CN102798850B - 一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统 - Google Patents

Abstract

一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统，由激光器产生的光束经过分束器分成两束，其中一小部分直接经过多模光纤送到第一探测器作为参考信号；绝大部分则通过扩束器扩束后再由反射镜导入密闭管道，激光被密闭管道内的空气散射后，散射信号被望远镜接收，然后通过多模光纤导入，送到标准具进行信号处理，透过标准具的信号由会聚透镜送到探测器进行进一步信号分析处理，最终探测器将信号处理的结果送至计算机。本发明通过向地面密闭容器内发射激光信号、接收和处理回波信号来获得精确的瑞利-布里渊散射频谱函数和频率响应函数对温度的依赖关系，为反演算法提供校准，提高了测量精度。

Description

一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统

技术领域

本发明涉及一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统，属于光学、激光遥感技术领域。

背景技术

瑞利多普勒激光雷达是目前广泛应用于中高层大气风场观测的测量系统。它通过发射激光脉冲、接收大气散射的回波信号来实现风速和风向信息的高精度反演。

风场信息是通过反演大气散射回波信号来获取的。因此，反演算法直接关系到多普勒激光雷达的测量精度。通常的反演算法是通过确定频率响应函数来求得多普勒频移，进而反演出风速和风向信息的。频率响应函数定义为大气后向散射信号经过两个标准具的透过率之比，是多普勒频移和温度的函数。后向散射信号经过标准具的透过率是发射激光脉冲频谱函数和标准具边缘函数以及大气分子后向散射谱的卷积。在风速测量之前，用窄带脉冲光扫描标准具，可以得到标准具的边缘函数。发射激光脉冲的频谱函数也可以通过实验测得。而对于大气后向分子散射谱，通常选择在气溶胶后向散射信号相对于分子后向散射信号很小的情况下把它忽略，即用瑞利散射增宽谱线代替大气后项散射信号的频谱函数，从而可以确定频率响应函数。瑞利散射频谱函数有如下形式：

f_R(v)＝(4ln2/π△v_R ²)^1/2exp(-v²4ln2/△v_R ²)

其中大气分子频谱的半高宽△v_R＝(32kT_aln2/λ²M)^1/2，k是波尔兹曼常数，T_a是大气温度，M是大气平均分子质量。

观测地的大气温度可以根据大气理论模式的结果得到。这样，频率响应函数就成了与多普勒频移相对应的单值函数，可以用来直接反演风场。

虽然在精度要求不太高的情况下，这种反演方法也能够得到相对精确的风场信息。但是，这种反演算法存在着明显的缺陷。首先，这种反演算法并没有考虑布里渊散射对反演精度的影响。对于直接检测多普勒测风激光雷达，如果假定散射频谱函数为高斯型而忽略布里渊散射的影响，那么其反演带来的风速误差在海平面高度会达到10%，在10Km高度也会达到3%，这么大的误差对于高精度测量是不容许忽略的。图1给出了布里渊散射在不同高度处对散射频谱影响变化的趋势。其中y是用来衡量线型随压力和温度变化的参量。其次，在低空气溶胶含量比较高的区域，如果考虑了布里渊散射的影响，那么频率响应函数与温度的关系将不再是一个显式表达式，由此在利用大气模式的温度反演风场时，也必将引入新的系统误差。

因此，在风速反演之前，有必要进行一个校准实验。一方面，在零风速下，可以根据标准具的透过率曲线反推出瑞利-布里渊散射的频谱函数，通过与纯分子散射相比较，可以准确知道布里渊散射对反演算法的影响；另一方面，在进行上层风场反演时，可以利用地面试验的结果进行校准，从而获得比较高的测量精度。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种瑞利多普勒激光雷达的地面校准系统，通过向地面密闭容器内发射激光信号、接收和处理回波信号来获得精确的瑞利-布里渊散射频谱函数和频率响应函数对温度的依赖关系，为反演算法提供校准，提高了测量精度。

本发明技术解决方案：一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统，其特征在于包括：激光器1、分束器2、扩束器3、第一反射镜4、第二反射镜5、密闭管道6、望远镜7、准直器9、标准具10、会聚透镜11、探测器12和计算机14；激光器1产生的光束经过分束器2分成两束，其中一小部分直接经过第一多模光纤13送到准直器9作为参考信号，从而得到激光器1发出脉冲的频谱函数G_L(v)，并送至计算机14中；而绝大部分则通过扩束器3扩束后再由第一反射镜4和第反射镜5导入密闭管道6，激光在密闭管道6内传播的过程中由管道内的空气分子散射得到后向散射信号，该后向散射信号被望远镜7接收，然后经过第二多模光纤8和准直器9送到标准具10，标准具10作为鉴频器对不同频率的光具有选择透过性，标准具10的透过率函数H(v)为：

