一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達(dá)領(lǐng)域，具體是一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自 標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣溫度是大氣物理、天氣預(yù)報(bào)以及大氣環(huán)境研究中一個(gè)重要的氣象參數(shù)。目前 比較常用的手段有氣球探空、衛(wèi)星反演和激光雷達(dá)探測(cè)。激光雷達(dá)在探測(cè)精度、空間分辨率 和時(shí)間分辨率上的優(yōu)勢(shì)使其越來越受到科學(xué)技術(shù)人員的重視。目前大氣溫度激光雷達(dá)系統(tǒng) 常數(shù)采用的定標(biāo)方案是定期采用無線電探空儀進(jìn)行垂直定標(biāo)，但由于氣球探空成本較高和 操作不便，激光雷達(dá)難以頻繁采用無線電探空儀進(jìn)行定標(biāo)修正。同時(shí)空管部門對(duì)于探空氣 球的釋放具有嚴(yán)格的時(shí)域和空域規(guī)定，此試驗(yàn)實(shí)施上有一定難度。探空氣球在空中橫向漂 移比較嚴(yán)重，此時(shí)使用探空儀獲取的溫度廓線已經(jīng)不是嚴(yán)格意義上的垂直廓線，對(duì)激光雷 達(dá)溫度系統(tǒng)常數(shù)進(jìn)行定標(biāo)也有一定誤差，這些都會(huì)影響激光雷達(dá)的應(yīng)用。定標(biāo)方法的局限 性大大限制了大氣溫度激光雷達(dá)的溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反演，進(jìn)而影響其實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，以 解決現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)定方法存在的問題。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，其特征在于：包括以下 步驟：
[0006] (1)、利用激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)向大氣發(fā)射兩個(gè)波段的激光束，兩個(gè)波段的激光束波 長(zhǎng)分別為h和入2;
[0007] (2)、利用激光雷達(dá)接收系統(tǒng)收集大氣的后向散射光；
[0008] (3)、通過分光和光電系統(tǒng)把激光雷達(dá)接收系統(tǒng)收集的后向散射光分成四路信號(hào)， 即高度z處的激光雷達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼回波信號(hào)，分別記為PH (Az)、PJAz)、PH (A2, z)和 PJA2, z)，其中H代表高階量子數(shù)的激光雷達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)，L代表低階量子數(shù)的激光雷 達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)；
[0009] (4)、從四路信號(hào)中選擇一段信噪比優(yōu)于10的回波信號(hào)，采用最小二乘法，擬合出 ^波段的系統(tǒng)常數(shù)A1K以及A2波段的系統(tǒng)常數(shù)A2K，其中K為溫度擬合公式的系統(tǒng)常數(shù)，一 般為2個(gè)或3個(gè)。
[0010] 所述的一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，其特征在于：測(cè) 量方向沒有限制特別是可以在通常采用的垂直方向探測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)擬合激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)，以 實(shí)現(xiàn)溫度廓線的實(shí)時(shí)反演。
[0011] 所述的一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，其特征在于：選 取信號(hào)的距離為激光雷達(dá)1000-2000km范圍。
[0012] 所述的一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，其特征在于：選 擇的雙波段采用355nm和532nm。
[0013] 本發(fā)明方法利用激光雷達(dá)信號(hào)實(shí)現(xiàn)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自動(dòng)標(biāo)定，不 需要借助其它的測(cè)量?jī)x器。它的反演精度高，適用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)大氣溫度的自動(dòng) 反演和測(cè)量。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 參見圖1所示，一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，包括以 下步驟：
[0016](1)、利用激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)1向大氣發(fā)射兩個(gè)波段的激光束2、3,兩個(gè)波段的激 光束波長(zhǎng)分別為h和入2;
[0017] (2)、利用激光雷達(dá)接收系統(tǒng)5收集大氣的后向散射光4 ;
[0018](3)、通過分光和光電系統(tǒng)把激光雷達(dá)接收系統(tǒng)5收集的后向散射光分成四路信 號(hào)6、7、8、9,即高度z處的激光雷達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼回波信號(hào)，分別記為PH(Az)、PJAz)、 PH (A2, z)和(A2,z)，其中H代表高階量子數(shù)的激光雷達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)，L代表低階量 子數(shù)的激光雷達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)；
[0019] (4)、從四路信號(hào)中選擇一段信噪比優(yōu)于10的回波信號(hào)，采用最小二乘法，擬合出 ^波段的系統(tǒng)常數(shù)A1K以及A2波段的系統(tǒng)常數(shù)A2K，其中K為溫度擬合公式的系統(tǒng)常數(shù)，一 般為2個(gè)或3個(gè)。
[0020] 測(cè)量方向沒有限制特別是可以在通常采用的垂直方向探測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)擬合激光雷達(dá) 系統(tǒng)常數(shù)，以實(shí)現(xiàn)溫度廓線的實(shí)時(shí)反演。
[0021] 選取信號(hào)的距離為激光雷達(dá)1000_2000km范圍。
[0022] 選擇的雙波段采用355nm和532nm。
