CN104076345B - 一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用纯转动拉曼激光雷达测量大气温度的方法，属于测量技术领域。本发明方法首先获取纯转动拉曼激光雷达的原始高低阶回波信号，并得到去除背景的高低阶通道回波信号；然后判断是否出现近地面光子数饱和现象，如果出现，则通过采用选取不同倍增系统的电子鉴别水平μ值，来实现对近地面光子数饱和的修正，这样就能够从光子计数非线性的深层次原因，即脉冲高度分布和电子鉴别水平，来分析出现近地面饱和现象的原因，利用修正后的高低阶通道回波信号进行温度反演过程，提高纯转动拉曼激光雷达测量大气温度廓线的精度。

Description

一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法

技术领域

本发明涉及一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法，属于测量技术领域。

背景技术

当前对大气温度探测的激光雷达方法主要有瑞利散射密度法、差分吸收光谱法、振动拉曼光谱法和纯转动拉曼光谱法等。瑞利散射密度法是基于瑞利散射强度与大气分子密度之间的依存关系来反演大气分子密度，其适用条件是洁净的空气，认为大气透过率函数近似为1，低层大气中较高浓度的气溶胶使得其适用范围为30公里以上的高层大气。差分吸收光谱法是基于氧气的吸收光谱，要求高稳定性的两束激光不同的频率，通过探测氧气吸收光谱内和吸收谱外的信号来反演大气分子溶度，其要求激光器参数较高而忽视了大气中各种散射的影响。振动拉曼光谱法是基于振动拉曼散射强度与温度的依存关系，其信号较弱，信噪比较低，对后续的接收设备有很高的要求。同时低层大气气溶胶分布的剧烈变化会给大气透过率校正带来影响，也导致其不能很好的测量大气温度。转动拉曼光谱法是基于转动拉曼散射强度与温度之间的关系，通过检测散射光中心频率一定偏移处的回波信号来反演大气温度。回波信号为光子量级，使得此种方法适用于低层大气。气溶胶和分子消光项除了影响回波信号的强度外，对测量精度基本没有影响，能够很好的测量低层大气温度。

1972年，Cooney提出了利用转动拉曼激光雷达测量大气温度，其基本原理是基于转动拉曼谱线强度与温度之间的关系来进行大气温度廓线的反演。在对于对流层中的温度进行反演的激光雷达中，转动拉曼激光雷达已经成为可靠性最高的。同时，在测量对流层温度廓线时，其仍然有较高的空间分辨率。现今，测量对流层内大气温度廓线的光源波长主要是532nm和355nm波长，前者主要是由于其高的激光能量和接收效率而被接受，而后者主要是因为转动拉曼后向散射系数与波长的四次方成反比而被大家所推崇，同时紫外波段的光源对于眼睛的伤害更小。

对于大气温度廓线的反演过程主要是有两种方法，即一次项式拟合和二次项式拟合，在拟合的过程中，都会采用一定高度区间的回波数据与无线电探空仪测得的探空温度曲线或者是已经定标的卤素灯来完成定标过程，求解出相应的参数来完成温度廓线的反演过程。在修正技术中，主要是从几何因子和反演温度与探空温度之间差异来实现。对于近地面的强回波信号在经过倍增系统后，考虑到脉冲高度分布和电子鉴别水平的选择这两个因素，会出现光子计数器计数非线性的情况(饱和现象)。德国的RAMSES雷达系统考虑采用的是在高度层进行分层采集的形式来避免饱和现象的产生，对近地面层和高层采用不同的采集系统，同时采用不同的衰减片，这样在保证信号信噪比的同时，能够有效的降低饱和现象的发生率，但该方法的缺陷是对近地面的大气温度测量不准确。另外，美国NASA的GSFC和CNRS两个雷达系统采用的是饱和修正的方式，GSFC系统依靠的是系统的时间分辨率，而CNRS系统依靠的是探测系统的计数速率的最大值，而这两项参数在实际的实验中很难能够准确的得到，因此对近地面大气温度的测量误差较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于纯转动拉曼激光雷达测量温度时近地面光子数饱和的修正方法，本方法能够在近地面出现光子数饱和的情况下，通过修正高阶回波信号廓线和低阶回波信号廓线，提高纯转动拉曼激光雷达测量大气温度廓线的精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法，其操作步骤为：

