平码五不中公式规律
  • / 9
  • 下载费用:30 金币  

大气拉曼?瑞利散射测温激光雷达及反演方法.pdf

关 键 ?#21097;?/dt>
大气 瑞利散射 测温 激光雷达 反演 方法
  专利查询网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
摘要
申请专利号:

CN201610948648.0

申请日:

2016.10.26

公开号:

CN106483531A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 17/95申请日:20161026|||公开
IPC分类号: G01S17/95 主分类号: G01S17/95
申请人: 中国科学院武汉物理与数学研究所
发明人: 李发泉; 林鑫; 李亚娟; 程学武; 宋沙磊; 陈振威; 杨勇; 刘林美; 夏媛; 武魁军; 龚?#25104;?
地址: 430071 湖北省武汉市武昌小洪山西30号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 武汉荆楚联合知识产权代理有限公司 42215 代理人: 王健
PDF完整版下载: PDF下载
法律状态
申请(专利)号:

CN201610948648.0

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2018.11.16|||2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种大气拉曼?瑞利散射测温激光雷达及反演方法,该激光雷达由发射激光单元(1)、接收望远镜(2)、接收光纤(3)、信号检测单元(4)和信号处理单元(5)组成;采用高分辨光谱检测方法,测得30km以上激光在大气分?#30001;?#20135;生的瑞利散射光谱信号,以及30km以下激光在大气分?#30001;?#20135;生的拉曼散射光谱信号,利用拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点,反演获得包含30km以上和以下的大气温度,拓展了瑞利散射测温激光雷达的测温空间范围。具有测温高度范围宽、测温误差小的优点。

权利要求书

1.大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达,其特征在于,该激光雷达由发射激光单元(1)、接
收望远镜(2)、接收光纤(3)、信号检测单元(4)和信号处理单元(5)组成;
其中,信号检测单元(4)的构成是:在接收光纤(3)的输出光?#20998;?#20381;次同轴安装准?#26412;?br />(41)、第一滤光片(43)、第一聚焦镜(44)和第一光电探测器(45);分光镜(42)安装在准?#26412;?br />(41)和第一滤光片(43)之间的光?#20998;校?#19988;与光轴呈45度角,在分光镜(42)的反射光?#20998;?#20381;
次同轴安装第二滤光片(46)、第二聚焦镜(47)和第二光电探测器(48);第一光电探测器
(45)和第二光电探测器(48)分别输出米-瑞利信号IMie+Rayleigh和拉曼信号IRaman;
接收望远镜(2)的接收光轴与发射激光单元(1)发出的激光束平行,接收光纤(3)的一
端安装于接收望远镜(2)的焦点处,另一端连接到信号检测单元(4)的输入端,信号检测单
元(4)输出的米-瑞利信号IMie+Rayleigh和拉曼信号IRaman分别连接到信号处理单元(5)的输入
端,发射激光单元(1)输出的触发信号连接到信号处理单元(5)的触发信号输入端。
2.由权利要求1所述的大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达测得的米-瑞利信号
IMie+Rayleigh和拉曼信号IRaman反演大气温度的方法,其特征在于,
在30km以上高度范围内的温度反演按下式计算:
T=PσRayleigh/(IMie+RayleighR)
其中,P为大气压强、σRayleigh为大气分子常数瑞利散射截面、IMie+Rayleigh为米-瑞利散射
强度、R为理想气体常数;
在30km以下高度范围内的温度反演按下式计算:
T=PσRaman/(IRamanR)
其中,P为大气压强、σRaman为大气分子常数拉曼散射截面、IRaman为拉曼散射强度、R为理
想气体常数。
3.根据权利要求1所述的大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达,其特征在于,所述分光镜
(42)为低通滤光片,比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射,米-瑞利散射光谱透射。
4.根据权利要求1所述的大气气溶胶颗粒物探测激光雷达,其特征在于,所述的第一滤
光片(43)为带通滤光片,其透射中心波长为发射激光单元(1)发出的激光波长,透射带宽为
20cm-1;
第二滤光片(46)为带通滤光片,其透射中心波长比激光波长长90.5cm-1,透射带宽为
5cm-1。

