CN103630908A - 分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法及测量校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法及测量校准方法，解决了现有的测风Rayleigh激光雷达激光频谱校准困难问题；该反演方法主要通过分子散射光经标准具透过率函数N_i(v)与标准具透过率函数F_ei(v)做反卷积运算，运算结果再与Rayleigh-Brillouin谱F_R-B(v)做反卷积运算，得到激光频谱F_l(v)，用高斯函数拟合，得到激光频谱函数。该测量校准方法及系统设置标准具控制器改变标准具腔长，入射至标准具的激光束扫描标准具腔长得到标准具及分子散射光透过率曲线。本发明提高了风场反演的准确性、可靠性及精度。

Description

分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法及测量校准方法

技术领域

本发明涉及激光大气遥感的技术领域，涉及激光大气遥感、激光雷达、分子散射测风激光雷达、频率反演等技术，具体涉及一种分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法及测量校准方法。分子散射，也称为瑞利散射，即Rayleigh散射。

背景技术

自上世纪80年代早期，直接探测Rayleigh激光雷达就已经广泛用于中高层大气风场探测，中高层大气中气溶胶含量较低，因此气溶胶后向散射信号与大气分子后向散射信号相比可以忽略，直接探测Rayleigh激光雷达就是通过探测大气分子后向散射信号来探测中高层大气风场的，国际上开展直接探测瑞利测风激光雷达研究比较早，1989年法国Chanin研究小组首次报道了直接探测Rayleigh激光雷达对中层大气平均风场的测量，该测风激光雷达系统采用Fabry-Perot标准具的双边缘技术，利用分子后向散射信号反演大气水平风速的一维分量，其工作波长为532nm，测量高度为25-60km，1993年Souprayen等人改进了系统，建立了第二代Rayleigh-Mie多普勒激光雷达，探测范围扩展为8-50km，并于1995年在法国OHP进行常规观测，NASA Goddard航天中心从1995年开始论证和开展测风激光雷达研究，随后Flesia和Korb研究小组研制成功车载直接探测测风激光雷达-GLOW。目的是科学测量地面至平流层的风廓线，同时为NPOESS星载雷达做前期的技术支撑。此系统采用双边缘直接探测技术，包含355nm分子接收通道和1064nm气溶胶接收通道。测量范围1.8-35km。同时期，美国的密歇根宇航公司在NOAA等机构的支持下也进行了直接探测激光雷达的研究，并且建立了系统（GroundWinds）。此系统采用了干涉条纹成像技术，利用圆变线的光学系统（CLIO）充分利用米和瑞利散射信号，采用CCD进行探测。现在有两台地基全天候工作系统GWHI和第二代GWNH分别位于美国的夏威夷和新罕布什尔州，两个系统工作波长分别为355nm和532nm。1994年北极中层大气研究气象台（ALOMAR）在挪威（69°N and 16°E）建立了瑞利散射/米散射/拉曼散射（Rayleigh-Mie-Raman，RMR）激光雷达系统，主要用于探测北极地区的中层大气的风场、温度、气溶胶的浓度分布以及夜光云粒子气象参数。经过几次改造之后，该系统能够测量18-80公里之间的温度和风场。并于2009年1月对中高层大气风场进行了探测，该测风激光雷达系统采用Fabry-Perot标准具的双边缘技术，利用分子后向散射信号反演大气风场，在国内，中国科学技术大学孙东松研究小组率先于2006年开展了直接探测Rayleigh测风激光雷达方面的研究工作。2009年该小组成功研制了车载对流层平流层风场探测激光雷达系统，此系统采用国际上先进的Fabry-Perot双边缘鉴频技术，探测距离在5-40km，距离分辨率为100m，速度精度10km处小于1m/s。

在直接探测Rayleigh测风激光雷达的探测方法的研究中，Korb等人于1992年提出了单边缘探测技术，1998年Chanin等人首次提出了双边缘探测技术，边缘技术是将激光出射频率锁定在鉴频器陡峭边缘上，因而较小的频移将导致较大的信号强度变化，双边缘技术是在边缘技术上的有效改进，是将激光出射频率锁定在两个频谱分布相同而中心分离的鉴频器谱峰值透过率为50%的交叠处,如果接收的散射光信号相对于发射激光频率存在一个频移,这时两个鉴频器的输出光信号不同,根据其差异的大小可以确定多普勒频移量，双边缘技术一方面承袭了单边缘技术的优点，另一方面提高了测量灵敏度并且可以分别反演回波信号中的瑞利和气溶胶成分,从而能够消除气溶胶背景噪声的影响。直接探测Rayleigh测风激光雷达目前主要采用双边缘技术，即采用两个标准具（Fabry–Perot interferometer–FPI）作为鉴频器，是雷达接收系统核心部件，两个标准具输出光信号的比率用于测量大气分子后向散射信号的多普勒频移，称为Rayleigh响应函数，孙东松研究小组将Rayleigh响应函数R定义为：

