CN105204014A - 一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，激光雷达发射系统1发射两个波段激光束2和3，激光雷达的后向散射光4通过激光雷达的接收系统5收集，激光雷达的分光和光电系统把接收的后向散射光分成四路信号6，7，8，和9。通过两个波段的激光雷达测量信号得到的方程进行解方程或者拟合。当选取的测量点数i大于系统常数个数k时，即可解得纯转动温度测温激光雷达的全部系统常数。这种方法利用激光雷达信号实现纯转动拉曼激光雷达系统常数的自动标定，不需要借助其它的测量仪器。它的反演精度高，适用范围广，可实现激光雷达大气温度的自动反演和测量。

Description

一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，具体是一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法。

背景技术

大气温度是大气物理、天气预报以及大气环境研究中一个重要的气象参数。目前比较常用的手段有气球探空、卫星反演和激光雷达探测。激光雷达在探测精度、空间分辨率和时间分辨率上的优势使其越来越受到科学技术人员的重视。目前大气温度激光雷达系统常数采用的定标方案是定期采用无线电探空仪进行垂直定标，但由于气球探空成本较高和操作不便，激光雷达难以频繁采用无线电探空仪进行定标修正。同时空管部门对于探空气球的释放具有严格的时域和空域规定，此试验实施上有一定难度。探空气球在空中横向漂移比较严重，此时使用探空仪获取的温度廓线已经不是严格意义上的垂直廓线，对激光雷达温度系统常数进行定标也有一定误差，这些都会影响激光雷达的应用。定标方法的局限性大大限制了大气温度激光雷达的温度数据的实时反演，进而影响其实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，以解决现有技术标定方法存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、利用激光雷达发射系统向大气发射两个波段的激光束，两个波段的激光束波长分别为λ₁和λ₂；

(2)、利用激光雷达接收系统收集大气的后向散射光；

(3)、通过分光和光电系统把激光雷达接收系统收集的后向散射光分成四路信号，即高度z处的激光雷达纯转动拉曼回波信号，分别记为P_H(λ₁,z)、P_L(λ₁,z)、P_H(λ₂,z)和P_L(λ₂,z)，其中H代表高阶量子数的激光雷达纯转动拉曼信号，L代表低阶量子数的激光雷达纯转动拉曼信号；

(4)、从四路信号中选择一段信噪比优于10的回波信号，采用最小二乘法，拟合出λ₁波段的系统常数A_1K以及λ₂波段的系统常数A_2K，其中K为温度拟合公式的系统常数，一般为2个或3个。

所述的一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，其特征在于：测量方向没有限制特别是可以在通常采用的垂直方向探测时实时拟合激光雷达系统常数，以实现温度廓线的实时反演。

所述的一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，其特征在于：选取信号的距离为激光雷达1000-2000km范围。

所述的一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，其特征在于：选择的双波段采用355nm和532nm。

本发明方法利用激光雷达信号实现纯转动拉曼激光雷达系统常数的自动标定，不需要借助其它的测量仪器。它的反演精度高，适用范围广，可实现激光雷达大气温度的自动反演和测量。

附图说明

图1为本发明方法示意图。

具体实施方式

参见图1所示，一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，包括以下步骤：

(1)、利用激光雷达发射系统1向大气发射两个波段的激光束2、3，两个波段的激光束波长分别为λ₁和λ₂；

(2)、利用激光雷达接收系统5收集大气的后向散射光4；

(3)、通过分光和光电系统把激光雷达接收系统5收集的后向散射光分成四路信号6、7、8、9，即高度z处的激光雷达纯转动拉曼回波信号，分别记为P_H(λ₁,z)、P_L(λ₁,z)、P_H(λ₂,z)和P_L(λ₂,z)，其中H代表高阶量子数的激光雷达纯转动拉曼信号，L代表低阶量子数的激光雷达纯转动拉曼信号；

(4)、从四路信号中选择一段信噪比优于10的回波信号，采用最小二乘法，拟合出λ₁波段的系统常数A_1K以及λ₂波段的系统常数A_2K，其中K为温度拟合公式的系统常数，一般为2个或3个。