步骤1：获取纯转动拉曼激光雷达的原始高阶回波信号(用符号P₁表示)和原始低阶回波信号(用符号P₂表示)；

步骤2：将纯转动拉曼激光雷达获得的原始高阶回波信号P₁的后5公里回波信号的平均值作为高阶通道的背景噪声(用符号P₀₁表示)；将纯转动拉曼激光雷达获得的原始低阶回波信号P₂的后5公里回波信号的平均值作为低阶通道的背景噪声(用符号P₀₂表示)；

步骤3：用原始高阶回波信号P₁减去高阶通道的背景噪声P₀₁，得到去除背景的高阶通道回波信号(用符号P₁₀表示)，即P₁₀＝P₁-P₀₁；用原始低阶回波信号P₂减去低阶通道的背景噪声P₀₂，得到去除背景的低阶通道回波信号(用符号P₂₀表示)，即P₂₀＝P₂-P₀₂；

步骤4：判断是否出现近地面光子数饱和现象，如果出现，则进行步骤5的操作。否则，进行步骤6的操作。

所述判断是否出现近地面光子数饱和现象的方法为：

步骤4.1：求解出1公里以下高度层内高低阶回波信号比值的最小值以及对应的高度；所述高低阶回波信号比值是高阶回波信号和低阶回波信号的比值。

步骤4.2：计算得到3公里处高低阶回波信号比值；

步骤4.3：绘制3公里以内高低阶回波信号比值与高度曲线图；所述曲线图位于二维直角坐标系上，横坐标轴为高低阶回波信号比值，纵坐标轴为高度值。在所述曲线图上，找到步骤4.1得到的1公里以下高度层内高低阶回波信号比值的最小值对应的点以及步骤4.2得到的3公里处高低阶回波信号比值对应的点，并进行连线，将该连线作为基准线。若在3公里高度层以下，高低阶回波信号比值廓线的一部分位于基准线的右侧，则判断出现近地面光子数饱和现象。

步骤5：考虑系统几何因子对于系统采集回波信号的影响，对于1.5-12公里内，去除背景的高阶通道回波信号P₁₀和去除背景的低阶通道回波信号P₂₀进行修正，具体过程为：

步骤5.1：得到修正高度范围内高阶通道的最大回波光子数(用符号N_max表示)和低阶通道的最大回波光子数(用符号N′_max表示)。

步骤5.2：通过公式(1)修正预设高度范围内高阶通道的回波信号，得到修正后的去除背景高阶通道回波信号(用符号P′₁₀表示)。

$P_{10}^{\′}=(1-\mathrm{\μ})P_{10}\exp [-\frac{P_{10}}{N_{\max }}]+(\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{2!})\frac{P_{10}^2}{N_{\max }}\exp [-\frac{P_{10}}{N_{\max }}]---\left(1\right)$

其中，μ为电子鉴别水平参数，μ∈[0,1]；exp[·]表示以自然常数e为底的指数函数。

步骤5.3：通过公式(2)修正高度范围内低阶通道的回波信号，得到修正后的去除背景低阶通道回波信号(用符号P′₂₀表示)。

$P_{20}^{\′}=(1-\mathrm{\μ})P_{20}\exp [-\frac{P_{20}}{N_{\max }^{\′}}]+(\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{2!})\frac{P_{20}^2}{N_{\max }^{\′}}\exp [-\frac{P_{20}}{N_{\max }^{\′}}]---\left(2\right)$