$R\left(z\right)=\frac{C{N}_A\left(z\right)}{N_B\left(z\right)}$

其中，N_A和N_B分别是两个标准具接收到的高度Z处的分子后向散射信号的光子数，C是比例系数。Rayleigh响应函数R被Garnier，Chanin，McKay，Dabas及Souprayen等研究小组定义为：

$R\left(z\right)=\frac{C{N}_A\left(z\right)-N_B\left(z\right)}{C{N}_A\left(z\right)+N_B\left(z\right)}$

N_A和N_B由下式给出

$N_i\left(\mathrm{\υ}\right)=a_i{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{T}_i\left(\mathrm{\υ}\right)I\left(\mathrm{\υ}\right)\mathrm{d\υ}$

其中，i=（1,2）代表A,B两个标准具，a_i是校准常数，I(v)是瑞利谱线函数，T_i(v)是激光经两个标准具透过率函数，是激光频谱函数F_l(v)和标准具透过率函数F_ei(v)的卷积，调研国内外文献，在数据处理过程中，一般都是假设F_l(v)为高斯函数并给出线宽的估值。标准具透过率函数F_ei(v)的测量一般有两种方法，一种是固定标准具腔长，改变腔内压力的同时扫描标准具透过率函数，Chanin和Claude Souprayen研究小组在建系统时使用了该方法；另一种方法是改变腔长，扫描标准具透过率函数，Gentry和孙东松研究小组在建系统时使用了该方法。在数据处理过程中，一般用Tenti S6模型代替Rayleigh–Brillouin谱，Witschas详细描述了用Tenti S6模型代替Rayleigh–Brillouin谱的数据处理过程，Dabas研究小组在激光雷达风场反演中使用了Tenti S6模型。

目前直接探测Rayleigh激光雷达在风场反演过程中，假设激光频谱为高斯函数，没有提出激光频谱的反演方法和测量校准方法，也没用对激光频谱进行校准，这在风场反演过程中引入了测量误差。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种直接探测Rayleigh测风激光雷达频谱反演方法，解决了现有的测风Rayleigh激光雷达激光频谱校准困难问题。

本发明的另一个目的是提供一种直接探测Rayleigh测风激光雷达频谱测量校准方法，并提供测量校准系统。在风廓线反演中利用激光测量频谱，提高了风场反演的准确性、可靠性及精度。

为解决上述技术问题，本发明公开一种分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法及测量校准方法。解决了现有的测风Rayleigh激光雷达激光频谱校准困难问题；提高了风场反演的准确性、可靠性及精度。技术方案如下：

一种分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法如下：

步骤一：设计实验校准标准具透过率曲线，采用理想的标准具透过率函数Airy函数进行拟合得到标准具透过率函数F_ei(v)，Airy函数如公式（1）所示：

$T^{\′}\left(\tilde{v}\right)={(1-\frac{L}{1-R_M})}^2\frac{{(1-R_M)}^2}{1-2R_M\cos \left(2\mathrm{\π}\tilde{v}{n}_{1}d\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)+R_M^2}---\left(1\right)$

其中，R_M是标准具平面玻璃反射率,L是标准具平面玻璃吸收或散射损失，

是入射光波长，d是标准具两平面玻璃间距,n₁是两平面玻璃间充满介质的折射率,θ₁是入射角。

步骤二：设计实验测量分子散射光经标准具透过率曲线，采用理想的标准具透过率函数Airy函数进行拟合得到分子散射光经标准具透过率函数N_i(v)，Airy函数如公式（1）所示。

步骤三：在实验测量分子散射光经标准具透过率曲线的同时，测量分子散射路径上的温度，将测量温度带入Tenti S6 model（Rayleigh-Brillouin谱）计算出ｙ值，如公式（2）所示。

$x=\frac{\mathrm{\ω}}{\sqrt{2}k{\mathrm{\υ}}_0},$ $y=\frac{n_2{k}_{B}T}{\sqrt{2}k{\mathrm{\υ}}_0\mathrm{\η}}=\frac{p}{\sqrt{2}k{\mathrm{\υ}}_0\mathrm{\η}}---\left(2\right)$

其中，ω是散射光较入射光的角频移，n₂是大气分子数密度，p和T是大气压强和温度，η是大气粘滞系数，k=k_s-k₀=4π/λsin(θ₂/2)是入射光波数和散射光波数之差，λ是入射光波长，θ₂是散射角，υ₀=(2k_BT)/m)^1/2是大气分子无规则运动速度，k_B是玻尔兹曼常数，m是大气分子量，x是光学频移，y是碰撞频率展宽。将计算所得ｙ值带入公式（3）-（6）计算得到如下参数：

