拉曼雷達重疊函數的模擬與校準

張鷺 冼錦洪 夏敏潔 周晨

摘要 重疊函數的校準對地基激光雷達低空大氣探測的準確性至關重要。目前被廣泛用于校準拉曼激光雷達重疊函數的雙通道實驗標定法，需要滿足彈性散射通道與氮氣拉曼散射通道的重疊函數近似相等的前置條件。但實際儀器光路往往會偏離理想狀態，使得該前置條件無法得到滿足，導致校準失敗。本文使用光線追蹤法模擬重疊函數，計算了各種光路失調情況下彈性散射通道與氮氣拉曼散射通道的比值，并引入了一種鏡頭遮蔽實驗來評估雙通道實驗標定法的前置條件是否得到滿足。數值模擬結果表明，當雷達接收面的不同象限被遮蔽時，如果彈性散射通道與氮氣通道的信號強度比值基本保持不變，則滿足前置條件;如果彈性散射通道與氮氣通道的信號強度比值有顯著差異，則可判定儀器光學系統失調，需要調整直至滿足上述前置條件時才能使用雙通道實驗標定法標定。利用該方法對南京市氣象局安裝的拉曼激光雷達進行了光路測評和調整，并與CCD（charge-coupled device）側向成像激光雷達觀測信號做對比，結果顯示調整后的定標效果更好。

關鍵詞大氣探測;Raman激光雷達;數據質量控制;重疊函數

近年來，大氣探測激光雷達由于其較高的探測精度、精細的時間分辨率以及較遠的垂直探測能力等優勢（田曉敏等，2018;王天河等，2020），被廣泛地應用于大氣污染物監測、氣溶膠探測、云參數反演、邊界層高度反演等重要領域（Cooney，1968;Winker et al.，1996;Matthias et al.，2004;Xie et al.，2007;Sugimoto et al.，2008;丁輝等，2015;Huang et al.，2015;Zhou and Yang，2015;Turner et al.，2016;Liu et al.，2017;Shen and Cao，2017;Zhang et al.，2018;黃悅等，2021;張培昌等，2021）。目前我國新的地基激光雷達觀測網正逐步建設并陸續投入使用，然而該領域仍存在較多問題。激光雷達系統本身結構復雜，且精密儀器經過廠家調試后搬運到觀測場地，即使受到輕微振動仍可能出現光路失調等問題。儀器受工作環境、硬件質量等因素影響出現故障也時有發生;不同生產廠家的雷達設計結構存在差異，由于新的探測儀器投入使用的時間尚短，所以目前有關雷達數據質控和校準還沒有統一標準。這些情況都會直接導致雷達輸出數據異常，使得激光雷達數據質量參差不齊，因此對激光雷達探測數據質量控制開展研究迫在眉睫，而對數據的質量控制是對激光雷達業務組網試驗推進和深入研究的根本保障。

激光雷達利用望遠鏡系統接收大氣回波信號，雷達發射系統和望遠鏡接收系統之間的視場匹配情況通過重疊函數反映。王威等（2014）指出重疊函數的大小直接反映探測盲區的大小，對雷達探測性能有著至關重要的影響。王欣紅等（2023）指出近地面的盲區和過渡區是人類生產及活動的主要范圍，是大氣研究必須關注的區域，需要通過一定的技術獲取重疊函數廓線并校正激光雷達回波信號。國內已有研究關注激光雷達重疊函數定標問題（龍強，2012;徐鑫鑫，2021）。激光雷達重疊函數的計算方法主要分為2類，第1類是理論計算法，即使用解析計算或數值模擬方法對重疊函數進行計算（Halldórsson and Langerholc，1978;Ancellet et al.，1986;Velotta et al.，1998;Berezhnyy，2009）。這類方法需要預先給定光學元件的精確參數和位置信息，但由于光學元件的參數常常不夠精確，同時光學元件的實際位置總會或多或少地偏離理想狀態，這使得實際的重疊函數常常與理論值存在較大差異。第2類是實驗法，即通過實驗測量結果對重疊函數進行標定（Sasano et al.，1979;Wandinger and Ansmann，2002;Biavati et al.，2011;Wang et al.，2015）。這類方法不受實際光路與理想狀態偏差的影響，但往往需要滿足額外的前置條件，惟此相應的實驗法才適用。目前Wandinger and Ansmann（2002）提出的雙通道實驗標定法被廣泛應用于拉曼激光雷達的數據校準，該方法要求氮氣拉曼散射通道（氮氣通道）和彈性散射通道（彈性通道）的重疊函數近似相同，對于準直性良好的拉曼雷達系統，該前置條件能夠被滿足，因此Wandinger and Ansmann（2002）沒有給出判定這個前置條件的方法。然而，激光雷達屬于精密儀器，在運輸、搬運和安裝過程中，輕微的振動可能會使激光雷達出現一定程度的光學系統失調。為此，本文引入一種鏡頭遮蔽實驗（telecover test）用于激光雷達系統的準直性檢驗（Ansmann et al.，1990;Freudenthaler，2008），然而目前并不清楚系統準直性達到什么程度才能使用拉曼雷達重疊函數雙通道標定算法，因此有必要對鏡頭遮蔽實驗進行數值模擬。