[0023] 純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)的溫度T反演公式可表示為：
[0024] T=f(ak,Q) (1)
[0025] 這里f?是溫度數(shù)據(jù)的反演函數(shù)，Q值為兩Raman通道比值
；PH和 是高度z處的高階量子數(shù)和低階量子數(shù)的激光雷達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼回波信號(hào)；ak為待定標(biāo)的系 數(shù)，k= 2或3代表標(biāo)定常數(shù)的個(gè)數(shù)。常用的反演公式有：
[0026] 因此對(duì)于A:和A2波段的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼系統(tǒng)我們有：
[0027]
[0028]
[0029] 鐵樹為高度z處A澉段兩個(gè)Raman通道比值。愁^ (z)為高度z處A2波段兩個(gè)Raman通道比值。^是h波段的系統(tǒng)參數(shù)；氣^->是^波段的系統(tǒng)參數(shù)。不同高度的溫 度函數(shù)值的誤差達(dá)到最小值，最理想誤差為零，由最小二乘法原理，即要求定標(biāo)區(qū)間內(nèi)偏差 總牙
i小，此時(shí)可有方程組：
[0030] (4)
[0031] 因此只要方程數(shù)大于2k時(shí)就能解出方程。通常我們采用擬合的方法得到系統(tǒng)參 數(shù)值。垂直測(cè)量時(shí)，由于溫度測(cè)量的精度要求很高，近地面數(shù)據(jù)由于幾何重疊因子和盲區(qū)的 影響，精度要求難以保證，遠(yuǎn)端信號(hào)由于信噪比差，也對(duì)定標(biāo)不利。因此我們選擇對(duì)于h 和A2波段都有較好信噪比的區(qū)域。數(shù)根據(jù)反演公式中一般有2個(gè)或3個(gè)常數(shù)，兩個(gè)方程 的的未知數(shù)有4個(gè)或6個(gè)。因此我們可以在探測(cè)區(qū)間選擇波動(dòng)較小，信噪比滿足要求的信 號(hào)進(jìn)行擬合計(jì)算。這樣就可以得到較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)常數(shù)。這種方法利用激光雷達(dá)信號(hào)實(shí)現(xiàn) 純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的內(nèi)部標(biāo)定，不需要借助其它的測(cè)量?jī)x器。它的反演精度高， 適用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)大氣溫度的自動(dòng)測(cè)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，其特征在于：包括以下步 驟： (1) 、利用激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)向大氣發(fā)射兩個(gè)波段的激光束，兩個(gè)波段的激光束波長(zhǎng)分 別為入i和入2; (2) 、利用激光雷達(dá)接收系統(tǒng)收集大氣的后向散射光； (3) 、通過分光和光電系統(tǒng)把激光雷達(dá)接收系統(tǒng)收集的后向散射光分成四路信號(hào)，即 高度z處的激光雷達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼回波信號(hào)，分別記為Ph (Az)、PJAz)、Ph (A2,z)和 PJA2,z)，其中H代表高階量子數(shù)的激光雷達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)，L代表低階量子數(shù)的激光雷 達(dá)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)； (4) 、從四路信號(hào)中選擇一段信噪比優(yōu)于10的回波信號(hào)，采用最小二乘法，擬合出入i 波段的系統(tǒng)常數(shù)Aik以及A2波段的系統(tǒng)常數(shù)A2k，其中K為溫度擬合公式的系統(tǒng)常數(shù)，一般 為2個(gè)或3個(gè)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，其 特征在于：測(cè)量方向沒有限制特別是可以在通常采用的垂直方向探測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)擬合激光雷達(dá) 系統(tǒng)常數(shù)，以實(shí)現(xiàn)溫度廓線的實(shí)時(shí)反演。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，其 特征在于：選取信號(hào)的距離為激光雷達(dá)1000-2000km范圍。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，其 特征在于：選擇的雙波段采用355nm和532nm〇
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙波段純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自標(biāo)定方法，激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)1發(fā)射兩個(gè)波段激光束2和3，激光雷達(dá)的后向散射光4通過激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)5收集，激光雷達(dá)的分光和光電系統(tǒng)把接收的后向散射光分成四路信號(hào)6，7，8，和9。通過兩個(gè)波段的激光雷達(dá)測(cè)量信號(hào)得到的方程進(jìn)行解方程或者擬合。當(dāng)選取的測(cè)量點(diǎn)數(shù)i大于系統(tǒng)常數(shù)個(gè)數(shù)k時(shí)，即可解得純轉(zhuǎn)動(dòng)溫度測(cè)溫激光雷達(dá)的全部系統(tǒng)常數(shù)。這種方法利用激光雷達(dá)信號(hào)實(shí)現(xiàn)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)的自動(dòng)標(biāo)定，不需要借助其它的測(cè)量?jī)x器。它的反演精度高，適用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)大氣溫度的自動(dòng)反演和測(cè)量。
【IPC分類】G01S7/497, G01S17/95
【公開號(hào)】CN105204014
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510566666
【發(fā)明人】曹開法, 胡順星, 時(shí)東鋒, 苑克娥, 黃見
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
【公開日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年9月8日