàng)目的標(biāo)定。