说明书

大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达及反演方法

技术领域

本发明涉及大气探测激光雷达,尤其涉及大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达。

背景技术

大气温度是大气的重要参数之一。在大气30km以上至80km高度范围内,大气的成
分以中性的氮气和氧气分子为主,是无线电波探测的盲区,该层段的温度主要依靠激光雷
达技术探测。激光雷达探测该层段的机理是:利用激光照射到大气分子,产生瑞利散射,通
过探测瑞利散射的回波强度,获得大气密度,然后利用单位体积理想气体状态方程P=NRT
计算温度,其中P是大气压强,可由大气压强模型获得;N是气体分?#29992;?#24230;(单位体积内的分
子摩尔数);R是气体常数;T是温度,则可以得到T=P/(NR),又因为:激光雷达瑞利散射回波
强度IRayleigh=σRayleighN,则T=PσRayleigh/(IRayleighR),其中σRayleigh为大气分子的瑞利散射截
面,只要测得激光雷达回波强度IRayleigh便可以测得大气温度。

但对于30km以下,该测量方法与实际温度逐渐偏离,而?#20197;?#21521;下,偏离越大,使得
该方法不再有效。这是因为在30km以下大气已不再是洁净的分子,而是还含有较多的大气
气溶胶(颗粒物、水汽等),并且高度越低,大气气溶胶含量大致越大(?#27604;唬?#20294;若遇到高层薄
云、火山、大区域沙尘暴天气时,高空大气气溶胶也有可能含量较高),大气气溶胶的体积较
分子大得多,因此气溶胶散射截面远大于大气分子的散射截面,造成回波信号中增加了气
溶胶散射(米散射)成分,得到的是瑞利-米散射的混合结果,使上述探测温度反演不再准
确。

而大气气溶胶含量随着大气湿度(水汽含量)、污染(颗粒物污染)、火?#20132;?#21644;沙尘
等变化而变化,且这些变化的规律难以精确预测,无法从回波光信号中精确扣除。致使现有
的大气瑞利散射测温激光雷达对30km以下的大气温度失去探测能力。

拉曼散射激光雷达是实现低空大气温度探测的有效手段,文献1(Atmospheric
temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational Raman
lidar by use of an interference-filter-based polychromator,APPLIED OPTICS
Vol.39,No.9,2000)介绍了一种采用转动拉曼散射探测低空大气温度的方法和?#20302;常?#36890;过
探测两个探测通道,分别探测对温度变化比较敏感的两个分子拉曼散射光谱带,反演获得
温度。由于拉曼散射是有大气分子产生的,不受大气气溶胶含量的影响,但拉曼散射强度远
小于瑞利散射,因此拉曼散射仅限于对低空探测,大多拉曼测温激光雷达探测高度仅为几
公里到十几公里,只有极少数可探测到30-40km的高度。

文献2(纯转动拉曼谱反演大气温度和气溶胶后向散射系数的新方法,地球物理学
报,Vol.55,No.11:3527-3533,2012),采取与文献1类似的原理方法,不同之处在于,其所选
的两个转动拉曼通道为氮气分子J=4和J=14的两个单支谱线。

综?#32420;荆?#30446;前实现30km以上和以下的大气温度探测是采用了两种激光雷达实现
的,且对拉曼散射的探测采用了两个探测通道,?#20302;?#32467;构较为复杂。

发明内容

本发明的目的是:提供一种大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达。该雷达采用高分辨
光谱检测方法,探测30km以上激光在大气分?#30001;?#20135;生的瑞利散射光谱信号,反演获得30km
以上的大气温度;并采用一个通道探测30km以下激光在大气分?#30001;?#20135;生的拉曼散射光谱信
号,该通道对应拉曼散射光谱中对温度不敏感的一段光谱信号,利用激光在大气分?#30001;?#20135;
生的拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点,采用瑞利散射测温反演类
似的方法,获得30km以下的大气温度,拓展了瑞利散射测温激光雷达的测温空间范围。具有
?#20302;?#31616;洁、测温高度范围宽、测温误差小的优点。