步骤6：利用小波分析方法对修正后的去除背景高阶通道的回波信号P′₁₀进行滤波操作后，得到去噪后的高阶通道回波信号(用符号P″₁₀表示)，利用小波分析方法对修正后的去除背景低阶通道的回波信号P′₂₀进行滤波操作后，得到去噪后的低阶通道回波信号(用符号P″₂₀表示)

步骤7：选取3至9公里范围内的高度层作为定标高度层，将定标高度层内无线电探空仪测得的温度廓线与定标高度层内的去噪后的高低阶回波信号比值曲线，通过公式(3)在定标高度层内进行二次项式拟合。

$A{\left[\ln \left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\right]}^2+B\left[\ln \left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\right]+C=\frac{1}{T_{\mathrm{cli}}}---\left(3\right)$

其中，A、B和C为3个定标系数值，可通过公式(3)拟合得到；Tcli为定标高度层内无线电探空仪测得的温度。

步骤8：利用步骤7得到的A、B和C定标系数值，通过公式(4)对K公里以下高度内进行温度廓线的反演计算，K∈[9,12]。

$T=\frac{1}{A{\left[\ln \left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\right]}^2+B\left[\ln \left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\right]+C}---\left(4\right)$

其中，T为0至K公里范围内的反演温度。

经过上述步骤的操作，即可得到纯转动拉曼激光雷达测量温度经过修正后的温度廓线。

有益效果

由于本发明采用选取不同倍增系统的电子鉴别水平μ值，来实现对近地面光子数饱和的修正，这样就能够从光子计数非线性的深层次原因，即脉冲高度分布和电子鉴别水平，来分析出现近地面饱和现象的原因，利用修正后的高低阶回波信号进行温度反演过程，从温度的均方根误差角度出发，提高了高度层内的温度误差精度。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法的操作流程图；

图2为本发明具体实施方式中3公里以内高低阶回波信号比值与高度曲线图；

图3为本发明具体实施方式中经过光子饱和修正后的反演温度与探空温度对比图；

图4为本发明具体实施方式中经过光子饱和修正后的反演温度和探空温度间的绝对误差与高度的曲线；

图5为本发明具体实施方式中未经过光子饱和修正的反演温度与探空温度对比图；

图6为本发明具体实施方式中未经过光子饱和修正的反演温度和探空温度间的绝对误差与高度的曲线。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将结合1个具体实施例以及附图对本发明的技术方案进行更完整的描述。

本实施例中，使用本发明提出的一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法对2012.04.06晚19:21-21:44测得纯转动拉曼激光雷达数据进行修正，其操作流程如图1所示，具体操作步骤为：

步骤1：获取纯转动拉曼激光雷达的原始高阶回波信号P₁和原始低阶回波信号P₂；

步骤2：将纯转动拉曼激光雷达获得的原始高阶回波信号P₁的后5公里回波信号的平均值作为高阶通道的背景噪声P₀₁；将纯转动拉曼激光雷达获得的原始低阶回波信号P₂的后5公里回波信号的平均值作为低阶通道的背景噪声P₀₂；

步骤3：用原始高阶回波信号P₁减去高阶通道的背景噪声P₀₁，得到去除背景的高阶通道回波信号P₁₀，即P₁₀＝P₁-P₀₁；用原始低阶回波信号P₂减去低阶通道的背景噪声P₀₂，得到去除背景的低阶通道回波信号P₂₀，即P₂₀＝P₂-P₀₂；

步骤4：判断是否出现近地面光子数饱和现象。

所述判断是否出现近地面光子数饱和现象的方法为：

步骤4.1：求解出1公里以下高度层内高低阶回波信号比值的最小值为0.8965，高度为0.3公里；

步骤4.2：计算得到3公里处高低阶回波信号比值为0.8379；

步骤4.3：绘制3公里以内高低阶回波信号比值与高度曲线图，如图2所示。在图2上，找到步骤4.1得到的1公里以下高度层内高低阶回波信号比值的最小值对应的点，如图2上A点，以及步骤4.2得到的3公里处高低阶回波信号比值对应的点，如图2上B点，并将A、B点进行连线，将线段AB作为基准线。由于在3公里高度层以下，高低阶回波信号比值廓线的一部分位于基准线的右侧，因此判断出现近地面光子数饱和现象，进行步骤5的操作。