A(y)＝0.18526·exp[-1.31255y]+0.07103·exp[-18.26117y]+0.74421   (3)

σ_R(y)＝0.70813+0.16366y²+0.19132y³-0.07217y⁴   (4)

σ_B(y)＝0.07845·exp[-4.88663y]+0.80400·exp[-0.15003y]-0.45142   (5)

x_B(y)＝0.80893-0.30208·0.10898^y   (6)

将计算所得参数A,σ_R,σ_B和x_B带入公式（7）得到Rayleigh-Brillouin实测谱F_R-B(v)。

$\begin{array}{c}S(x,y)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_R}\mathrm{Aexp}[-\frac{1}{2}{\left(\frac{x}{{\mathrm{\σ}}_R}\right)}^2]+\frac{1-A}{2\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_B}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{x+x_B}{{\mathrm{\σ}}_B}\right)}^2]\\ +\frac{1-A}{2\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_B}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{x-x_B}{{\mathrm{\σ}}_B}\right)}^2]\end{array}---\left(7\right)$

其中，S(x,y)是3个高斯函数的重叠形式，其中中心高斯线的标准差是σ_R，总强度A代表瑞利峰值，两个变化的高斯线在±x_B时的标准差是σ_B，总强度(1-A)/2代表布里渊对。

步骤四：分子散射光经标准具透过率函数N_i(v)与标准具透过率函数F_ei(v)做反卷积运算，运算结果再与Rayleigh-Brillouin谱F_R-B(v)做反卷积运算，得到激光频谱F_l(v)，用高斯函数拟合，得到激光频谱函数，高斯函数如公式（8）所示。

$h\left(v\right)=\frac{\sqrt{4\ln 2}}{\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp -\left[\frac{4\ln 2\·{(v-v_0)}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}\right]---\left(8\right)$

其中，σ是激光频谱半高全宽，v₀是中心频率。

一种分子散射测风激光雷达中激光频谱测量校准方法的技术方案如下：

标准具透过率曲线校准系统及其校准方法，该校准系统包括：激光器1，窄带滤光片2，积分球3，多模光纤4、5，光纤分束器6、7、9，会聚透镜11、12、13，FPI 14，准直透镜18、19、20，探测器8、10、15、16、17。

其特征在于设置一个Nd:YAG连续激光器，激光器发出的单模连续光经过衰减、滤除背景光后，耦合到传导光纤上，该传导光纤再连接到积分球的输入端，经积分球之后的均匀光通过传导光纤连接到光纤分束器并将光束分成两路，一路经传导光纤连接到下一个光纤分束器将光路分成两路，两路光分别经过汇聚透镜准直后入射至能量探测器和标准具锁定通道；另一路经传导光纤连接至另一个光纤分束器将光路分成两路，两路光分别经过汇聚透镜准直后入射至标准具的两个信号通道。设置标准具控制器改变标准具腔长，入射至标准具锁定通道和信号通道的连续单模激光束同时扫描标准具腔长得到标准具三个通道的透过率曲线。因为连续单模激光束的线宽<1MHz，此时扫描得到的三个通道透过率曲线就是标准具透过率曲线，透过率曲线经过拟合得到透过率函数F_ei(v)（i为1、2、3分别表示标准具的三个通道）。

直接探测Rayleigh测风激光雷达激光谱校准系统，该校准系统包括：激光器1A，窄带滤光片2，积分球3，多模光纤4、5，光纤分束器6、7、9，模拟大气分子散射通道22，会聚透镜18、19、20，21，FPI 14，准直透镜11、12、13，探测器8、10、15、16、17。

其特征在于设置一个Nd:YAG脉冲激光器，激光器发出的脉冲光经过衰减后，耦合至传导光纤上，该传导光纤连接至积分球的输入端，经积分球之后的均匀光通过传导光纤连接至光纤分束器并将光束分成两路，一路经传导光纤连接到下一个光纤分束器将光路分成两路，两路光分别经过汇聚透镜准直后入射至能量探测器和标准具锁定通道；另一路经传导光纤连接至大气分子散射通道，经大气分子后向散射光耦合至传导光纤，传导光纤连接至另一光纤分束器将光路分成两路，两路光分别经过汇聚透镜准直后入射至标准具的两个信号通道。设置标准具控制器逐步改变标准具腔长，入射至标准具锁定通道的出射激光扫描标准具腔长得到锁定通道出射激光透过率曲线，入射至信号通道的分子散射光扫描标准具腔长得到标准具两个信号通道分子散射光透过率曲线，经函数拟合后得到分子散射光透过率函数N_i(v)。同时在大气分子散射通道内放置温度和压强传感器测量通道内温度和压强，利用温度和压强测量数据使用Tenti S6模型得到通道内的Rayleigh-Brillouin谱函数F_R-B(v)，分子散射光透过率函数与Rayleigh-Brillouin谱函数和标准具透过率函数做反卷积运算得到激光频谱函数F_l(v)。