本研究使用數值模擬方法分析重疊函數的影響因素，并引入一套鏡頭遮蔽測試方法來判定實驗標定法的前置條件是否成立。該方法首先模擬了不同光學系統狀態下鏡頭各點所對應的視場角，然后使用不同的視場角來模擬不同情況下各通道的重疊函數;采用該方法對南京市氣象局架設的DSL20201224型拉曼激光雷達進行了評估和校準，通過光路調整和實驗標定法有效提高了儀器探測精度，并結合CCD（charge-coupled device）側向成像激光雷達的觀測進行了驗證。

1 重疊函數的數值模擬

1.1 重疊函數的定義

地基激光雷達通過儀器發射的激光與目標物散射光之間的關系來對特定變量進行反演。為了減少背景噪音和多次散射的影響，大部分激光雷達的觀測視場角都較小，只有一部分到達雷達接收鏡頭的光束最終能夠進入內部的傳感器。重疊函數可以定義為在特定的距離下，接收系統視場內的回波能量占鏡頭接收到的總回波能量的比例，除以在較遠的距離下（>3 km）視場內的回波能量占總回波能量的比例。近地面視場與激光束的重疊面積會隨著距離的增加而變化，因此在計算近地面回波信號的強度時，一般會在激光雷達方程中加入隨距離變化的重疊函數來描述回波信號的功率（Halldórsson and Langerholc，1978）。重疊函數在離激光雷達很近的區間接近于0，而在大于一定距離后則趨近于1。

1.2 重疊函數的計算

拉曼激光雷達（DSL20201224）的光學系統如圖1所示。以拋物面主反射鏡A的中心為原點，可建立一個坐標系，選取主反射鏡的對稱軸為坐標軸的z軸（向上為正），原點與激光發射管中軸的垂線為x軸（原點指向發射管的方向為正）。激光發射管中心軸的位置是x=80 mm、y=0 mm，發射管口處的激光束半徑約為10 mm。望遠鏡上方任意點光強的分布可用高斯分布（Halldórsson and Langerholc，1978）來描述：

E（θ，z）=E0（z）exp-θ2θ2c 。? （1）

其中：z是空間點離望遠鏡接收面的高度;θ是發射管口與空間點連線和發射管軸線之間的夾角;E0（z）是特定高度下θ=0處的光強;θc是特定高度下的峰值半寬（在后面的數值模擬中設為0.5 mrad）。

如果該空間點處于接收鏡頭某區域的視場內，那么射入這個鏡頭區域的后向散射光將能夠被接收器所接收;如果空間點處于望遠鏡的視場外，其回波將無法被傳感器所接收。計算每個高度下鏡頭上的每一個區域實際接收到的回波強度與射到該鏡頭區域（這里取-100

當接收系統處于不同狀態時，重疊函數有如下3種情形：如果激光的軸線與視場軸線平行，近場的激光大部分不處于接收系統的視場內，而較遠區域（>2 km）的激光則大部分處于視場內;因此，重疊函數在近場接近于0，在遠場為1，并隨距離的增加而單調遞增。如果發射管的軸線與觀測方向不完全平行，而在激光雷達的上方不遠處與觀測視場的軸線相交，那么交點附近的激光能量大部分會被接收系統所接收，遠場只有部分回波處于視場內，重疊函數會先增加、后減小，并在交點處達到最大。如果發射激光的軸線與觀測方向不完全平行，且激光軸線與視場軸線之間的距離隨高度的增加而增加，遠場只有部分激光處于視場內，則重疊函數會單調遞增（Halldórsson and Langerholc，1978;Ancellet et al.，1986;Berezhnyy，2009;黃悅等，2021）。

