CN104345319B - 一种非相干多普勒激光雷达风速的误差校正方法 - Google Patents

Abstract

非相干多普勒激光雷达风速的误差校正方法，包括对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝0时的零风速比值r₀；径向风速为V_LOS测＝–Δνλ/2时的风速比R_W,+；径向风速为V_LOS测＝Δν’λ/2时的风速比R_W,–；通过最小二乘法求出dR_W/dν得到灵敏度S，将发射激光频率调节到基准频率ν0处，测量东、西、南、北四个方向的风速比并分别除以灵敏度S得到各个方向的测量径向风速，合成得到测量风速V_M；计算误差表；根据灵敏度S、各个方向的测量径向风速查找对应的误差dV，实际径向风速V_LOS等于测量径向风速V_M和误差dV的差。本发明能够最大限度消除理论计算时大气温度和大气分子散射模型引入的约3m/s的风速误差，提高非相干多普勒激光雷达的风速测量精度，测量时间短，方便快捷。

Description

一种非相干多普勒激光雷达风速的误差校正方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及碘分子滤波器的非相干测风激光雷达中基于灵敏度精确直接测量所得风速的误差非线性校正方法——非相干多普勒激光雷达风速的误差校正方法。

背景技术

多普勒激光雷达进行风速测量时，根据多普勒原理，表征风速的大气分子或气溶胶粒子的整体运动，会使后向散射激光的频率发生偏移，即多普勒频移。径向风速为V_LOS时，大气后向散射光产生的多普勒频移为Δν＝–2V_LOS/λ(其中λ为激光波长)。非相干多普勒激光雷达的频率检测器件(如碘分子吸收滤波器)具有陡峭的吸收边缘(图1)，其吸收强度随频率的变化而迅速变化。因此，大气后向散射光通过碘分子吸收器时，随着径向风速V_LOS引起的多普勒频移Δν的不同，后向散射光的透过率发生相应的变化。非相干多普勒激光雷达通过探测后向散射光的透过率，根据透过率与径向风速的关系，反演出径向风速，进而得到水平风速。

非相干多普勒激光雷达的测量值是大气后向散射光通过碘分子吸收器时的透过率，即测量通道与参考通道的比值，定义为风速比R_W。为了从测量值(风速比R_W)反演出径向风速，必须首先得到测量值与径向风速V_LOS的关系，即灵敏度。

灵敏度是指测量仪器对一个单位的被测值的响应率，它是描述一个测量仪器的重要指标，通常用来表示一个测量仪器的测量能力。对于非相干多普勒激光雷达来说，通过测量两个通道的比值，即风速比，来得到径向风速。因此，我们将测风激光雷达的灵敏度S定义为，单位径向风速引起的风速比的变化率：

$S=\frac{1}{r_0}\frac{{\mathrm{dR}}_W}{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{LOS}}}=-\frac{2}{\mathrm{\λ}}\frac{d{R}_W}{\mathrm{dv}}---\left(1\right)$

其中，r₀是径向风速V_LOS＝0时的风速比，即零风速比值，ν是激光频率，系数k＝–2/λ是单位径向风速(V_LOS＝1m/s)引起的Doppler频移，激光波长λ＝532nm时，k＝–3.76MHz/(m/s)。

原有的风速反演方法通过理论计算得到灵敏度，首先利用标准大气模型中大气温度的垂直分布数据，根据大气分子散射模型(高斯模型)，计算出大气分子的后向散射光谱，再根据计算得到的大气分子散射光谱和碘分子吸收线的光谱，计算得到零风速比值r₀以及不同径向风速V_LOS对应的风速比R_W，从而得到灵敏度S。由于该方法是先通过测量其他相关参数，然后通过理论计算而得到灵敏度的，实际上不是一种直接测量的方法。

另外，根据专利文献200510029675.X瑞利测风激光雷达的标定装置及其标定方法，在假设大气分子散射光谱已知的情况下，也可以得到风速比与径向风速的关系，即灵敏度。该方法仍然属于非直接测量方法中的一种。