在直接探测Rayleigh测风激光雷达测量风廓线的同时，利用激光雷达垂直发射的激光束探测激光大气传输光路上各个高度处的温度，将温度测量数据带入Tenti S6模型得到激光大气传输光路上各个高度处Rayleigh–Brillouin谱F_R-B(v)，将标准具透过率校准函数F_ei(v)、Rayleigh–Brillouin实测谱F_R-B(v)和激光谱校准函数F_l(v)做卷积运算得到激光大气传输光路上各个高度处分子散射光经标准具的透过率实测函数N_i(v)，利用各个高度上实测函数N_i(v)能够精确反演风场廓线。提高了反演的准确性、可靠性及精度。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明提出一种直接探测Rayleigh测风激光雷达频谱反演方法及其测量校准方法，并设计提供测量校准系统。解决了现有测风Rayleigh激光雷达频谱校准困难问题。在风廓线反演中利用激光实测频谱，提高了风场反演的准确性、可靠性及精度。

2、本发明光路选用全光纤连接，提高了系统运行的稳定性。

3、本发明首次选用光纤分束器，使得系统体积缩小，结构紧凑，稳定且便于机动，同时减少了背景光的干扰。

4、本发明准直和会聚透镜均与标准具封装在一个集成模块中，提高了系统的集成化及工程化，调试及实验简单易行。

附图说明

图1为标准具透过率曲线校准系统。图1中附图标记含义为：1为激光器，2为窄带滤光片，3为积分球，4、5分别为第一、第二多模光纤，6、7、9分别为第一、第二、第三光纤分束器，11、12、13分别为第一、第二、第三准直透镜，14为FPI，18、19、20分别为第一、第二、第三会聚透镜，8、10、15、16、17分别为第一、第二、第三、第四、第五探测器。

图2为激光频谱校准系统。图2中附图标记含义为：1A为激光器，2为窄带滤光片，3为积分球，4、5分别为第一、第二多模光纤，6、7、9分别为第一、第二、第三光纤分束器，11、12、13分别为第一、第二、第三准直透镜，14为FPI，18、19、20，21分别为第一、第二、第三、第四会聚透镜，8、10、15、16、17分别为第一、第二、第三、第四、第五探测器，22为大气分子散射通道。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明选用全光纤器件搭建光路。所述的大气分子散射通道是密封的铝制圆柱形通道，其直径为0.5m，长度为60m，内密闭纯净空气。

本发明选用与多模光纤匹配的自带尾纤型光纤耦合镜、光纤分束镜和光纤准直镜。

请参见图1，图1为本发明提供直接探测Rayleigh测风激光雷达中标准具透过率曲线校准系统组件的结构示意图，该校准系统包括：激光器1，窄带滤光片2，积分球3，第一、第二多模光纤4、5，第一、第二、第三光纤分束器6、7、9，第一、第二、第三准直透镜11、12、13，FPI 14，第一、第二、第三会聚透镜18、19、20，第一、第二、第三、第四、第五探测器8、10、15、16、17。

具体的，校准系统使用Nd:YAG连续激光器1，激光器发出的单模连续光经过窄带滤光片2滤光后，入射至积分球3的输入端，经积分球输出后的均匀光通过传导光纤4和5分别连接到光纤分束器6和7；光纤分束器6将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至能量探测器4，大部分光通过准直透镜11准直后经传导光纤连接至FPI14锁定通道，锁定通道的输出光经传导光纤连接至会聚透镜18，会聚光经传导光纤连接至探测器15。光纤分束器7将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至能量探测器10，大部分光通过光纤分束器9分成两路，两路光分别经准直透镜12和13准直后经传导光纤连接至FPI 14两边缘通道，两边缘通道的输出光分别经传导光纤连接至会聚透镜19和20，会聚光经传导光纤连接至探测器16和17。设置标准具控制器改变标准具腔长，入射至标准具锁定通道和边缘通道的连续单模激光束同时扫描标准具腔长得到标准具三个通道的透过率曲线。因为连续单模激光束的线宽<1MHz，此时扫描得到的三个通道透过率曲线就是标准具透过率曲线，透过率曲线经过拟合得到校准透过率函数F_ei(v)。以上过程由工控机自动控制。