$H\left(v\right)=T_{\mathrm{pe}}\left(\frac{1-R_e}{1+R_e}\right)\{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}_e^n\cos \left(\frac{2\mathrm{\πnv}}{V_{\mathrm{FSR}}}\frac{1+{\cos \mathrm{\θ}}_0}{2}\right)\sin c\left(\frac{2\mathrm{nv}}{V_{\mathrm{FSR}}}\frac{1-{\cos \mathrm{\θ}}_0}{2}\right)\},$ 其中，为峰值透过率，R_e为入射光对应波长的有效反射率，v_FSR为自由谱间隔，R为对应波长的反射率，θ₀为入射光束发散角，透过标准具（10）的信号由会聚透镜（11）送到探测器（12）进行光强检测，即得到不同频率的实测透过率T_{Ray-Brillouin}(v)，最终探测器（12）将检测结果送至计算机（14），计算机（14）利用公式 $T_{\mathrm{Ray}-\mathrm{Brillouin}}\left(v\right)=H\left(v\right)\⊗G_L\left(v\right)\⊗G_{\mathrm{Ray}-\mathrm{Brillouin}}\left(v\right),$ 通过反卷积得到在零风速情况下得到的后向瑞利-布里渊散射信号频谱G_{Ray-Brillouin}(v)；此外，计算机（14）还控制和监测激光器（1）的工作状态；控制标准具（10）的腔长。

所述密闭管道（6）内部有若干温度传感器，温度传感器固定在管道内壁，呈等间距排列。

所述放置温度传感器为6-8个，每个传感器分辨率为0.01℃。

所述密闭管道（6）为一个长为58-62m，直径为10-12cm的圆柱形管道，管道要保证密闭，以确保零风速的实验条件。

本发明与现有的技术相比的优点在于：

（1）本发明可以极大程度上的降低布里渊散射对整个系统测量结果的影响，。相比较以往的采用的校准方法，本发明放弃了采用理论模型估计大气散射频谱的方式，取而代之以实测的方法，这样更贴近实验当地的实际情况，因而会提高测量精度。

（2）本发明采用的密闭实验管道，可以保证实验条件的绝对零风速。并以此作为校准的参照点，保证了不会出现新的系统误差。

（3）本发明使用的温度传感器，灵敏度高，分辨率可以达到0.01℃，采集速度快，每秒钟采集并记录一个数据点，在整个校准实验过程中，提供温度对布里渊散射影响结果。

（4）本发明操作简单、易于实现且工程造价成本低。

附图说明

图1给出了布里渊散射在不同高度处对散射频谱影响变化的趋势图；

图2为本发明的结构框图；

图3为本发明的实现结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图2、3所示，一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统，其特征在于包括：激光器1、分束器2、扩束器3、第一反射镜4、第二反射镜5、密闭管道6、望远镜7、准直器9、标准具10、会聚透镜11、探测器12和计算机14。

激光器1产生的光束经过分束器2分成两束，其中一小部分直接经过第一多模光纤13送到准直器9作为参考信号，从而得到激光器1发出脉冲的频谱函数G_L(v)，并送至计算机14中；而绝大部分则通过扩束器3扩束后再由第一反射镜4和第反射镜5导入密闭管道6，激光在密闭管道6内传播的过程中由管道内的空气分子散射得到后向散射信号，该后向散射信号被望远镜7接收，然后经过第二多模光纤8和准直器9送到标准具10，标准具10作为鉴频器对不同频率的光具有选择透过性，标准具10的透过率函数H(v)为：