总之以上方法都不是直接测量方法，也没有考虑大气温度的偏差和大气分子散射模型本身的误差。比如在大气分子散射为主的情况下，由于标准大气模型的温度与实际温度的偏差，以及大气分子散射模型(高斯模型)本身的误差，引入的径向风速测量误差约为1m/s，由此引入的水平风速的反演误差约为3m/s。

发明内容

本发明的目的是提供一种非相干多普勒激光雷达风速的误差校正方法，以克服已有技术的不足，尤其是消除大气温度和大气分子散射模型引入的约3m/s的风速反演误差。

本发明包括两部分：

首先，非相干多普勒激光雷达通过调节激光雷达的发射激光频率，直接测量激光雷达的风速灵敏度，消除了由于大气分子散射模型的理论计算误差引入的风速测量误差。其次，误差校正方法针对灵敏度直接测量方法得到的风速引入的误差进行校正，提高风速反演精度。

本发明不需要对系统硬件结构进行改动，只需要采用所述的灵敏度直接测量方法，即可实现灵敏度的精确测量。消除大气分子散射为主时由于大气温度和分子散射模型引入的约3m/s的风速反演误差，提高非相干多普勒激光雷达的风速测量精度。

在本发明的研究过程中发现：在大气分子散射为主的情况下，由于大气分子散射的光谱展宽较宽，其中心频率变化时，相应的激光雷达测量值(风速比)呈线性变化，因此灵敏度是不随径向风速而变化的常数。所以只需测得径向风速V_LOS与风速比R_W的线性关系，就可以计算出灵敏度S。

本发明的灵敏度直接测量方法的原理是：调节发射激光频率，使其偏离激光工作的基准频率(图1中相对频率为零处)，将频移为Δν和Δν’的发射激光发射到大气中，利用激光雷达探测实际的大气后向散射光信号，以消除理论计算引入的误差。探测到的大气后向散射光与发射激光具有相同的频移，并且该频移等效于径向风速V_LOS＝–Δνλ/2(或V_LOS＝–Δν’λ/2)时对应的多普勒频移Δν(Δν’)。所以实际测量得到的就是径向风速为V_LOS时的风速比R_W。不断改变发射激光的频率，就可以得到不同径向风速对应的风速比R_W，从而获得灵敏度S。

本发明的灵敏度非线性误差校正方法的原理是：通过扫描碘的吸收线数据与大气分子、气溶胶的后向散射信号数据进行模拟分析，得到不同气溶胶含量时对应不同灵敏度曲线S与径向风速V_LOS的对应关系。根据直接测量方法，将灵敏度曲线近似直线处理得到直接测量灵敏度，进而得到测量风速V_M，其中误差dV用径向风速V_LOS与测量风速V_M的差表示。最后可以计算得到横坐标是测量灵敏度，纵坐标是测量径向风速的校正误差表。通过灵敏度直接测量方法得到的测量灵敏度与测量径向风速进行查找表方式校正。

本发明的具体实现步骤如下：

一种非相干多普勒激光雷达风速的误差校正方法，

1.通过调节激光雷达的扫描转镜，改变激光的发射方向，使激光束垂直向上发射；

2.通过设置激光器的控制电压，调节种子激光器激光晶体的温度，以改变种子激光的频率，从而改变激光雷达发射激光的频率；

3.利用步骤2的改变激光雷达发射激光的频率的方法，首先将发射激光频率调节到基准频率ν₀处，对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝0时的零风速比值r₀；

其特征在于包括以下步骤：

4.利用步骤2的改变激光雷达发射激光的频率的方法，将发射激光频率调节到ν₀+Δν处，对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝–Δνλ/2时的风速比R_W,+；