步骤5：考虑系统几何因子对于系统采集回波信号的影响，对于1.5-12公里内，去除背景的高阶通道回波信号P₁₀和去除背景的低阶通道回波信号P₂₀进行修正，具体过程为：

步骤5.1：得到修正高度范围内高阶通道的最大回波光子数N_max和低阶通道的最大回波光子数N′_max。

步骤5.2：通过公式(1)修正高度范围内高阶通道的回波信号，得到修正后的去除背景高阶通道回波信号P′₁₀，公式(1)中，μ＝0。

步骤5.3：通过公式(2)修正高度范围内低阶通道的回波信号，得到修正后的去除背景低阶通道回波信号P′₂₀，公式(2)中，μ＝0。

步骤6：利用小波分析方法对去除背景高阶通道的回波信号进行滤波操作后，得到去噪后的高阶通道回波信号P″₁₀，利用小波分析方法对去除背景低阶通道的回波信号进行滤波操作后，得到去噪后的低阶通道回波信号P″₂₀

步骤7：选取3至9公里范围内的高度层作为定标高度层，将定标高度层内无线电探空仪测得的温度廓线与定标高度层内的去噪后的高低阶回波信号比值曲线，通过公式(3)在定标高度层内进行二次项式拟合，得到A、B和C为3个定标系数值。

步骤8：利用步骤7得到的A、B和C定标系数值，通过公式(4)对K公里以下高度内进行温度廓线的反演计算，K＝9。

经过上述步骤的操作，即可得到纯转动拉曼激光雷达测量温度经过修正后的温度廓线，如图3所示。反演温度、探空温度间的绝对误差值与高度间的曲线关系如图4所示。

为了说明本发明方法的效果，通过公式(5)计算纯转动拉曼激光雷达所测温度的均方根误差值(用符号RMS表示)。

$\text{RMS=}\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{cli}}-T)}^2}{n-1}}---\left(5\right)$

其中，n为K公里内的回波数据个数，Δt为纯转动拉曼激光雷达的垂直分辨率，本实施例中，Δt＝0.03公里。

经过计算，RMS＝1.2940开尔文。当所测温度的均方根误差值RMS小于1.5开尔文时，认为步骤6得到的0至9公里范围内的反演温度廓线T精度较高。

同时，采用相同的雷达数据，不进行光子数饱和修正，即采用的方法与本发明提出的方法类似，区别仅在于没有步骤4和步骤5的操作，得到的反演温度廓线如图5所示，反演温度、探空温度间的绝对误差值与高度间的曲线关系如图6所示。进一步通过公式(5)计算纯转动拉曼激光雷达所测温度的均方根误差值RMS＝2.5240开尔文。

通过对比实验，可得出本发明提出的方法精度更高的结论。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法，其特征在于：其操作步骤为：

步骤1：获取纯转动拉曼激光雷达的原始高阶回波信号P₁和原始低阶回波信号P₂；

步骤2：将纯转动拉曼激光雷达获得的原始高阶回波信号P₁的后5公里回波信号的平均值作为高阶通道的背景噪声P₀₁；将纯转动拉曼激光雷达获得的原始低阶回波信号P₂的后5公里回波信号的平均值作为低阶通道的背景噪声P₀₂；

步骤3：用原始高阶回波信号P₁减去高阶通道的背景噪声P₀₁，得到去除背景的高阶通道回波信号P₁₀，即P₁₀＝P₁-P₀₁；用原始低阶回波信号P₂减去低阶通道的背景噪声P₀₂，得到去除背景的低阶通道回波信号P₂₀，即P₂₀＝P₂-P₀₂；