1.3 望遠鏡視場角的計算

激光雷達是以脈沖激光器作為發射源，采用一組具有穿孔結構的光學系統向大氣中發射高能量、窄脈沖寬度的脈沖激光束，通過望遠鏡收集大氣中的氣體、氣溶膠微粒和分子產生的后向散射信號，經過光譜分析后將光電信號轉換為電信號，得到所需的大氣光學參數、水汽混合比等物理參數信息。

望遠鏡視場角的計算使用光線追蹤方法。該方法將光近似分解為無數束寬度無限小的光線，每束光線都沿直線傳播。使用理想公式來描述發射激光束的能量分布，同時忽略接收系統中衍射的影響。由于大氣粒子的位置是隨機的，所以射入激光雷達接收系統的光線之間會產生非相干疊加。以拋物面主反射鏡A的中心為原點建立一個坐標系，選取主反射鏡的對稱軸為坐標軸的z軸（向上為正），原點與激光發射管中軸的垂線為x軸（原點指向發射管的方向為正）。主反射鏡拋物面的方程可寫為：

x2+y2-2p1z=0，? （2）

同時，

R22≤x2+y2≤R21， （3）

（x-xt）2+y2≥R23。? （4）

其中：R1（100 mm）是拋物面反射鏡A的半徑;R2（27.5 mm）是雙曲面反射鏡B的半徑;R3（13 mm）是發射管外半徑;xt是發射管中心離原點的距離;p1是主反射鏡的焦距（158 mm）。當光垂直于鏡面入射時，只有滿足公式（3）和（4）的光線才能進入接收系統。此外，3個輻條都會阻擋光線的射入，進入這些區域的光都無法被探測到。

光線經反射鏡A反射后會向拋物面的焦點匯聚，在到達焦點前會被雙曲面反射鏡B阻擋，雙曲面反射鏡B與拋物面A的焦點重合，因此光線經雙曲面反射后會匯聚到雙曲面的另一個焦點上。雙曲面的方程可寫為：

（z-z0）2a2-x2+y2b2=1， （5）

x2+y2≤R22，z-z0>0， （6）

z0=p12-c。? （7）

其中：a和b都是雙曲面的參數;z0是雙曲面的對稱面對應的高度;c是雙曲面反射鏡的半焦距（55 mm）。

在雙曲面的下焦點上有一個孔徑0.5 mm的光闌C，光束經過光闌以后，會被光闌后方的凸透鏡D轉換為平行光束。如果光學系統狀態良好，穿過透鏡D的大部分光束都能被接收器所吸收。然而，圖1中的軸線DE、二向色片F（分光片）的角度在實際測量中都可能會偏離理想狀態，這將會導致一部分光束無法進入接收器。在數值模擬的過程中，將z=0平面上的-100

2 評估光學系統失調產生的影響

2.1 光線追蹤法視場模擬

利用光線追蹤法分別模擬理想情況下的接收視場和光闌的位置偏離時氮氣通道（607 nm）的接收視場，如圖2所示。在理想情況下，望遠鏡上每個區域所對應的視場角除了上方雙曲面反射鏡和輻條的遮擋外，其他區域的視場角大小基本相同，平均為0.9 mrad左右（圖2a）。

考慮光闌的位置沿x軸正方向偏離0.5 mm的情況。在這種狀態下，望遠鏡上每個格點所對應視場的中心軸不再與主反射鏡的軸線垂直，入射角的天頂角和方位角分別為π-β、0的光能夠照射到正中心，其中β的值通過計算獲得。對以（π-β，0）為軸的小范圍內的光進行追蹤，并計算出望遠鏡每個區域所對應的視場角。光闌在水平方向上的位置偏差會影響凸透鏡D后方的光束傳播方向，使得一部分光無法到達凸透鏡E，因此激光雷達的接收面右側區域的視場角接近于0，同時，接收面左側的大部分區域視場角也小于理想狀態（圖2b）;如果光闌的位置沿z軸向下偏離2 mm，光闌會擋住部分本應進入傳感器的光，因此邊緣區域視場角顯著偏小，而接近圓心區域的視場角則有略微的減?。▓D2c）;如果光闌的位置理想，而光軸DE向x軸偏離1°時，激光雷達的接收面左側區域的視場角接近于0，而右側則與理想狀態相近（圖2d）。

下面計算彈性通道的視場角。如果二向色片F處于理想狀態，那么對于接收面上的任意一點，彈性通道的視場角都會與氮氣通道完全相同（圖3a、d）。如果二向色片F的角度略微偏離理想狀態，那么彈性通道和氮氣通道的視場角就會存在顯著差異（圖3b、c）。

