水是大气中存在三种不同相态的关键物质。作为主要的大气成分，水蒸气在降水、云形成和能量传输等关键过程中起着基础性作用[1]、[2]。准确描述水蒸气的垂直分布和时间变化对于理解这些复杂现象至关重要[3]。液态水和冰主要存在于云中，云通常由过饱和蒸汽、过冷水滴和冰组成[4]。在云动力学和热力学过程的驱动下，三种水相之间不断发生快速相变，显著影响行星能量平衡和全球水文循环[5]、[6]、[7]。对云微物理过程（包括形成、演化和传输）的研究严重依赖于对其内部组成和分布的详细了解。因此，高精度地时空分辨三种水相的垂直剖面对于推进云研究至关重要[8]。
拉曼激光雷达已被证明是一种高效的大气参数测量技术[9]、[10]。它能够快速响应地捕捉大气中水蒸气的微小变化[11]。拉曼技术依赖于目标气体（通常是氮气）与参考气体（通常是氮气）的拉曼后向散射信号的比率来推导特定的大气属性[12]。全球范围内进行了大量关于基于拉曼激光雷达的大气水蒸气检测研究。Melfi等人[13]利用氮气和水蒸气的拉曼信号测量了高达2公里范围内的水蒸气剖面。Balin等人[14]提出了一种创新的激光雷达系统，能够同时测量高达20公里范围内的温度、气溶胶消光系数和相对湿度，从而提供了这些关键大气参数的首个集成测量能力。Vérèmes等人[15]使用GNSS数据集校准了拉曼激光雷达系统，在22公里以下区域的平均误差小于9%。Wu等人[16]开发了一种不依赖外部设备的拉曼水蒸气激光雷达，通过增加一个与水蒸气拉曼散射相同波长的弹性通道来实现这一目标。
Wang等人[17]利用高光谱分辨率光栅和窄带滤波器有效抑制了Mie-Rayleigh背景噪声，测量了2公里范围内的相对湿度，不确定性低于10%。Xie等人[18]开发了一种拉曼激光雷达系统，用于观测北京上空气溶胶和水蒸气的时空分布，分辨率分别为7.5米和15分钟。Li等人[19]设计了一种自动全光纤耦合的拉曼水蒸气激光雷达系统，以解决由于平台振动或运行期间气流波动导致单模光纤耦合效率下降的问题。
多种遥感技术的观测表明，液态水和冰是云的主要相态[20]。激光雷达技术现在已经发展到了可以准确检测水蒸气的成熟阶段。然而，仅凭水蒸气剖面数据无法完全描述云的内部组成，从而限制了对云形成的研究。通过利用冰颗粒的退极化效应，许多研究人员使用偏振激光雷达来测量云中的液态水和冰。Liou等人[21]首次使用偏振激光雷达检测大气中的液态水。Sassen等人[22]开发了一种基于激光雷达的算法，利用退极化比率和返回信号强度来识别液态云，标志着使用激光雷达区分云相的定量方法的出现。此后，许多研究人员使用偏振激光雷达来检测云中的液态水和冰含量[23]、[24]、[25]、[26]。然而，这些技术仅依赖于测量大气成分的退极化比率，因此容易受到气溶胶干扰的影响。此外，云中的多次散射效应会增强退极化比率，可能导致将液态水云误分类为冰云。
拉曼激光雷达直接检测三相水分子的拉曼后向散射信号，这一过程与气溶胶特性无关。因此，越来越多的研究人员开始研究用于三相水测量的拉曼激光雷达技术。对于液态水的测量，Veselovskii等人[27]开发了一种集成的偏振-拉曼激光雷达系统，用于大气水蒸气和液态水的测量，采用传统的水蒸气混合比反演方法实现了液态水的垂直剖面测量。Sakai等人[28]提出了一种基于光谱重叠因子的液态水反演算法，其结果与大气发射辐射干涉仪、毫米波云雷达和水蒸气辐射计的测量结果高度一致。然而，液态水和冰的拉曼散射波长有显著重叠，使用上述方法测量冰云时会产生较大误差，难以准确描述冰云中液态水和冰的内部分布。
对于冰的测量，Fochesatto等人[29]提出了一种结合偏振和拉曼技术的集成激光雷达系统，用于量化极地和对流层下部云中冰、液态水和水蒸气的比例。该系统通过分析532纳米后向散射信号的偏振和拉曼光谱特征来区分不同的水相。Wang等人[30]对三相水激光雷达的光谱系统进行了模拟，证明了光谱分离技术用于三相水拉曼激光雷达的可行性。这项工作随后指导了三相水拉曼激光雷达[31]的开发，该系统结合了重叠因子来考虑冰对液态水和水蒸气检测的影响，基于现有的液态水拉曼激光雷达反演算法。该系统成功同时检测到了所有三种水相，有效检测高度为5公里。
Liu等人[32]使用双光栅分光仪开发了一种激光雷达系统，能够同时测量三相水和荧光气溶胶的光谱。他们设计了一种独特的光谱分解算法来解析荧光后向散射信号。
三相水激光雷达的研究仍处于起步阶段。此外，由于缺乏可靠的测量冰的方法，难以获得用于校准系统常数的同时测量数据。
Wang等人[30]提出了一种综合反演算法，考虑了冰的拉曼散射光谱对其他信号的影响，并经过了彻底的理论验证。
然而，现有方法忽略了光学组件对特定通道信号的影响。同时，重叠因子也受温度效应的影响，特别是在水云和冰-水混合云之间的温度差异较大的情况下尤为明显。此外，由于云内冰晶检测方法的有限可用性，准确校准冰通道系统常数仍然具有挑战性。受到Wang等人[30]工作的启发，本文开发了一种更全面的三相水激光雷达反演算法。
该方法不仅纳入了额外的重叠因子以更好地描述每种水相在其相应测量通道中的影响，还考虑了三相水拉曼光谱的温度依赖性，这反过来又影响了重叠因子。
此外，它还能够在各种条件下分析信号组成，结合水蒸气和退极化比率剖面，从而确定所有通道的系统常数。这种校准方法无需外部测量冰晶或液态水即可实现准确的系统表征。
第2节介绍了激光雷达系统的组成和原理。第3节详细介绍了所提出的三相水反演算法。第4节展示了三相水的反演结果，并使用其他仪器的数据验证了云的内部结构。