其中，Δν是透过率为0.7时所对应的频率与基准频率的偏差，λ是激光波长λ＝532nm；

5.利用步骤2的改变激光雷达发射激光的频率的方法，将发射激光频率调节到ν₀–Δν’处，对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝Δν’λ/2时的风速比R_W,–；

其中，Δν’是透过率为0.3时所对应的频率与基准频率的偏差，λ是激光波长λ＝532nm；

6.利用步骤3测得的零风速比值r₀以及步骤4和步骤5测得的风速比R_W,+和R_W,-，通过最小二乘法求出dR_W/dν，进而得到灵敏度S。如上述公式(1)中灵敏度的表达式。

根据步骤6得到的灵敏度S进行风速计算：

7.将发射激光频率调节到基准频率ν0处，测量东、西、南、北四个方向的风速比R_W东、R_W西、R_W南、R_W北的变化率，并以四个方向的风速比变化率分别除以步骤6得到的灵敏度S，得到各个方向的测量径向风速V_M东、V_M西、V_M南、V_M北，合成V_M东、V_M西、V_M南、V_M北得到测量风速V_M。

然后对上述步骤7得到的风速的误差进行校正：包括8.计算得到误差表的步骤和9.利用误差表计算实际径向风速V_LOS的步骤，

8.计算得到误差表：此步骤可以在步骤1前完成，并将校正表数据保存，可以一次完成，其具体过程如下：

通过扫描碘的吸收线得到碘的吸收线数据，对碘的吸收线数据与已有的大气分子、气溶胶的后向散射信号数据进行模拟分析，得到风速比R_W模，进而得到不同多普勒频移时不同灵敏度模拟曲线S_模与模拟径向风速V_LOS模的对应关系；并根据多普勒频移与风速固有的对应关系得到模拟风速；

将灵敏度模拟曲线S_模近似直线处理得到模拟测量灵敏度，进而得到该模拟测量灵敏度对应的模拟风速V_M模，用模拟径向风速V_LOS模与上述模拟风速V_M模的差表示误差dV；误差dV不仅随着测量风速变化，而且随着测量灵敏度变化，故误差dV是涉及三个量的三维结构，可将dV视为误差表，其X坐标是上述模拟测量灵敏度，Y坐标是模拟风速V_M模，Z坐标是误差dV。

9.根据步骤6得到的灵敏度S、步骤7得到的各个方向的测量径向风速V_M东、V_M西、V_{M 南}、V_M北，通过步骤8得到的误差表查找对应的误差dV，实际径向风速V_LOS等于测量径向风速V_M和误差dV的差。

本发明与现有技术相比，主要优点在于：

1.本方法通过直接测量大气分子的后向散射信号获得非相干多普勒激光雷达的灵敏度，不需要经过理论计算，因此不依赖于对大气温度和大气分子散射模型的假设。

2.本方法能够最大限度消除理论计算时大气温度和大气分子散射模型引入的约3m/s的风速误差，提高非相干多普勒激光雷达的风速测量精度。

3.灵敏度的直接测量过程，通过设定不同的发射激光频率，精确模拟径向风速对系统的影响，得到径向风速与风速比的关系，从而获得灵敏度。

4.为了得到大气分子散射为主时的灵敏度，只需设定3个不同的发射激光频率，测量时间短，方便快捷。

5.本方法原理简单，操作过程易于实现。不需要对原有的硬件系统进行改动，只需要通过改变控制电压，设定不同的发射激光频率即可实现灵敏度的直接测量。

6.误差表可以一次完成，通过精确得到的误差表可以保存成软件可读取的文件格式(具体格式可以根据不同需要生成)，计算过程中直接查找此误差表对其校正即可。

附图说明：

图1是归一化的碘分子1109吸收线的透过率(碘泡和碘指温度分别为70℃和65℃)。

图2是非相干多普勒激光雷达系统框图。

图3是测量风速为±60m/s以内、测量灵敏度为2.5‰至1.5％时的误差表。

具体实施方式：

一种非相干多普勒激光雷达风速的误差校正方法，

1.通过调节激光雷达的扫描转镜，改变激光的发射方向，使激光束垂直向上发射；激光雷达的发射激光垂直发射时，由于水平风速对径向风速的贡献为零，而垂直风速通常很小，对径向风速的影响也可以忽略不计，所以激光束垂直发射时径向风速为零。