2.2 光學系統失調對重疊函數的影響評估

當接收系統處于理想狀態時，激光的軸線與視場軸線在3種不同角度狀態下的重疊函數如圖4所示。在理想狀態下，激光的軸線與視場軸線完全平行，重疊函數在近場接近于0，在遠場為1（圖4中黑線），這與以往的研究結果一致（Ancellet et al.，1986;Berezhnyy，2009;黃悅等，2021）。如果發射管的軸線與觀測方向不平行，二者在激光雷達的上方不遠處相交，則重疊函數會先增加、后減小，且在交點處達到最大（圖4中紅線），這與Ancellet et al.（1986）的分析結果一致。如果激光軸線與視場軸線之間的距離隨高度的增加而增加，則重疊函數單調遞增（圖4中藍線）。

實驗標定法要求彈性散射通道與氮氣通道的重疊函數近似相等，即比值接近1。在接收視場處于如圖3所示的偏離狀態下，上述3種光軸狀態下2個通道的重疊函數得到計算。當氮氣通道視場與彈性散射通道視場相同時，它們的重疊函數相等，其比值近乎為1（圖5a、d），滿足重疊函數的雙通道實驗標定法的前置條件。當兩個通道的視場不一樣時，其重疊函數比值在近地面不再等于1（圖5b、c），則無法滿足前置條件，這主要是因系統的準直性失調所致。

2.3 鏡頭象限遮蔽實驗

為判斷重疊函數實驗標定法的前置條件是否能夠得到滿足，引入鏡頭象限遮蔽實驗，以檢驗激光雷達光學系統的準直性（Freudenthaler，2008;Rascado et al.，2011）;同時，對鏡頭遮蔽實驗進行擾動數值模擬，以量化系統準直性達到何種程度才能夠滿足拉曼雷達重疊函數雙通道標定算法的前置條件。

圖6a為DSL拉曼激光雷達接收面照片;圖6b為遮蔽實驗時象限劃分示意圖。沿Y=X和Y=-X兩條線將接收面分為4個象限，其中激光發射器所在象限記為A象限，與A象限相對的象限記為B象限，Y軸的正軸所在象限記為C象限，Y軸的負軸所在象限記為D象限。鏡頭遮蔽實驗是指對拉曼激光雷達接收面劃分的象限進行4次測量，每次測量時遮住其他3個象限，只允許鏡頭通過剩下的1個象限來接收回波信號，以此對比4個象限接收到的信號強度，并使用數值模擬方法來計算象限遮蔽測試中的重疊函數分布。

當接收系統處于理想狀態時，各象限在遠場的未歸一化重疊函數應是基本相同的，微小的差異主要來源于鏡頭上輻條和激光發射孔的不對稱遮擋。C和D象限基本對稱，因此這兩個象限的重疊函數在各距離都大致相等;受激光發射器的影響，A象限的信號強度在近場略偏小，B象限的信號強度在近場略偏大（圖略）。此時，氮氣通道和彈性散射通道的重疊函數仍然一樣（圖7a）。當接收系統處于非理想狀態時，如果氮氣通道和彈性散射通道的視場不同，則這兩個通道的未歸一化重疊函數就會有較大差異，而且其比例在每個象限都會有較大差異（圖7b、c）;當接收系統處于非理想狀態時，如果氮氣通道和彈性散射通道的視場相同，則氮氣通道和彈性散射通道的重疊函數基本相同（圖7d）。

然而，僅通過上述方法并不能清楚系統準直性達到何種程度才能夠滿足拉曼雷達重疊函數雙通道標定算法的前置條件。為了量化氮氣通道和彈性散射通道接收信號的能量比例與這兩個通道重疊函數比例之間的關系，進行了10 000組擾動數值模擬。在每組擾動實驗中，光闌位置、二向色片的角度都會相對理想位置偏離一個隨機值，同時激光與視場軸線的夾角也是隨機的。在計算完每種情況下的重疊函數后，使用重疊函數比例的均方根偏差來描述兩個通道重疊函數的差異：

σOr=∑zmaxz=zminO532（z）O607（z）-12／（N-1）。? （8）

其中：zmin是評估時考慮的最小距離（這里取90 m，因為該儀器在90 m內的后脈沖噪音會產生顯著誤差）;zmax是考慮的最大距離（這里取1 500 m，因為1 500 m以上重疊函數趨近于1）;N是這個范圍內高度層的數量。接下來使用激光雷達方程計算象限測試中均質大氣下氮氣通道與彈性散射通道的能量比例，并使用均方根誤差計算其偏離理想狀態的情況：

