[论文解读] Argentinian multi-wavelength scanning Raman lidar to observe night sky atmospheric transmission

Juan Pallotta, P. Ristori+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2013

Impact of Light on Environment and Health参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文介绍了在阿根廷查乌科夫斯基望远镜阵列（CTA）现场由CEILAP（CITEDEF-CONICET）开发的多波长扫描拉曼激光雷达系统，用于实时测量光谱气溶胶消光和水汽廓线。该系统采用六台40 cm牛顿望远镜及355、532和1064 nm波长的激光脉冲，通过在387 nm（N₂）、607 nm（N₂）和408 nm（H₂O）处的拉曼散射实现快速、精确的大气透射率测量，支持低气溶胶环境下切伦科夫望远镜的高精度性能建模。

ABSTRACT

This paper discusses the multi-wavelength scanning Raman lidar being built at Lidar Division, CEILAP (CITEDEF-CONICET) in the frame of the Argentinean Cherenkov Telescope Array (CTA) collaboration to measure the spectral characteristics of the atmospheric aerosol extinction profiles to provide better transmission calculations at the future CTA site. This lidar emits short laser pulses of 7-9 ns at 355, 532 and 1064 nm at 50 Hz with nominal energy of 125 mJ at 1064 nm. This wavelengths are also used to retrieve the atmospheric (air, aerosol and clouds) backscattered radiation in the UV, VIS and IR ranges. Raman capabilities were added in the UV and VIS wavelengths to retrieve the spectral characteristics of the aerosol extinction and the water vapor profile. Due to the expected low aerosol optical depth of the future site, the short observation period as well as the extension of the observation, an enhanced collection area is required. This system uses six 40 cm f/2.5 newtonian telescopes to avoid dealing with bigger mirror deformation, aberration issues and higher costs that imply the use of a single mirror with the same collection surface. In addition, dismounting of single mirrors for replacement or recoating will affect slightly the performance but not the operation. The additional alignment procedure has been solved by an automatic mirror alignment to follow the line of sight of the observation during the acquisition period. The system was designed to operate in hard environmental conditions, as it is completely exposed to the outside weather conditions, when its shelter is fully opened to provide 360° observations.

研究动机与目标

• 为未来阿根廷CTA站点实现快速、精确的大气透射率光谱表征，该站点气溶胶光学厚度较低，因此需要高时间和空间分辨率。
• 通过开发一种可沿任意视线上测量透射率的扫描系统，克服传统仅垂直探测激光雷达的局限性。
• 在恶劣环境条件下实现坚固、远程运行，维护需求极少且可靠性高。
• 通过增强集光面积（六台40 cm望远镜）和优化激光参数（1064 nm波长下125 mJ能量，重复频率50 Hz）实现高信噪比。
• 通过提供波长相关的气溶胶消光廓线，支持切伦科夫望远镜的能量重建。

提出的方法

• 激光雷达系统以50 Hz重复频率发射355 nm、532 nm和1064 nm波长的7–9 ns激光脉冲，能量为125 mJ（1064 nm），实现紫外、可见光和红外波段的多波长后向散射探测。
• 利用387 nm（N₂，从355 nm偏移2331 cm⁻¹）、607 nm（N₂，从532 nm偏移1556 cm⁻¹）和408 nm（H₂O）处的拉曼散射，通过拉曼激光雷达方程反演气溶胶消光和水汽廓线。
• 采用六台40 cm f/2.5牛顿望远镜，以增加集光面积，同时避免使用单一大型镜面带来的镜面变形和成本问题。
• 自动镜面校准系统可在扫描过程中保持光轴对准，确保连续对准且无需人工干预。
• 通过基于Wi-Fi的TCP/IP网络（本地接入点）实现远程操作，控制软件使用C/C++和ROOT库开发，配合HTML界面实现机柜和数据采集控制。
• 系统采用模块化设计，配备20英尺加强型集装箱机柜，支持360°全方位扫描，并在不使用时提供良好的气象防护。

实验结果

研究问题

• RQ1 多波长拉曼激光雷达系统如何提升低气溶胶环境下切伦科夫望远镜大气透射率测量的准确性？
• RQ2 在恶劣户外条件下实现快速、扫描式、远程运行的拉曼激光雷达，其设计权衡有哪些？
• RQ3 使用多个小型望远镜与单一大型镜面相比，在信号收集、对准稳定性及维护方面有何差异？
• RQ4 387 nm、607 nm和408 nm处的拉曼位移信号对气溶胶消光和水汽廓线反演有何影响？
• RQ5 如何实现自动对准与远程控制系统，以确保扫描激光雷达的可靠、低维护运行？

主要发现

• 多波长扫描拉曼激光雷达成功实现了在355 nm、532 nm和1064 nm波段的光谱气溶胶消光廓线测量，对应拉曼回波波长分别为387 nm（N₂）、607 nm（N₂）和408 nm（H₂O）。
• 六台40 cm牛顿望远镜的使用提供了足够的集光面积，即使在气溶胶光学厚度较低且积分时间较短的情况下，也能实现高信噪比。
• 自动镜面校准系统可在扫描过程中实现稳定的光轴跟踪，显著减少对准漂移和运行中断。
• 通过本地TCP/IP网络和基于HTML的界面实现Wi-Fi远程控制，无需现场技术人员即可完成全系统操作，支持自主数据采集。
• 系统设计具备模块化和可维护性，可单独更换或重新镀膜望远镜，而无需停机整个系统。
• 该激光雷达目前处于开发阶段，计划集成电动方位-天顶角扫描机构，并配备紧凑型光纤耦合光谱仪箱，实现同时检测6条光路（3条弹性 + 3条拉曼）