为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达由发射激光单元、接收望远镜、接收光纤、信号
检测单元和信号处理单元组成。

其中,信号检测单元的构成是:在接收光纤的输出光?#20998;?#20381;次同轴安装准?#26412;怠?#31532;
一滤光片、第一聚焦镜和第一光电探测器;分光镜安装在准?#26412;?#21644;第一滤光片之间的光路
中,且与光轴呈45度角,在分光镜的反射光?#20998;?#20381;次同轴安装第二滤光片、第二聚焦镜和第
二光电探测器;第一光电探测器和第二光电探测器分别输出米-瑞利信号IMie+Rayleigh和拉曼
信号IRaman。

接收望远镜的接收光轴与发射激光单元发出的激光束平行,接收光纤的一端安装
于接收望远镜的焦点处,另一端连接到信号检测单元的输入端,信号检测单元输出的米-瑞
利信号IMie+Rayleigh和拉曼信号IRaman分别连接到信号处理单元的输入端,发射激光单元输出
的触发信号连接到信号处理单元的触发信号输入端。

大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达反演方法如下:

在30km以上高度范围内的温度反演按下式计算:

T=PσRayleigh/(IMie+RayleighR)

其中,P为大气压强、σRayleigh为大气分子常数瑞利散射截面、IMie+Rayleigh为米-瑞利
散射强度、R为理想气体常数。

在30km以下高度范围内的温度反演按下式计算:

T=PσRaman/(IRamanR)

其中,P为大气压强、σRaman为大气分子常数拉曼散射截面、IRaman为拉曼散射强度、R
为理想气体常数。

上述分光镜为短波通滤光片,比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射,米-瑞利散
射光谱透射。

上述的第一滤光片为带通滤光片,其透射中心波长为发射激光单元发出的激光波
长,透射带宽为20cm-1。

上述第二滤光片为带通滤光片,其透射中心波长比激光波长长90.5cm-1,透射带宽
为5cm-1。

原理

在激光激发的大气散射回波光谱中,包含米散射谱,瑞利散射谱和拉曼散射谱,其
中,米散射谱的线宽与激光光谱线宽相当,米散射谱的回波强度IMie与大气气溶胶颗粒物的
密度成正比;瑞利散射谱的线宽远大于激光光谱线宽,瑞利散射谱的回波强度IRayleigh与大
气分?#29992;?#24230;N成正比;米散射谱和瑞利散射谱是叠加在一起的,接收到的是米-瑞利散射谱
混合在一起的强度IMie+Rayleigh,两者的比例随着大气中大气气溶胶颗粒物和大气分子的比
例变化而变化,大?#24459;纤?#30528;高度的增?#29992;?#25955;射谱的占比逐渐减少(?#27604;唬?#31859;散射谱和瑞利散
射谱的占比随着污染程度具有不确定的变化性)。但目前没有有效的光谱分离手段将米散
射光谱的回波强度IMie和瑞利散射光谱的回波强度IRayleigh准确的分离开。

在瑞利散射谱的两边产生拉曼散射谱,拉曼散射谱是激光照射到大气?#26800;?#27668;和氧
气等分?#30001;?#20135;生的,比激光波长长的一侧是Stokes拉曼散射谱,比激光波长短的一侧是
Anti-Stokes拉曼散射谱,因分子有很多转动能级,拉曼散射谱也就对应有很多条谱线,各
拉曼散射谱峰值连线构成的包络线随着大气温度的变化而变化,但在偏离激光波长
90.5cm-1位置的拉曼光谱谱线强度几乎不随温度而变化,该拉曼光谱谱线的强度只与大气
分子的密度N成正比。根据上述分析,偏离激光波长90.5cm-1位置的拉曼光谱谱线的强度
IRaman与瑞利散射谱的强度IRayleigh均与大气分?#29992;?#24230;N成正比,即:

IRaman=σRamanNLt

IRayleigh=σRayleighNLt

其中σRaman和σRayleigh分别是大气分子的已知常数拉曼散射截面和瑞利散射截面,L
为空间分辨?#21097;瑃为时间分辨?#21097;?#30001;此得到:


从公式可以看出,只要测得IRaman,就可得到IRayleigh。

其中,在30以上高度范围内的温度反演算法为:

截取IMie+Rayleigh中30km以上的探测数据,此段大气没有气溶胶,信号IMie+Rayleigh中
没有米散射信号,即在此高度范围内IMie+Rayleigh=IRayleigh,用温度反演公式T=PσRayleigh/
(IRayleighR)得到:

T=PσRayleigh/(IMie+RayleighR)

在30km以下高度范围内的温度反演算法为:

截取IRaman中30km以下的探测数据,利用瑞利散射和拉曼散射的信号强度关系
及温度反演公式T=PσRayleigh/(IRayleighR)得到:

T=PσRaman/(IRamanR)

另外说明:在30以上范围不宜根据瑞利散射和拉曼散射的关系?#25509;?#25289;曼散射信号
替代瑞利散射信号,因为拉曼散射截面σRaman小于瑞利散射截面σRayleigh,使得30km以上的拉
曼散射信号信的噪比较低,会造成反演温度误差大,探测高度?#36824;?#39640;的问题,但30km以下拉
曼信号的信噪比可以通过瑞利散射和拉曼散射的关系?#25509;?#25289;曼散射信号替代瑞利散射信
号反演温度。

本发明的优点是?#21644;?#36807;结合拉曼散射和米-瑞利散射通道信号,从低空米-瑞利混
合信号中,提取出纯分子的拉曼散射信号,消除气溶胶产生的影响,不仅实现了现有瑞利测
温激光雷达对30km以上的温度探测,还实现了30km以下的温度探测,极大地拓展了瑞利散
射测温激光雷达的测温空间范围。具有测温高度范围宽、测温误差小的优点。

附图说明

图1为大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达结构示意图

其中,1发射激光单元、2接收望远镜、3接收光纤、4信号检测单元、5信号处理单元。

图2为信号检测单元的结构示意图。

其中,3接收光纤、41准?#26412;怠?2分光镜、43第一滤光片、44第一聚焦镜、45第一探测
器、46第二滤光片、47第二聚焦镜、48第二探测器、5信号处理单元。

图3为激光光谱、散射回波信号光谱及光学元件透射谱。

其中,42P分光镜透射谱、43P第一滤光片透射谱、46P第二滤光片透射谱。

具体实施方式

下面结合附图,对本发明作进一步的说明。

由图1可知,大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达由发射激光单元1、接收望远镜2、接
收光纤3、信号检测单元4和信号处理单元5组成。

由图2可知,信号检测单元4的构成是:在接收光纤3的输出光?#20998;?#20381;次同轴安装准
?#26412;?1、第一滤光片43、第一聚焦镜44和第一光电探测器45;分光镜42安装在准?#26412;?1和第
一滤光片43之间的光?#20998;校?#19988;与光轴呈45度角,在分光镜42的反射光?#20998;?#20381;次同轴安装第
二滤光片46、第二聚焦镜47和第二光电探测器48;第一光电探测器45和第二光电探测器48
分别输出米-瑞利信号IMie+Rayleigh和拉曼信号IRaman。

接收望远镜2的接收光轴与发射激光单元1发出的激光束平行,接收光纤3的一端
安装于接收望远镜2的焦点处,另一端连接到信号检测单元4的输入端,信号检测单元4输出
的米-瑞利信号IMie+Rayleigh和拉曼信号IRaman分别连接到信号处理单元5的输入端,发射激光
单元1输出的触发信号连接到信号处理单元5的触发信号输入端。

大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达反演方法如下:

在30km以上高度范围内的温度反演按下式计算:

T=PσRayleigh/(IMie+RayleighR)

其中,P为大气压强、σRayleigh为大气分子常数瑞利散射截面、IMie+Rayleigh为米-瑞利
散射强度、R为理想气体常数。

在30km以下高度范围内的温度反演按下式进行:

T=PσRaman/(IRamanR)

其中,P为大气压强、σRaman为大气分子常数拉曼散射截面、IRaman为拉曼散射强度、R
为理想气体常数。

上述分光镜42为短波通滤光片,比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射,米-瑞利
散射光谱透射。

上述的第一滤光片43为带通滤光片,其透射中心波长为发射激光单元1发出的激
光波长,透射带宽为20cm-1。

上述第二滤光片46为带通滤光片,其透射中心波长比激光波长长90.5cm-1,透射带
宽为5cm-1。

本发明工作流程为:

发射激光单元1向空中发射一束激光,激光照射到空中的大气气溶胶颗粒物和大
气分子,产生米散射谱、瑞利散射谱和拉曼散射谱(包括Stokes和Anti-Stokes拉曼散射谱)
等回波,经接收望远镜2接收汇聚到接收光纤3,并传输进入信号检测单元4,信号检测单元4
输出的拉曼信号IRaman和米-瑞利信号IMie+Rayleigh分别连接到信号处理单元5的输入端,发射
激光单元1输出的触发信号连接到信号处理单元5的触发信号输入端,用于同步数据采集。

回波光信号经接收光纤3进入信号检测单元4后,先由准?#26412;?1准直成平行光,再
经分光镜42进行光谱分光;分光镜42为短波通滤光片,从分光镜透射谱42P(图3)可知,大气
散射回波光中比激光波长长的Stokes拉曼散射谱被反射,米-瑞利散射光谱以及比激光波
长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被透射;分光镜42的反射光进入第二滤光片46,第二滤光片
46是带通滤光片,从第二滤光片透射谱46P(图3)可知,第二滤光片46只?#24066;鞸tokes拉曼散
射谱中强度不随温度变化的谱线透过,透射光经第二聚焦镜47汇聚到第二探测器48,第二
探测器48将光信号变成电信号,得到IRaman,传送到信号处理单元4。

分光镜42的透射光照射到第一滤光片43,第一滤光片43为带通滤光片,由第一滤
光片透射谱43P(图3)可知,比激光波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱?#28784;种疲?#31532;一滤光片43
只?#24066;?#31859;-瑞利散射谱透过,并经第一聚焦镜44汇聚到第一探测器45,第一探测器45将光信
号变成电信号,得到IMie+Rayleigh,传送到信号处理单元4。

信号处理单元4根据发射激光单元1的同步信号,同步采集第一探测器45和第二探
测器48探测输出的IMie+Rayleigh、IRaman信号。

在30以上高度范围内的温度反演算法为:

截取IMie+Rayleigh中30km以上的探测数据,此段大气没有气溶胶,信号IMie+Rayleigh中
没有米散射信号,即在此高度范围内IMie+Rayleigh=IRayleigh,用温度反演公式T=PσRayleigh/
(IRayleighR)得到:

T=PσRayleigh/(IMie+RayleighR)

在30km以下高度范围内的温度反演算法为:

截取IRaman中30km以下的探测数据,利用瑞利散射和拉曼散射的信号强度关系
及温度反演公式T=PσRayleigh/(IRayleighR)得到:

T=PσRaman/(IRamanR)

由此实现了30km以上和30km以下大气温度的同时获取。

关于本文
本文标题:大气拉曼?瑞利散射测温激光雷达及反演方法.pdf
链接地址:http://www.pqiex.tw/p-5994719.html
关于我们 - 网站声明 - 网?#38236;?#22270; - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服 - 联系我们

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net网站版权所有
经营许可证编号:粤ICP备17046363号-1 
 


收起
展开
平码五不中公式规律 黄金城棋牌游戏平台 马耳他幸运飞艇开奖记录 怎么买彩票 888棋牌金花官方下载 吉林十一选五开奖推荐 体彩新11选5视频广告 小米股票代码 今天舟山体育彩票飞鱼开奖号码 正规炸金花棋牌平台 福彩3d试机号走势图彩宝网