σEr=∑4n=1E532，n／E607，nE532，avg／E607，avg-12／3。? （9）

其中：E532，n是第n個象限遮蔽測試中彈性散射通道在一定距離內（與計算σOr一樣，取90～1 500 m）接收到的總能量;E607，n則是第n個象限遮蔽測試中氮氣通道接收到的總能量。

擾動實驗中σOr與σEr的統計關系如圖8所示。易見，當σEr較小時，σOr也較小;當σEr較大時，σOr可能也較大。在象限遮蔽測試中，每兩次測量之間的時間間隔很小，可認為大氣狀態在實驗中基本保持不變。因此，如果在各個象限測試中氮氣通道和彈性散射通道的信號值比例保持不變，就說明這兩個通道的重疊函數基本相同，重疊函數實驗標定法的前置條件能夠被滿足;反之，如果在各個象限測試中氮氣通道和彈性散射通道的信號值比例有較大差異，就說明這兩個通道的重疊函數會有較大的概率出現較大的差異，此時無法直接使用雙通道重疊函數實驗標定法。在實際操作中，可結合圖8校準精度需求來選定σEr的閾值，并通過調整光路使σEr小于該閾值。

3 南京市拉曼激光雷達校準實驗

利用象限遮蔽實驗方法，以南京市氣象局架設的DSL20201224拉曼激光雷達為例，進行光學系統準直性檢驗，對重疊函數實驗標定法的適用性進行評估。選擇晴空的2021年8月28日21時進行了一組象限遮蔽測試。圖9是光學系統校準前、后的2次象限遮蔽測試結果。圖9a顯示，彈性散射通道的A、D象限接收到的信號非常低，而C象限接收到的信號則非常高，且這些信號存在明顯的異常。同時，氮氣散射通道中A、C象限信號非常強，B、D象限信號非常弱（圖9b）。在各個象限測試中，彈性散射通道與氮氣通道的比值存在巨大差異（圖9c）。此時σEr為0.72，由圖8知σOr較大;如果使用雙通道實驗標定法進行重疊函數的校準，則會產生較大誤差。

為了解決這個問題，對儀器的光學系統進行校準，修正了系統的準直性，并于2022年3月5日重新進行了象限遮蔽測試。在這次實驗中，彈性散射通道與氮氣通道的比值基本保持不變（圖9f）。此時，σEr為0.04，σOr的期望值顯著小于校準前，基本滿足了拉曼雷達重疊函數雙通道實驗標定法的前置條件。

將拉曼激光雷達的后向散射信號與不需要進行重疊函數校準（Barnes et al.，2003;Tao et al.，2014）的CCD側向成像激光雷達觀測信號進行對比，可驗證調整前、后重疊函數的校準效果。利用Tao et al.（2014）提出的方法對近地面的氣溶膠散射相函數進行測量，使用CCD相機對豎直向上發射的激光束進行成像，結合氣溶膠散射相函數和成像激光雷達方程計算出后向散射信號的強度，便可與拉曼雷達得到的后向散射信號進行對比，從而為拉曼雷達定標（Wang et al.，2015）。選擇晴朗的夜間，分別在光路調整前（2021年10月17日）和調整后（2022年3月5日）進行室外CCD（型號QHY90A）測量，結果如圖10所示。光路調整前，拉曼雷達后向散射信號（考慮重疊函數）與成像激光雷達信號的偏差非常大（圖10a），而光路調整至滿足重疊函數標定前置條件后，拉曼雷達后向散射信號（考慮重疊函數）與成像激光雷達信號基本一致（圖10b）。因此，驗證光學系統準直性是否滿足前置條件，是使用雙通道實驗標定法對重疊函數進行校準的基礎，也是校準后數據質量的保障。

4 結論

本文使用理想數值模擬對南京市氣象局的拉曼雷達進行了分析，計算了理想狀態下激光雷達接收系統的視場，以及光學系統出現失調時的視場和重疊函數的變化。在理想數值模擬的基礎上，引入鏡頭象限遮蔽實驗方法，并應用該方法檢驗雷達光學系統準直性，從而判定拉曼雷達重疊函數實驗標定法的前置條件是否得到滿足。