所述的激光器1采用Nd:YAG连续激光器，其工作波长为355nm，平均功率10mw，线宽<1MHz，发出的激光近似为单模激光。所述的窄带滤光片2是低损耗的透射式滤波器，带宽为0.1nm，中心波长为355nm，峰值透射率达到90%，有效地抑制了背景光。所述的积分球3直径25cm，涂层对波长为355nm的光波的反射率为96%，光波被积分球收集并在其漫反射均匀的内壁上多次被反射形成均匀光。所述的传导光纤4、5是多模光纤，芯径为200μm，传输损耗0.12dB/km。所述的光纤分束器6、7、9是FBT熔融拉锥型光分器，带插头尾纤。对波长为355nm的激光，其中6和7的分束比为20：80，9的分束比为50：50。所述的标准具（FPI）14包括ET-Series II型标准具和CS100控制器，ET-Series II型标准具由两块平行平面玻璃组成，内表面镀以高反射率的银膜，镀膜之后两平面玻璃的ＰＶ值为λ／100，对波长为355nm的激光的反射率为65%－67.5%，具有三个通道，三个通道间隔12.5μm，CS100控制器严格控制着标准具两平板玻璃间的平行和间距，并实时校正平行和间距误差，腔长扫描距离＞3.5μm，对波长为355nm的激光其精细度为7。所述的探测器8、9、15、16、17是Licel R7400型光电培增管，其中能量探测器8和9是模拟模式，锁定通道探测器15和两个边缘通道探测器16和17是光子计数模式。所述的准直透镜11、12、13直径为70mm，表面镀增透膜允许355nm的激光通过。所述的非球面会聚透镜18、19、20直径为φ56mm。表面镀增透膜允许355nm的激光通过。

图2为本发明提供的激光谱校准系统结构示意图，该校准系统包括：激光器1A，窄带滤光片2，积分球3，第一、第二多模光纤4、5，第一、第二、第三光纤分束器6、7、9，第一、第二、第三准直透镜11、12、13，FPI 14，第一、第二、第三、第四会聚透镜18、19、20，21，第一、第二、第三、第四、第五探测器8、10、15、16、17，大气分子散射通道22。

具体的，校准系统使用Nd:YAG脉冲激光器1A，激光器发出的脉冲光经过窄带滤光片2滤光后，入射至积分球3的输入端，经积分球输出后的均匀光通过传导光纤4和5分别连接到光纤分束器6和模拟大气分子散射通道22；光纤分束器6将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至能量探测器8，大部分光通过准直透镜11准直后经传导光纤连接至FPI 14锁定通道，锁定通道的输出光经传导光纤连接至会聚透镜18，会聚光经传导光纤连接至探测器15。经模拟大气分子散射通道22的后向散射光经会聚透镜21收集，由传导光纤连接至光纤分束器7将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至能量探测器10，大部分光通过光纤分束器9分成两路，两路光分别经准直透镜12和13准直后经传导光纤连接至FPI14两边缘通道，两边缘通道的输出光分别经传导光纤连接至会聚透镜19和20，会聚光经传导光纤连接至探测器16和17。设置标准具控制器改变标准具腔长，入射至标准具锁定通道的出射激光扫描标准具锁定通道腔长得到标准具锁定通道的透过率曲线，入射至标准具边缘通道的分子散射光同时扫描标准具两个边缘通道腔长得到标准具两个边缘通道的透过率曲线。此时扫描得到的两个边缘通道透过率曲线是大气分子散射光经标准具的透过率曲线，透过率曲线经过拟合得到透过率函数N_i(v)。

所述的激光器1A采用种子注入式、灯泵浦、三倍频Nd:YAG脉冲激光器(ContinuumModel Powerlite 9050)，其工作波长为355nm，单脉冲能量360mＪ，脉冲重复频率50Hz，线宽≤90MHz。所述的非球面会聚透镜21直径为φ56mm。表面镀增透膜允许355nm的激光通过。所述的大气分子散射通道22是密封的铝制圆柱形通道，其直径为0.5m，长度为50m，内密闭纯净空气。所述的其它器件均与图1中所述器件相同。

所得标准具透过率校准曲线，在数据处理过程中，采用理想的标准具透过率函数Airy函数进行拟合得到标准具透过率函数F_ei(v)，Airy函数如公式（1）所示：

$T^{\&prime;}\left(\tilde{v}\right)={(1-\frac{L}{1-R_M})}^2\frac{{(1-R_M)}^2}{1-2R_M\cos \left(2\mathrm{\&pi;}\tilde{v}nd\cos \mathrm{\&theta;}\right)+R_M^2}---\left(1\right)$

其中,R_M标准具平面玻璃反射率，L是标准具平面平面玻璃吸收或散射损失，

是入射光波长，d是标准具两平面玻璃间距,n是两平面玻璃间充满介质的折射率,θ是入射角。

所得分子散射光透过率实测曲线，在数据处理过程中，用公式（1）对其拟合得到分子散射光透过率函数N_i(v)。

Rayleigh-Brillouin谱实测曲线的具体测量过程如下：当直接探测Rayleigh测风激光雷达频谱校准系统（如图2所示）测量分子散射光透过率曲线的同时，模拟大气分子散射通道内放置的温度传感器同时实时测量通道内温度，将测量温度带入Tenti S6 model（Rayleigh-Brillouin谱）计算出ｙ值，如公式（2）所示。