测量方向没有限制特别是可以在通常采用的垂直方向探测时实时拟合激光雷达系统常数，以实现温度廓线的实时反演。

选取信号的距离为激光雷达1000-2000km范围。

选择的双波段采用355nm和532nm。

纯转动拉曼激光雷达的温度T反演公式可表示为：

T＝f(a_k,Q)(1)

这里f是温度数据的反演函数，Q值为两Raman通道比值，P_H和P_L是高度z处的高阶量子数和低阶量子数的激光雷达纯转动拉曼回波信号；a_k为待定标的系数，k＝2或3代表标定常数的个数。常用的反演公式有：

因此对于λ₁和λ₂波段的纯转动拉曼系统我们有：

$T\left(z\right)=f_1(a_{({\mathrm{\λ}}_1,k)},Q_{{\mathrm{\λ}}_1}(z\left)\right)---\left(2\right)$

$T\left(z\right)=f_2(a_{({\mathrm{\λ}}_2,k)},Q_{{\mathrm{\λ}}_2}(z\left)\right)---\left(3\right)$

为高度z处λ₁波段两个Raman通道比值。为高度z处λ₂波段两个Raman通道比值。是λ₁波段的系统参数；是λ₂波段的系统参数。不同高度的温度函数值的误差达到最小值，最理想误差为零，由最小二乘法原理，即要求定标区间内偏差总和最小，此时可有方程组：

$\{\begin{array}{c}\frac{\∂\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left(f_1\right(z_i)-f_2(z_i\left)\right)}^2}{\∂a_{({\mathrm{\λ}}_1,k)}}=0\\ \frac{\∂\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left(f_1\right(z_i)-f_2(z_i\left)\right)}^2}{\∂a_{({\mathrm{\λ}}_2,k)}}=0\end{array}---\left(4\right)$

因此只要方程数大于2k时就能解出方程。通常我们采用拟合的方法得到系统参数值。垂直测量时，由于温度测量的精度要求很高，近地面数据由于几何重叠因子和盲区的影响，精度要求难以保证，远端信号由于信噪比差,也对定标不利。因此我们选择对于λ₁和λ₂波段都有较好信噪比的区域。数根据反演公式中一般有2个或3个常数，两个方程的的未知数有4个或6个。因此我们可以在探测区间选择波动较小，信噪比满足要求的信号进行拟合计算。这样就可以得到较为准确的系统常数。这种方法利用激光雷达信号实现纯转动拉曼激光雷达系统常数的内部标定，不需要借助其它的测量仪器。它的反演精度高，适用范围广，可实现激光雷达大气温度的自动测量。

Claims (4)

1.一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、利用激光雷达发射系统向大气发射两个波段的激光束，两个波段的激光束波长分别为λ₁和λ₂；

(2)、利用激光雷达接收系统收集大气的后向散射光；

(3)、通过分光和光电系统把激光雷达接收系统收集的后向散射光分成四路信号，即高度z处的激光雷达纯转动拉曼回波信号，分别记为P_H(λ₁,z)、P_L(λ₁,z)、P_H(λ₂,z)和P_L(λ₂,z)，其中H代表高阶量子数的激光雷达纯转动拉曼信号，L代表低阶量子数的激光雷达纯转动拉曼信号；

(4)、从四路信号中选择一段信噪比优于10的回波信号，采用最小二乘法，拟合出λ₁波段的系统常数A_1K以及λ₂波段的系统常数A_2K，其中K为温度拟合公式的系统常数，一般为2个或3个。

2.根据权利要求1所述的一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，其特征在于：测量方向没有限制特别是可以在通常采用的垂直方向探测时实时拟合激光雷达系统常数，以实现温度廓线的实时反演。

3.根据权利要求1所述的一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，其特征在于：选取信号的距离为激光雷达1000-2000km范围。

4.根据权利要求1所述的一种双波段纯转动拉曼激光雷达系统常数的自标定方法，其特征在于：选择的双波段采用355nm和532nm。