2.通过设置激光器的控制电压，调节种子激光器激光晶体的温度，以改变种子激光的频率，从而改变激光雷达发射激光的频率；

3.利用步骤2的改变激光雷达发射激光的频率的方法，首先将发射激光频率调节到基准频率ν₀处，对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝0时的零风速比值r₀；将发射激光频率调节到基准频率ν₀处时，该基准频率ν₀是激光雷达进行风速测量时的发射激光频率，也是径向风速为零时大气后向散射光谱的中心频率，所以激光垂直发射时，激光雷达的测量值就是径向风速为零时的风速比r₀；

4.利用步骤2的改变激光雷达发射激光的频率的方法，将发射激光频率调节到ν₀+Δν处，对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝–Δνλ/2时的风速比R_W,+；

其中，Δν是透过率为0.7时所对应的频率与基准频率的偏差，λ是激光波长λ＝532nm；如图1中纵坐标为0.7时曲线所对应横坐标的频率；

5.利用步骤2的改变激光雷达发射激光的频率的方法，将发射激光频率调节到ν₀–Δν’处，对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝Δν’λ/2时的风速比R_W,–；

其中，Δν’是透过率为0.3时所对应的频率与基准频率的偏差，λ是激光波长λ＝532nm，如图1中纵坐标为0.3时曲线所对应横坐标的频率；

6.利用步骤3测得的零风速比值r₀以及步骤4和步骤5测得的风速比R_W,+和R_W,-，通过最小二乘法求出dR_W/dν，进而得到灵敏度S。

根据步骤6得到的灵敏度S进行风速计算：

7.将发射激光频率调节到基准频率ν0处，测量东、西、南、北四个方向的风速比R_W东、R_W西、R_W南、R_W北的变化率，并以四个方向的风速比变化率分别除以步骤6得到的灵敏度S，得到各个方向的测量径向风速V_M东、V_M西、V_M南、V_M北，合成V_M东、V_M西、V_M南、V_M北得到测量风速V_M。

对上述步骤7得到的风速的误差进行校正：

8.计算得到误差表：此步骤可以在测量前完成，并将校正表数据保存，可以一次完成，其具体过程如下：

通过扫描碘的吸收线得到碘的吸收线数据，对碘的吸收线数据与已有的大气分子、气溶胶的后向散射信号数据进行模拟分析，得到风速比R_W模，进而得到不同多普勒频移时不同灵敏度模拟曲线S_模与模拟径向风速V_LOS模的对应关系；并根据多普勒频移与风速固有的对应关系得到模拟风速；

将灵敏度模拟曲线S_模近似直线处理得到模拟测量灵敏度，进而得到该模拟测量灵敏度对应的模拟风速V_M模，用模拟径向风速V_LOS模与上述模拟风速V_M模的差表示误差dV；误差dV不仅随着测量风速变化，而且随着测量灵敏度变化，故误差dV是三维结构，可将误差dV视为误差表，其X坐标是上述模拟测量灵敏度，Y坐标是模拟风速V_M模，Z坐标是误差dV。如图3是X坐标的测量灵敏度为2.5‰至1.5％、Y坐标的测量风速为±60m/s范围内、Z坐标的误差为±20m/s的一个误差表。

9.根据步骤6得到的灵敏度S、步骤7得到的各个方向的测量径向风速V_M东、V_M西、V_{M 南}、V_M北，通过步骤8得到的误差表查找对应的误差dV，实际径向风速V_LOS等于测量径向风速V_M和误差dV的差。