$H\left(v\right)=T_{\mathrm{pe}}\left(\frac{1-R_e}{1+R_e}\right)\{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}_e^n\cos \left(\frac{2\mathrm{\πnv}}{V_{\mathrm{FSR}}}\frac{1+{\cos \mathrm{\θ}}_0}{2}\right)\sin c\left(\frac{2\mathrm{nv}}{V_{\mathrm{FSR}}}\frac{1-{\cos \mathrm{\θ}}_0}{2}\right)\},$ 其中，为峰值透过率，R_e为入射光对应波长的有效反射率，v_FSR为自由谱间隔，R为对应波长的反射率，θ₀为入射光束发散角，透过标准具10的信号由会聚透镜11送到探测器12进行光强检测，即得到不同频率的实测透过率T_{Ray-Brillouin}(v)，最终探测器12将检测结果送至计算机14，计算机14利用公式 $T_{\mathrm{Ray}-\mathrm{Brillouin}}\left(v\right)=H\left(v\right)\⊗G_L\left(v\right)\⊗G_{\mathrm{Ray}-\mathrm{Brillouin}}\left(v\right),$ 通过反卷积得到在零风速情况下得到的后向瑞利-布里渊散射信号频谱G_{Ray-Brillouin}(v)。

此外，标准具10是由两块平行的玻璃板组成的，两块平行玻璃板之间的间距决定了标准具透过率峰值所在的波长位置，因而标准具10在工作的时候是需要调整玻璃板间隔的，也就是标准具10的腔长，这是由计算机14控制的。激光器1工作的过程中也是需要用软件来控制和监测它的工作状态的，这些操作均通过计算机14完成。

如图3所示，本发明实施例中的密闭管道6为一个长为58-62m，直径为10-12cm的圆柱形管道。密闭管道6内部布置有6-8个温度传感器15，每个温度传感器15固定在管道内壁，呈等间距排列，每个传感器分辨率为0.01℃。温度传感器15每秒钟采集一个温度点，以确保能精确测量管道内空气温度的空间和时间变化，同时在实验的过程中，管道应尽量选择放置在温差较小的地方，比如封闭的仓库内。此外管道要保证密闭，以确保零风速的实验条件。

本发明中的探测器12采用的是licel公司的TR16-20bit lidar transient recorder；激光器1采用脉冲Nd：YAG激光器。

本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统，其特征在于包括：激光器(1)、分束器(2)、扩束器(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、密闭管道(6)、望远镜(7)、准直器(9)、标准具(10)、会聚透镜(11)、探测器(12)和计算机(14)；激光器(1)产生的光束经过分束器(2)分成两束，其中一小部分直接经过第一多模光纤(13)送到准直器(9)作为参考信号，从而得到激光器(1)发出脉冲的频谱函数G_L(v)，并送至计算机(14)中；而绝大部分则通过扩束器(3)扩束后再由第一反射镜(4)和第二反射镜(5)导入密闭管道(6)，激光在密闭管道(6)内传播的过程中由管道内的空气分子散射得到后向散射信号，该后向散射信号被望远镜(7)接收，然后经过第二多模光纤(8)和准直器(9)送到标准具(10)，标准具(10)作为鉴频器对不同频率的光具有选择透过性，标准具(10)的透过率函数H(v)为：

$H\left(v\right)=T_{\mathrm{pe}}\left(\frac{1-R_e}{1+R_e}\right)\{1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{R}_e^n\cos \left(\frac{2\mathrm{\πnv}}{v_{\mathrm{FSR}}}\frac{1+\cos {\mathrm{\θ}}_0}{2}\right)\sin c\left(\frac{2\mathrm{nv}}{v_{\mathrm{FSR}}}\frac{1-\cos {\mathrm{\θ}}_0}{2}\right)\},$ 其中，为峰值透过率，R_e为入射光对应波长的有效反射率，v_FSR为自由谱间隔，R为对应波长的反射率，θ₀为入射光束发散角，透过标准具(10)的信号由会聚透镜(11)送到探测器(12)进行光强检测，即得到不同频率的实测透过率T_{Ray-Brillouin}(v)，最终探测器(12)将检测结果送至计算机(14)，计算机(14)利用公式通过反卷积得到在零风速情况下得到的后向瑞利-布里渊散射信号频谱G_{Ray-Brillouin}(v)；此外，计算机(14)还控制和监测激光器(1)的工作状态及控制标准具(10)的腔长；

所述密闭管道(6)为一个长为58-62m，直径为10-12cm的圆柱形管道，管道要保证密闭，以确保零风速的实验条件；密闭管道(6)内部布置有6-8个温度传感器，每个温度传感器固定在管道内壁，呈等间距排列，每个传感器分辨率为0.01℃；温度传感器每秒钟采集一个温度点，以确保能精确测量管道内空气温度的空间和时间变化。