以南京市氣象局安裝的拉曼雷達為例，安裝完成后直接使用雙通道實驗標定法得到的重疊函數存在很大的偏差。利用象限遮蔽實驗方法對光學系統的狀態進行檢驗，發現雷達光學系統準直性較差，經過光路調整使得各個象限測試中氮氣通道和彈性散射通道的信號比值保持不變后，再使用雙通道實驗標定法得到的重疊函數與成像激光雷達觀測結果相符。實驗表明，當氮氣通道與彈性散射通道的能量比例均方根誤差σEr調整到0.04時，能基本滿足拉曼雷達重疊函數雙通道實驗標定法的前置條件。

雖然Wandinger和Ansmann的雙通道實驗標定法已被廣泛地應用于拉曼雷達的校準，但由于儀器光學系統準直性不滿足該方法的前置條件，所以導致計算的重疊函數出現較大偏差，從而嚴重影響了近地面的反演結果。本文方法能夠有效驗證雙通道實驗標定法的適用性，且具有很好的可操作性，有望在其他拉曼雷達上得到應用。相比須選擇晴朗的夜間攜帶多件裝備進行室外測量的CCD成像激光雷達觀測標定方法，在驗證前置條件滿足的情況下，雙通道實驗標定法更具優勢。

致謝：感謝南京市氣象臺姜有山臺長對激光雷達調試實驗給予大力支持。

參考文獻（References）

Ancellet G M，Kavaya M J，Menzies R T，et al.，1986.Lidar telescope overlap function and effects of misalignment for unstable resonator transmitter and coherent receiver［J］.Appl Opt，25（17）：2886-2890.

Ansmann A，Riebesell M，Weitkamp C，1990.Measurement of atmospheric aerosol extinction profiles with a Raman lidar［J］.Opt Lett，15（13）：746-748.

Barnes J E，Bronner S，Beck R，et al.，2003.Boundary layer scattering measurements with a charge-coupled device camera lidar［J］.Appl Opt，42（15）：2647-2652.

Berezhnyy I，2009.A combined diffraction and geometrical optics approach for lidar overlap function computation［J］.Opt Lasers Eng，47（7／8）：855-859.doi：10.1016／j.optlaseng.2009.01.011.

Biavati G，Donfrancesco G D，Cairo F，et al.，2011.Correction scheme for close-range lidar returns［J］.Appl Opt，50（30）：5872-5882.doi：10.1364／ao.50.005872.

Cooney J A，1968.Measurements on the Raman component of laser atmospheric backscatter［J］.Appl Phys Lett，12（2）：40-42.doi：10.1063／1.1651884.

丁輝，牛生杰，張澤嬌，2015.利用微脈沖激光雷達探測大氣混合層高度和氣溶膠垂直結構的初步研究［J］.大氣科學學報，38（1）：85-92. Ding H，Niu S J，Zhang Z J，2015.Measurements of mixed layer height and aerosol vertical profiles using a micro pulse lidar［J］.Trans Atmos Sci，38（1）：85-92.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20120112001.（in Chinese）.

Freudenthaler V，2008.The telecover test：a quality assurance tool for the optical part of a lidar system［C］／／24th International Laser Radar Conference.June Boulder，Colorado：23-27.

Halldórsson T，Langerholc J，1978.Geometrical form factors for the lidar function［J］.Appl Opt，17（2）：240-244.

Huang J P，Liu J J，Chen B，et al.，2015.Detection of anthropogenic dust using CALIPSO lidar measurements［J］.Atmos Chem Phys，15（20）：11653-11665.doi：10.5194／acp-15-11653-2015.

黃悅，陳斌，董莉，等，2021.利用星載和地基激光雷達分析2019年5月東亞沙塵天氣過程［J］.大氣科學，45（3）：524-538. Huang Y，Chen B，Dong L，et al.，2021.Analysis of a dust weather process over East Asia in May 2019 based on satellite and ground-based lidar［J］.Chin J Atmos Sci，45（3）：524-538.（in Chinese）.

Liu D，Liu Q，Bai J A，et al.，2017.Data processing algorithms of the space-borne lidar CALIOP：a review［J］.Infrared Laser Eng，46（12）：1202001.doi：10.3788／irla201746.1202001.

龍強，2012.基于激光雷達的低層大氣光學特性探測研究［D］.南京：南京信息工程大學. Long Q，2012.Optical properties of lower atmosphere derived from lidar measurement［D］.Nanjing：Nanjing University of Information Science and Technology.（in Chinese）.

