據中國激光雜志社網，于2025年10月26日報道，在國家自然科學基金委國家重大科研儀器研制項目的持續支持下，武漢大學易帆教授團隊發明并自主研制出世界上首臺基于單支譜提取的純轉動拉曼激光雷達，能夠精準測量大氣溫度廓線和氣溶膠/云后散系數廓線。
該儀器是目前全球唯一可在無需標定的條件下，對大氣溫度廓線實現嚴格物理測量的遙感設備。此外，該激光雷達還攻克了氣溶膠/云探測中“一個雷達方程、兩個未知量”的長期難題，嚴格推導出氣溶膠/云的后向散射系數和消光系數，為以往難以獲得準確觀測結果的氣溶膠/云激光雷達探測提供了測量基準。
01、研究背景
基于單支譜提取的純轉動拉曼激光雷達代表一種精準測量大氣溫度廓線的主動遙感方法，其思想由Cooney在1972年提出。但在過去五十多年間始終停留在概念層面，未能技術實現。原因在于大氣純轉動拉曼譜是N2和O2分子譜線的密集混合，而早期商業濾光片帶寬不足以提取單支譜線。此外，在測量氣溶膠/云光學特性廓線時，激光雷達方程數量少于待解未知量，反演時需引入額外假定，從而增加不確定性。
易帆教授課題組分析大氣N2和O2分子純轉動拉曼譜線，發現N2分子存在兩條單支譜線，具備利用最新商業器件孤立提取的可能。基于此，課題組研制出世界首臺基于單支譜提取的純轉動拉曼激光雷達，實現了大氣溫度以及氣溶膠/云后散系數廓線的全天時精準遙感測量，為大氣科學研究和氣象環境監測提供了有效工具。
02、激光雷達系統結構和測量結果
為闡明基于單支譜提取純轉動拉曼激光雷達的測量方法學，課題組計算了空氣純轉動拉曼光譜，如圖1所示。對于532.237 nm的激發波長，N2分子斯托克斯分支純轉動拉曼譜中轉動量子數J=4和J=14的兩支譜線與其相鄰O2分子純轉動拉曼線的間距均大于0.14 nm。因此，采用商業器件可實現對這兩個N2分子單支譜線的孤立提取。
課題組設計構建基于單支譜提取的純轉動拉曼激光雷達系統（圖2）。發射機為種子注入二倍頻Nd:YAG激光器，以30 Hz重復頻率發射532.237 nm激光束。大氣后向散射光由0.3-m和1.0-m口徑望遠鏡同時收集，經各自后繼光路輸出準直光束，饋送至自主研制的三通道多色儀。它分別精準孤立提取N2分子斯托克斯轉動量子數J=14和4的純轉動拉曼線，以及彈性散射信號。每個拉曼通道采用雙窄帶濾光片和一個法布里-珀羅干涉儀進行信號提取。法布里-珀羅干涉儀為石英腔標準具，性能由工作溫度決定，研究人員專門制作了溫控裝置，使其工作于確定的溫度下，起伏小于0.03 K。法布里-珀羅干涉儀輸出的光信號經透鏡會聚至光電倍增管，并轉化為電信號。彈性通道則由單一窄帶濾光片提取信號，再由光電倍增管轉化為電信號。整個系統共有6個獨立接收通道，其輸出電信號由6通道暫態記錄儀以模擬和光子計數模式同時采集存儲。經預處理的光子計數數據的時間分辨為1 分鐘，高度分辨為30 m。
組合J=4和J=14純轉動拉曼通道的雷達方程，可導出大氣溫度廓線的解析表達，其中兩個常數分別為物理常量和實驗室可測量。即大氣溫度廓線T(z)可由激光雷達測得的兩個單支譜轉動拉曼通道的光子計數廓線嚴格解析得到，無需借助其他觀測標定，表明這是一種獨立的物理測量。再組合J=4轉動拉曼通道和彈性通道的雷達方程，可獲取氣溶膠/云后散系數的嚴格表達式，這是迄今唯一能精準測量氣溶膠/云后散系數廓線的方法。圖3給出了該激光雷達系統觀測的一次連續48小時大氣溫度垂直分布案例。
03、后續工作展望
課題組發明并自主研制的基于單支譜提取的純轉動拉曼激光雷達，具有大的測量高度范圍、極佳的時間/高度分辨率，以及前所未有的全天時測量能力，在氣象和大氣科學研究中具備廣闊的應用前景。今后，可以進一步優化該激光雷達系統，力求為我國氣象業務和大氣科學研究提供國際領先的遙感探測裝備。
團隊簡介
武漢大學地球與空間科學技術學院“大氣激光雷達團隊”（團隊負責人：長江學者易帆教授）長期從事各種大氣激光雷達的研發和科學應用工作。團隊自主研制出不同種類的大氣激光雷達系統，通過分析大氣激光雷達觀測數據，推動了相關大氣物理過程的理解。