激光雷达的发射、接收系统如图2所示。发射系统由两个激光器组成，一个是半导体泵浦单纵模Nd:YAG连续光可调谐种子激光器，具有基频1064nm和二倍频532nm两路输出，把532nm的输出激光锁定在碘分子1109吸收线的高频边上(图1中相对频率为零处所在的曲线的斜边上)，用来进行频率稳定，1064nm则注入到另一台Nd:YAG脉冲激光器，用来产生频率稳定的、窄线宽的532nm脉冲激光，作为激光雷达系统的探测光源。激光经扩束镜扩束10倍后，通过一个通光孔径30cm、可以进行方位角和仰角扫描的扫描转镜发射到大气中，带有多普勒频移信息，即风速信息的后向散射光信号进入接收系统，28cm口径的卡赛格林望远镜将光信号收集，经光纤传输给0.11nm带宽的窄带干涉滤光片以滤除白天背景光。之后，将光信号分为两路，一路为测量通道，经过碘分子滤波器进行频率检测；另一路为参考通道，用作能量测量。

Claims (1)

1.一种非相干多普勒激光雷达风速的误差校正方法，包括以下步骤：

1.通过调节激光雷达的扫描转镜，改变激光的发射方向，使激光束垂直向上发射；

2.通过设置激光器的控制电压，调节种子激光器激光晶体的温度，以改变种子激光的频率，从而改变激光雷达发射激光的频率；

3.利用步骤2的改变激光雷达发射激光的频率的方法，首先将发射激光频率调节到基准频率ν₀处，对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝0时的零风速比值r₀；

其特征在于包括以下步骤：

4.利用步骤2的改变激光雷达发射激光的频率的方法，将发射激光频率调节到ν₀+Δν处，对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝–Δνλ/2时的风速比R_W,+；

其中，Δν是透过率为0.7时所对应的频率与基准频率的偏差，λ是激光波长λ＝532nm；

5.利用步骤2的改变激光雷达发射激光的频率的方法，将发射激光频率调节到ν₀–Δν’处，对大气后向散射光进行测量，得到径向风速为V_LOS测＝Δν’λ/2时的风速比R_W,–；

其中，Δν’是透过率为0.3时所对应的频率与基准频率的偏差，λ是激光波长λ＝532nm；

6.利用步骤3测得的零风速比值r₀以及步骤4和步骤5测得的风速比R_W,+和R_W,-，通过最小二乘法求出dR_W/dν，进而得到灵敏度S；

7.将发射激光频率调节到基准频率ν₀处，测量东、西、南、北四个方向的风速比R_W东、R_W西、R_W南、R_W北的变化率，并以四个方向的风速比变化率分别除以上述步骤6得到的灵敏度S，得到各个方向的测量径向风速V_M东、V_M西、V_M南、V_M北，合成V_M东、V_M西、V_M南、V_M北得到测量风速V_M；

8.计算得到误差表：

通过扫描碘的吸收线得到碘的吸收线数据，对碘的吸收线数据与已有的大气分子、气溶胶的后向散射信号数据进行模拟分析，得到风速比R_W模，进而得到不同多普勒频移时不同灵敏度模拟曲线S_模与模拟径向风速V_LOS模的对应关系；并根据多普勒频移与风速固有的对应关系得到模拟风速；

将灵敏度模拟曲线S_模近似直线处理得到模拟测量灵敏度，进而得到该模拟测量灵敏度对应的模拟风速V_M模，用模拟径向风速V_LOS模与上述模拟风速V_M模的差表示误差dV，即为误差表，其X坐标是上述模拟测量灵敏度，Y坐标是模拟风速V_M模，Z坐标是误差dV；

9.利用误差表计算实际径向风速V_LOS：根据上述步骤6得到的灵敏度S、步骤7得到的各个方向的测量径向风速V_M东、V_M西、V_M南、V_M北，通过上述步骤得到的误差表查找对应的误差dV，实际径向风速V_LOS等于测量风速V_M和误差dV的差。