$x=\frac{\mathrm{\&omega;}}{\sqrt{2}k{\mathrm{\&upsi;}}_0},$ $y=\frac{n{k}_{B}T}{\sqrt{2}k{\mathrm{\&upsi;}}_0\mathrm{\&eta;}}=\frac{p}{\sqrt{2}k{\mathrm{\&upsi;}}_0\mathrm{\&eta;}}---\left(2\right)$

其中，ω是散射光较入射光的角频移，n是大气分子数密度，p和T是大气压强和温度，η是大气粘滞系数，k=k_s-k₀=4π/λsin(θ/2)是入射光波数和散射光波数之差，λ是入射光波长，θ是散射角，υ₀=(2k_BT)/m)^1/2大气分子无规则运动速度，k_B是玻尔兹曼常数，m是大气分子量，x是光学频移，y是碰撞频率展宽。将计算所得ｙ值带入公式（3）-（6）计算得到如下参数：

A(y)＝0.18526·exp[-1.31255y]+0.07103·exp[-18.26117y]+0.74421   (3)

σ_R(y)＝0.70813+0.16366y²+0.19132y³-0.07217y⁴   (4)

σ_B(y)＝0.07845·exp[-4.88663y]+0.80400·exp[-0.15003y]-0.45142   (5)

x_B(y)＝0.80893-0.30208·0.10898^y   (6)

将计算所得参数A,σ_R,σ_B和x_B带入公式（7）得到Rayleigh-Brillouin实测谱F_R-B(v)。

$\begin{array}{c}S(x,y)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_R}\mathrm{Aexp}[-\frac{1}{2}{\left(\frac{x}{{\mathrm{\&sigma;}}_R}\right)}^2]+\frac{1-A}{2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_B}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{x+x_B}{{\mathrm{\&sigma;}}_B}\right)}^2]\\ +\frac{1-A}{2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_B}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{x-x_B}{{\mathrm{\&sigma;}}_B}\right)}^2]\end{array}---\left(7\right)$

其中，S(x,y)是3个高斯函数的重叠形式，其中中心高斯线的标准差是σ_R，总强度A代表瑞利峰值，两个变化的高斯线在±x_B时的标准差是σ_B，总强度(1-A)/2代表布里渊对。

分子散射光经标准具透过率函数N_i(v)与标准具透过率函数F_ei(v)做反卷积运算，运算结果再与Rayleigh-Brillouin谱F_R-B(v)做反卷积运算，得到激光频谱F_l(v)，用高斯函数拟合，得到激光频谱函数，高斯函数如公式（8）所示。

$h\left(v\right)=\frac{\sqrt{4\ln 2}}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}\exp -\left[\frac{4\ln 2\&CenterDot;{(v-v_0)}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right]---\left(8\right)$

其中，σ是激光频谱半高全宽，v₀是中心频率。

在直接探测Rayleigh测风激光雷达测量风廓线的同时，利用激光雷达垂直发射的激光束探测激光大气传输光路上各个高度处的温度，将温度测量数据带入Tenti S6模型得到激光大气传输光路上各个高度处Rayleigh–Brillouin谱F_R-B(v)，将标准具透过率校准函数F_ei(v)，Rayleigh–Brillouin实测谱F_R-B(v)和激光谱校准函数F_l (v)带入下式得到激光大气传输光路上各个高度处分子散射光经标准具的透过率函数N_i(v)。

$N_i\left(\mathrm{\&upsi;}\right)=a_i{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}{T}_i\left(\mathrm{\&upsi;}\right)I\left(\mathrm{\&upsi;}\right)\mathrm{d\&upsi;}$

其中，i=（1,2）代表A,B两个标准具，a_i是校准常数，I(v)是瑞利谱线函数，即F_R-B(v)，T_i(v)是激光经两个标准具透过率函数，是激光频谱函数F_l(v)和标准具透过率函数F_ei(v)的卷积。

利用激光大气传输光路上各个高度处分子散射光经标准具的透过率实测函数N_i(v)能够精确反演风场廓线。提高了反演的准确性、可靠性及精度。

Claims (6)

1.一种分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法，其特征在于：该反演方法步骤如下：

步骤一：设计实验校准标准具透过率曲线，采用理想的标准具透过率函数Airy函数进行拟合得到标准具透过率函数F_ei(v)，Airy函数如公式（1）所示：

$T^{\&prime;}\left(\tilde{v}\right)={(1-\frac{L}{1-R_M})}^2\frac{{(1-R_M)}^2}{1-2R_M\cos \left(2\mathrm{\&pi;}\tilde{v}{n}_{1}d\cos {\mathrm{\&theta;}}_1\right)+R_M^2}---\left(1\right)$

