空間中心提出大功率孔徑積激光雷達數據校正新方法

　　美國光學學會(OSA)旗下雜志《光學快訊》2013年21卷第6期 (Optics Express, VOL. 21, Issue 6, pp. 7768-7785, 2013) 發表了中科院空間科學與應用研究中心空間天氣學國家重點實驗室地基探測組關塞、楊國韜等人的研究成果：New methods of data calibration for high power-aperture lidar。

　　在大功率孔徑積激光雷達探測中，強烈大氣后向散射信號引起的探測器脈沖累積效應(Pulse Pile-up)和強光感生噪聲(Signal-Induced Noise)是導致激光雷達回波信號非線性失真，干擾原始數據反演大氣參數準確性的主要因素。尤其對高空金屬層熒光激光雷達，為研究金屬層(80~150km)的變化特性和精細結構，往往采用高量子效率、光子計數模式的光電倍增管(PMT)以保證金屬層探測的高性噪比，這就使得Pulse Pile-up和SIN造成的非線性失真更為明顯，與反演需要的大動態范圍線性信號相矛盾。目前國際上的解決方案主要有多通道信號拼接，安裝機械斬波器等等。

　　為了克服高空強烈鈉熒光信號的非線性失真問題，作者基于子午工程激光雷達實際觀測的經驗基礎，提出了一個比上述方法更有效、系統更為簡潔的方法：他們設計了一套全新的模塊化高精度光電探測器響應特征檢測系統，確保實驗數據運用到實際激光雷達數據修正的可移植性;提出了一套修正脈沖累積效應的新方法，并建立了SIN精細結構扣除模型，首次詳細評估了子午工程激光雷達SIN和Pulse Pile-up效應各自對雷達信號的擾動量。校正后的數據將瑞利原始信號有限的線性范圍(55-80km)擴展到20-80km。將修正數據反演的大氣密度、溫度廓線與TIMED衛星和大氣模式相比較，得到了很好的吻合：平流層大氣密度誤差小于5%，30km至65km溫度誤差小于±10K。值得注意的是，修正后的鈉層數密度峰值有大概30%的增加。

　　借助這套實驗設計和方法還原出未被探測系統扭曲的大氣真實回波信號，作者在確保大動態線性范圍(20-110km)和保證鈉層信號的高信噪比之間，達到了一個不用降低PMT量子效率的全新切入點：即使在一個探測通道內，研究者也可以盡可能的選擇更高效率更敏感的PMT，將探測高度進一步上探，為研究金屬層更精細特征、發現更多未知現象提供了可能，而不用再擔心低空-中層信號的非線性失真無法挽回。這項工作得到OE審稿人的高度評價。

圖一：回波信號修正(Red)與原始信號(Black)比較

圖二：鈉層絕對數密度校正(Green)與原始(Black)比較