Matthias V，Balis D，Bsenberg J，et al.，2004.Vertical aerosol distribution over Europe：statistical analysis of Raman lidar data from 10 European Aerosol Research Lidar Network （EARLINET） stations［J］.J Geophys Res：Atmospheres，109（D18）：D18201.doi：10.1029／2004jd004638.

Rascado J L，Guzmn F，Díaz J，et al.，2011.Quality assurance at the EARLINET Granada station：characterization of the optical subsystem for a multichannel Raman lidar［J］.Optica Puray Aplicada，44：19-23.

Sasano Y，Shimizu H，Takeuchi N，et al.，1979.Geometrical form factor in the laser radar equation：an experimental determination［J］.Appl Opt，18（23）：3908-3910.

Shen J，Cao N W，2017.Inversion of tropospheric aerosol extinction coefficient profile by Mie-Raman scattering lidar［J］.Chin J Lasers，44（6）：304-313.doi：10.3788／cjl201744.0610003.

Sugimoto N，Matsui I，Shimizu A，et al.，2008.Lidar network observations of tropospheric aerosols［C］／／Proc SPIE 7153，Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring IX：43-55.doi：10.1117／12.806540.

Tao Z M，Liu D，Wang Z Z，et al.，2014.Measurements of aerosol phase function and vertical backscattering coefficient using a charge-coupled device side-scatter lidar［J］.Opt Express，22（1）：1127-1134.doi：10.1364／oe.22.001127.

田曉敏，劉東，徐繼偉，等，2018.大氣探測激光雷達技術綜述［J］.大氣與環境光學學報，13（5）：321-341. Tian X M，Liu D，Xu J W，et al.，2018.Review of lidar technology for atmosphere monitoring［J］.J Atmos Environ Opt，13（5）：321-341.（in Chinese）.

Turner D D，Goldsmith J E M，Ferrare R A，2016.Development and applications of the ARM Raman lidar［J］.Meteorol Monogr，57：18.1-18.15.doi：10.1175／amsmonographs-d-15-0026.1.

Velotta R，Bartoli B，Capobianco R，et al.，1998.Analysis of the receiver response in lidar measurements［J］.Appl Opt，37（30）：6999-7007.

Wandinger U，Ansmann A，2002.Experimental determination of the lidar overlap profile with Raman lidar［J］.Appl Opt，41（3）：511-514.

王天河，孫夢仙，黃建平，2020.中國利用星載激光雷達開展沙塵和污染研究的綜述［J］.大氣科學學報，43（1）：144-158. Wang T H，Sun M X，Huang J P，2020.Research review on dust and pollution using spaceborne lidar in China［J］.Trans Atmos Sci，43（1）：144-158.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20191120007.（in Chinese）.

王威，毛飛躍，龔威，等，2014.基于激光強度分布的激光雷達重疊因子計算及其敏感性分析［J］.光學學報，34（2）：285-291. Wang W，Mao F Y，Gong W，et al.，2014.Overlap factor calculation method based on laser intensity distribution and its sensitivity analysis［J］.Acta Opt Sin，34（2）：285-291.doi：10.3788／AOS201434.0228005.（in Chinese）.

王欣紅，狄慧鴿，王婭婭，等，2023.基于氣溶膠光學參數的拉曼激光雷達重疊因子校正方法［J］.光學學報，43（6）：91-101. Wang X H，Di H G，Wang Y Y，et al.，2023.Correction method of Raman lidar overlap factor based on aerosol optical parameters［J］.Acta Opt Sin，43（6）：91-101.doi：10.3788／AOS221295.（in Chinese）.

Wang Z Z，Tao Z M，Liu D，et al.，2015.New experimental method for lidar overlap factor using a CCD side-scatter technique［J］.Opt Lett，40（8）：1749-1752.

Winker D M，Couch R H，McCormick M P，1996.An overview of LITE：NASAs lidar in-space technology experiment［J］.Proc IEEE，84（2）：164-180.doi：10.1109／5.482227.

Xie C B，Zhou J，Yue G M，et al.，2007.New mobile Raman lidar for measurement of tropospheric water vapor［J］.Front Electr Electron Eng China，2（3）：338-344.doi：10.1007／s11460-007-0064-1.

徐鑫鑫，2021.激光雷達幾何重疊因子自校正技術研究［D］.西安：西安理工大學. Xu X X，2021.Research on automatic correction technique of geometric overlap factor of lidar system［D］.Xian：Xian University of Technology.（in Chinese）.