其中,R_M标准具平面玻璃反射率，L是标准具平面玻璃吸收或散射损失，

是入射光波长，d是标准具两平面玻璃间距，n₁是两平面玻璃间充满介质的折射率，θ₁是入射角；

步骤二：设计实验测量分子散射光经标准具透过率曲线，采用理想的标准具透过率函数Airy函数进行拟合得到分子散射光经标准具透过率函数N_i(v)，Airy函数如公式（1）所示；

步骤三：在实验测量分子散射光经标准具透过率曲线的同时，测量分子散射路径上的温度和压强，将测量温度和压强带入描述瑞利-布里渊谱（Rayleigh-Brillouin）的Tenti S6模型（Tenti S6 model）计算出ｙ值，如公式（2）所示：

$x=\frac{\mathrm{\&omega;}}{\sqrt{2}k{\mathrm{\&upsi;}}_0},$ $y=\frac{n_2{k}_{B}T}{\sqrt{2}k{\mathrm{\&upsi;}}_0\mathrm{\&eta;}}=\frac{p}{\sqrt{2}k{\mathrm{\&upsi;}}_0\mathrm{\&eta;}}---\left(2\right)$

其中，ω是散射光较入射光的角频移，n₂是大气分子数密度，p和T是大气压强和温度，η是大气粘滞系数，k=k_s-k₀=4π/λsin(θ/2)是入射光波数和散射光波数之差，λ是入射光波长，θ₂是散射角，υ₀=(2k_BT)/m)^1/2是大气分子无规则运动速度，k_B是玻尔兹曼常数，m是大气分子量，x是光学频移，y是碰撞频率展宽，将计算所得ｙ值带入公式（3）至（6）计算得到如下参数：

A(y)＝0.18526·exp[-1.31255y]+0.07103·exp[-18.26117y]+0.74421   (3)

σ_R(y)＝0.70813+0.16366y²+0.19132y³-0.07217y⁴   (4)

σ_B(y)＝0.07845·exp[-4.88663y]+0.80400·exp[-0.15003y]-0.45142   5)

x_B(y)＝0.80893-0.30208·0.10898^y   (6)

将计算所得参数A,σ_R,σ_B和x_B带入公式（7）得到瑞利-布里渊（Rayleigh-Brillouin）实测谱F_R-B(v)，

$\begin{array}{c}S(x,y)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_R}\mathrm{Aexp}[-\frac{1}{2}{\left(\frac{x}{{\mathrm{\&sigma;}}_R}\right)}^2]+\frac{1-A}{2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_B}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{x+x_B}{{\mathrm{\&sigma;}}_B}\right)}^2]\\ +\frac{1-A}{2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_B}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{x-x_B}{{\mathrm{\&sigma;}}_B}\right)}^2]\end{array}---\left(7\right)$

其中，S(x,y)是3个高斯函数的重叠形式，其中中心高斯线的标准差是σ_R，总强度A代表瑞利峰值，两个变化的高斯线在±x_B时的标准差是σ_B，总强度(1-A)/2代表布里渊对；

步骤四：分子散射光经标准具透过率函数N_i(v)与标准具透过率函数F_ei(v)做反卷积运算，运算结果再与Rayleigh-Brillouin谱F_R-B(v)做反卷积运算，得到激光频谱F_l(v)，用高斯函数拟合，得到激光频谱函数，高斯函数如公式（8）所示：

$h\left(\mathrm{\&nu;}\right)=\frac{\sqrt{4\ln 2}}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}\exp -\left[\frac{4\ln 2\&CenterDot;{(\mathrm{\&nu;}-{\mathrm{\&nu;}}_0)}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right]---\left(8\right)$

其中，σ是激光频谱半高全宽，v₀是中心频率。

2.一种分子散射测风激光雷达中激光频谱测量校准方法，其特征在于，该测量校准方法的步骤如下：

（1）、建立标准具透过率曲线校准系统，该校准系统包括：Nd:YAG连续激光器（1），窄带滤光片（2），积分球（3），第一多模光纤（4），第二多模光纤（5），第一光纤分束器（6），第二光纤分束器（7），第三光纤分束器（9），第一准直透镜（11），第二准直透镜（12），第三准直透镜（13），标准具FPI（14），第一探测器（8），第二探测器（10），第三探测器（15），第四探测器（16）和第五探测器（17），第一会聚透镜（18），第二会聚透镜（19），第三会聚透镜（20）；

（2）、激光器（1）发出的单模连续光经过窄带滤光片（2）滤光后，入射至积分球（3）的输入端，经积分球（3）输出后的均匀光通过传导光纤第一多模光纤（4）和第二多模光纤（5）分别连接到第一光纤分束器（6）和第二光纤分束器（7）；第一光纤分束器（6）将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至第一探测器（8），大部分光通过第一准直透镜（11）准直后经传导光纤连接至FPI（14）锁定通道，锁定通道的输出光经传导光纤连接至第一会聚透镜（18），会聚光经传导光纤连接至第三探测器（15），第二光纤分束器（7）将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至第二探测器（10），大部分光通过第三光纤分束器（9）分成两路，两路光分别经第二会聚准直透镜（12）和第三会聚准直透镜（13）准直后经传导光纤连接至标准具FPI（14）两边缘通道，两边缘通道的输出光分别经传导光纤连接至第二会聚透镜（19）和第三会聚透镜（20），会聚光经传导光纤连接至第四探测器（16）和第五探测器（17）；