步骤4：判断是否出现近地面光子数饱和现象，如果出现，则进行步骤5的操作；否则，进行步骤6的操作；

所述判断是否出现近地面光子数饱和现象的方法为：

步骤4.1：求解出1公里以下高度层内高低阶回波信号比值的最小值以及对应的高度；所述高低阶回波信号比值是高阶回波信号和低阶回波信号的比值；

步骤4.2：计算得到3公里处高低阶回波信号比值；

步骤4.3：绘制3公里以内高低阶回波信号比值与高度曲线图；所述曲线图位于二维直角坐标系上，横坐标轴为高低阶回波信号比值，纵坐标轴为高度值；在所述曲线图上，找到步骤4.1得到的1公里以下高度层内高低阶回波信号比值的最小值对应的点以及步骤4.2得到的3公里处高低阶回波信号比值对应的点，并进行连线，将该连线作为基准线；若在3公里高度层以下，高低阶回波信号比值廓线的一部分位于基准线的右侧，则判断出现近地面光子数饱和现象；

步骤5：考虑系统几何因子对于系统采集回波信号的影响，对于1.5-12公里内，去除背景的高阶通道回波信号P₁₀和去除背景的低阶通道回波信号P₂₀进行修正，具体过程为：

步骤5.1：得到修正高度范围内高阶通道的最大回波光子数N_max和低阶通道的最大回波光子数N′_max；

步骤5.2：通过公式(1)修正预设高度范围内高阶通道的回波信号，得到修正后的去除背景高阶通道回波信号P′₁₀；

$P_{10}^{\′}=(1-\mathrm{\μ})P_{10}\exp \[-\frac{P_{10}}{N_{\max }}\]+(\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{2!})\frac{P_{10}^2}{N_{\max }}\exp \[-\frac{P_{10}}{N_{\max }}\]---\left(1\right)$

其中，μ为电子鉴别水平参数，μ∈[0,1]；exp[·]表示以自然常数e为底的指数函数；

步骤5.3：通过公式(2)修正高度范围内低阶通道的回波信号，得到修正后的去除背景低阶通道回波信号P′₂₀；

$P_{20}^{\′}=(1-\mathrm{\μ})P_{20}\exp \[-\frac{P_{20}}{N_{\max }^{\′}}\]+(\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{2!})\frac{P_{20}^2}{N_{\max }^{\′}}\exp \[-\frac{P_{20}}{N_{\max }^{\′}}\]---\left(2\right)$

步骤6：利用小波分析方法对修正后的去除背景高阶通道的回波信号P′₁₀进行滤波操作后，得到去噪后的高阶通道回波信号P″₁₀，利用小波分析方法对修正后的去除背景低阶通道的回波信号P′₂₀进行滤波操作后，得到去噪后的低阶通道回波信号P″₂₀

步骤7：选取3至9公里范围内的高度层作为定标高度层，将定标高度层内无线电探空仪测得的温度廓线与定标高度层内的去噪后的高低阶回波信号比值曲线，通过公式(3)在定标高度层内进行二次项式拟合；

$A{\[ln\left(\frac{P_0^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\]}^2+B\[ln\left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\]+C=\frac{1}{T_{cli}}---\left(3\right)$

其中，A、B和C为3个定标系数值，可通过公式(3)拟合得到；Tcli为定标高度层内无线电探空仪测得的温度；

步骤8：利用步骤7得到的A、B和C定标系数值，通过公式(4)对K公里以下高度内进行温度廓线的反演计算，K∈[9,12]；

$T=\frac{1}{A{\[ln\left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\]}^2+B\[ln\left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\]+C}---\left(4\right)$

其中，T为0至K公里范围内的反演温度；

经过上述步骤的操作，即可得到纯转动拉曼激光雷达测量温度经过修正后的温度廓线。