Zhang J R，Chen Y B，Bu L B，2018.Analysis of a dust process in Beijing based on aerosol and atmospheric wind field lidar［J］.Laser Optoelectron Prog，55（8）：117-123.doi：10.3788／lop55.080102.

張培昌，顧松山，王振會，等，2021.氣象萬千探本索源：南京信息工程大學“大氣探測學科”發展歷程回顧與展望［J］.大氣科學學報，44（2）：165-177. Zhang P C，Gu S S，Wang Z H，et al.，2021.Review and prospect of Atmospheric Sounding in Nanjing University of Information Science ＆ Technology［J］.Trans Atmos Sci，44（2）：165-177.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20201004001.（in Chinese）.

Zhou C，Yang P，2015.Backscattering peak of ice cloud particles［J］.Opt Express，23（9）：11995-12003.doi：10.1364／oe.23.011995.

·ARTICLE·

Simulation and calibration of Raman lidar overlap function

ZHANG Lu1，XIAN Jinhong2，XIA Minjie1，ZHOU Chen3

1Nanjing Meteorological Bureau，Nanjing 210019，China;

2Shenzhen National Climate Observatory，Shenzhen Meteorological Bureau，Shenzhen 518040，China;

3School of Atmospheric Sciences，Nanjing University，Nanjing 210023，China

Abstract Atmospheric detection lidar has been widely used in air pollutant monitoring，aerosol detection，cloud parameter retrieval，boundary layer height inversion and other important fields due to its high detection accuracy，fine time resolution and far vertical detection ability.In recent years，many new ground-based lidars have been applied to observation networks in China，providing many continuous vertical-profiling observations.However，the quality of ground-based lidar data is inconsistent，thus the quality control of lidar detection data is important.Specifically，unrealistic near-surface aerosol profiles can be found in some lidar products，indicating that the calibration of overlap function is crucial to improving the data quality of ground lidars.The experimental method proposed by Wandinger and Ansmann （2002），based on observations from two channels，is widely used to determine the overlap function of Raman lidars when external calibration instruments are unavailable.This method assumes that the overlap function in the elastic channel is approximately equal to that in the nitrogen channel.This assumption is valid when the lidar system is well aligned，thus Wandinger and Ansmann （2002） did not create a method to determine it.However，misalignments often occur in practice.After a lidar is initially calibrated after production，slight vibrations in the process of transportation，handling and installation may lead to misalignments，which may result in the precondition for the overlap function calibration method being invalid.It is unclear whether the method proposed by Wandinger and Ansmann （2002） can be used to calibrate the overlap function in reality，thus this paper introduces a telecover test to evaluate the validity of precondition for the calibration method.A ray tracing method is applied to the Raman lidar at the Nanjing Meteorological Bureau，and simulations are conducted to determine the overlap functions of both the elastic and nitrogen channels under various alignment conditions and during different telecover tests.The simulation results reveal that the precondition of the method proposed by Wandinger and Ansmann （2002） is valid when the ratio of elastic signals to nitrogen signals remains consistent across different quadrants of the telescope aperture.However，the precondition can be invalid when the ratio of elastic signals to nitrogen signals differs during different telecover tests.Using this method，the Raman lidar of Nanjing Meteorological Bureau was evaluated and adjusted.After the Raman lidar was initially installed，the results from telecover tests show that the signal strength of elastic scattering channel differs greatly from that of nitrogen channel.A test using the CCD-lidar （charge-coupled device lidar） system was applied to verify the overlap function determined by the dual-channel experimental method，and the results suggest that the error is high due to the invalidity of the precondition.To solve this problem，we adjusted the lidar optical system to improve its collimation.After this，we performed the telecover test again，and the signal strength of elastic scattering channel was basically the same as that of nitrogen channel.Our numerical simulations suggest that the preconditions of Raman radar overlapping function calibration method can be basically satisfied after the adjustment.The CCD-lidar test was performed again，and this time the overlap function determined by the dual-channel experimental calibration method was constant with CCD-lidar.The method proposed in this paper can effectively verify the applicability of the dual-channel experimental calibration method，and has good operability，thus this method could be applied to other Raman lidars in the future.Compared with the CCD-lidar observation calibration method which requires outdoor operations at clear-sky nighttime，the dual-channel experimental calibration method has greater advantages when the preconditions are met.

Keywords atmospheric sounding;Raman lidar;data quality control;overlap function

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230512003

（責任編輯：倪東鴻）