（3）、设置标准具FPI（14）控制器改变标准具腔长，入射至标准具FPI（14）锁定通道和信号通道的连续单模激光束同时扫描标准具腔长得到标准具三个通道的透过率曲线。

3.根据权利要求2所述的一种分子散射测风激光雷达中激光频谱测量校准方法，其特征在于，因为Nd:YAG连续激光器（1）发出的连续单模激光束的线宽<1MHz，此时扫描得到的三个通道透过率曲线就是标准具透过率曲线，透过率曲线经过拟合得到透过率函数F_ei(v)，i为1、2、3分别表示标准具的三个通道。

4.一种分子散射测风激光雷达中激光频谱测量校准方法，其特征在于，该测量校准方法的步骤如下：

（1）、建立直接探测Rayleigh测风激光雷达激光谱校准系统，该校准系统包括：Nd:YAG脉冲激光器（1A），窄带滤光片（2），积分球（3），第一多模光纤（4），第二多模光纤（5），第一光纤分束器（6），第二光纤分束器（7），第三光纤分束器（9），模拟大气分子散射通道（22），第一会聚透镜（18），第二会聚透镜（19），第三会聚透镜（20），第四会聚透镜（21），第一准直透镜（11），第二准直透镜（12），第三准直透镜（13），标准具FPI（14），第一探测器（8），第二探测器（10），第三探测器（15），第四探测器（16）和第五探测器（17）；

（2）、激光器（1A）发出的脉冲光经过窄带滤光片（2）滤光后，入射至积分球（3）的输入端，经积分球输出后的均匀光通过传导光纤第一多模光纤（4）和第二多模光纤（5）分别连接到第一光纤分束器（6）和模拟大气分子散射通道（22）；第一光纤分束器（6）将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至能量探测器第一探测器（8），大部分光通过第一准直透镜（11）准直后经传导光纤连接至FPI（14）锁定通道，锁定通道的输出光经传导光纤连接至第一会聚透镜（18），会聚光经传导光纤连接至第三探测器（15），经模拟大气分子散射通道（22）的后向散射光经第四会聚透镜（21）收集，由传导光纤连接至第二光纤分束器（7）将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至第二探测器（10），大部分光通过第三光纤分束器（9）分成两路，两路光分别经第二准直透镜（12）和第三准直透镜（13）准直后经传导光纤连接至FPI（14）两边缘通道，两边缘通道的输出光分别经传导光纤连接至第二会聚透镜（19）和第三会聚透镜（20），会聚光经传导光纤连接至第四探测器（16）和第五探测器（17）；

（3）、设置FPI（14）控制器逐步改变标准具腔长，入射至FPI（14）锁定通道的出射激光扫描标准具腔长得到锁定通道出射激光透过率曲线，入射至信号通道的分子散射光扫描标准具腔长得到标准具两个信号通道分子散射光透过率曲线，经函数拟合后得到分子散射光透过率函数N_i(v)。

5.根据权利要求4所述的一种分子散射测风激光雷达中激光频谱测量校准方法，其特征在于，在大气分子散射通道内放置温度传感器和压强传感器测量通道内温度和压强，利用温度和压强测量数据使用Tenti S6模型（Tenti S6 model）得到通道内的瑞利-布里渊（Rayleigh-Brillouin）谱函数F_R-B(v)，分子散射光透过率函数与瑞利-布里渊（Rayleigh-Brillouin）谱函数和标准具透过率函数做反卷积运算得到激光频谱函数F_l(v)。

6.根据权利要求5所述的一种分子散射测风激光雷达中激光频谱测量校准方法，其特征在于，在直接探测Rayleigh测风激光雷达测量风廓线的同时，利用激光雷达垂直发射的激光束探测激光大气传输光路上各个高度处的温度，将温度测量数据带入Tenti S6模型得到激光大气传输光路上各个高度处瑞利-布里渊（Rayleigh–Brillouin）谱函数F_R-B(v)，将标准具透过率校准函数F_ei(v)、瑞利-布里渊（Rayleigh–Brillouin）实测谱F_R-B(v)和激光谱校准函数F_l(v)做卷积运算得到激光大气传输光路上各个高度处分子散射光经标准具的透过率实测函数N_i(v)，利用各个高度上实测函数N_i(v)能够精确反演风场廓线，提高了反演的准确性、可靠性及精度。

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