CN106093964B - 一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法 - Google Patents

一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法，本发明通过将钠荧光多普勒激光雷达接收到的大气散射信号的一部分分离出来，透过碘分子吸收光谱仪，利用碘分子在589nm的吸收谱线检测大气瑞利散射信号的光强，进而测量得到大气瑞利散射信号所对应的大气风速和温度信息，使钠荧光多普勒激光雷达的探测高度范围由大气中间层顶区域扩展至平流层、对流层，扩展了钠荧光多普勒激光雷达的大气探测范围。

Description

一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法
技术领域
本发明涉及大气探测技术领域，具体涉及一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法。
背景技术
在利用激光进行大气风场和温度的测量中，589nm激光已经被应用到钠荧光多普勒激光雷达中。钠荧光多普勒激光雷达发射的窄线宽589nm激光使中间层顶区域(约75-105km)的钠原子产生共振荧光，通过接收并分析共振荧光的多普勒频移和展宽获得大气风场和温度。
1990年美国科罗拉多州立大学和伊利诺伊大学合作建立了国际首台钠荧光多普勒激光雷达，进行中间层顶区域(约75-105km)大气温度的探测。2002年美国科罗拉多州立大学的钠荧光多普勒激光雷达升级为两个发射光束，实现了大气风场与温度的同时观测。2011年，中国科学院空间科学与应用研究中心研制完成了中国首台钠荧光多普勒激光雷达，实现了对中间层顶区域大气风场和温度的测量。随后，2012年，中国科学技术大学也完成了钠荧光多普勒激光雷达的研制。钠荧光多普勒激光雷达已成为探测中间层顶区域大气风场和温度的重要手段，对中高层大气的科学研究具有重要的意义。
现有的钠荧光多普勒激光雷达探测得到的信号主要包括大气瑞利散射信号和钠荧光散射信号。大气瑞利散射信号主要来自于对流层与平流层区域；钠荧光散射信号主要来自于中间层顶区域。目前，主要使用钠荧光散射信号进行中间层顶区域的大气风场和温度测量，而对流层、平流层的大气散射信号没有得到利用。2009年，科罗拉多大学开展了利用对流层、平流层大气散射信号探测大气风场的研究工作，使用一钠原子磁光滤波器检测589nm激光散射信号的多普勒频移和展宽。由于钠原子磁光滤波器的结构比较复杂，其稳定性受钠原子泡温度、磁场、光路等多种因素制约，从而限制了其推广使用。
发明内容
本发明的目的在于，为了更好地解决利用钠荧光多普勒激光雷达瑞利散射信号测量大气风场和温度的技术问题，使钠荧光多普勒激光雷达的探测高度范围由大气的中间层扩展至平流层和对流层，本发明提供一种利用589nm激光大气瑞利散射信号测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法。该方法不仅容易实现，而且比较稳定可靠。
为实现上述目的，本发明提供的一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达，包括：激光发射器、大气散射信号接收器、钠荧光散射信号测量器、大气瑞利散射信号测量器、信号采集器；
所述的激光发射器用于向大气发射不同频率的589nm激光，所述的大气散射信号接收器接收由大气中间层顶区域产生的钠荧光散射信号，以及由对流层、平流层产生的大气瑞利散射信号，并将其输出端分两路分别连接钠荧光散射信号测量器和大气瑞利散射信号测量器，所述的钠荧光散射信号测量器接收不同频率的钠荧光散射信号，并通过分析获得中间层顶区域的温度值和风速值；所述的大气瑞利散射信号测量器接收不同频率的大气瑞利散射信号，并测量各频率的大气瑞利散射信号透过该大气瑞利散射信号测量器中设有的碘分子吸收光谱仪的光强后，计算获得对流层、平流层的温度值和风速值，所述的信号采集器用于采集并判读钠荧光散射信号测量器和大气瑞利散射信号测量器输出的电信号，提取光强数据。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的大气瑞利散射信号测量器包括：准直镜、背景光抑制器、碘分子吸收光谱仪、耦合镜和光电探测器；所述的准直镜通过光纤与大气散射信号接收器的输出端连接，并依次连接背景光抑制器、碘分子吸收光谱仪、耦合镜和光电探测器；所述的大气瑞利散射信号依次经准直镜准直操作、背景光抑制器滤除天空背景光及透过碘分子吸收光谱仪后，由耦合镜将大气瑞利散射信号汇聚到光电探测器，并通过该光电探测器测量透过碘分子吸收光谱仪后的信号光强。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的大气散射信号接收器包括两个信号接收通道，所述的两个信号接收通道以两个不同的方向接收钠荧光散射信号和大气瑞利散射信号，且每一个信号接收通道的输出端均分两路连接钠荧光散射信号测量器和大气瑞利散射信号测量器，使得钠荧光散射信号测量器以两路接收来自两个不同方向上的钠荧光散射信号，用于测量大气中间层顶区域的温度值和水平风场，使得大气瑞利散射信号测量器以两路接收来自两个不同方向上的大气瑞利散射信号，用于测量对流层、平流层的温度值和水平风场。
本发明还提供了一种测量大气风场和温度的方法，该方法包括：
步骤1)利用激光发射器依次向大气发射三个不同频率的589nm激光；
步骤2)通过大气散射信号接收器依次接收由大气中间层顶区域产生的三个不同频率的钠荧光散射信号后，执行步骤3)，通过大气散射信号接收器依次接收由对流层、平流层产生的三个不同频率的大气瑞利散射信号后，执行步骤4)；
步骤3)利用钠荧光散射信号测量器测量得到的三个不同频率的钠荧光散射信号所对应的光强N0H(V,T)、NMH(V,T)和NPH(V,T)，定义激光雷达风速测量比和激光雷达温度测量比分别为：
则有测量得到的大气中间层顶区域的风速值和温度值分别为：
其中，SWH和STH分别表示风速测量灵敏度和温度测量灵敏度；
所述的风速测量灵敏度为风速变化1m/s所引起的风速测量比的变化量，其表示为：
所述的温度测量灵敏度为温度变化1K引起的温度测量比的变化量，其表示为：
步骤4)利用光电探测器测量得到透过碘分子吸收光谱仪的三个不同频率的大气瑞利散射信号所对应的光强N0L(V,T)、NML(V,T)和NPL(V,T)，定义激光雷达风速测量比和激光雷达温度测量比分别为：
则有测量得到的大气对流层、平流层的风速值和温度值分别为：
其中，SWL和STL分别表示风速测量灵敏度和温度测量灵敏度；
所述的风速测量灵敏度为风速变化1m/s所引起的风速测量比的变化量，其表示为：
所述的温度测量灵敏度为温度变化1K引起的温度测量比的变化量，其表示为：
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光发射器向大气发射三个589nm激光的频率分别位于钠原子D2a饱和荧光光谱处f0、f0+630MHz和f0-630MHz。
本发明的一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法优点在于：
本发明通过将钠荧光多普勒激光雷达接收到的大气散射信号的一部分分离出来，透过碘分子吸收光谱仪，利用碘分子在589nm的吸收谱线检测大气瑞利散射信号的光强，进而测量得到大气瑞利散射信号所对应的大气风速和温度信息，使钠荧光多普勒激光雷达的探测高度范围由大气中间层顶区域扩展至平流层、对流层，扩展了钠荧光多普勒激光雷达的大气探测范围。
附图说明
图1为碘分子吸收谱线与大气瑞利散射信号透过率曲线的关系视图。
图2为本发明实施例中的一种测量大气风场和温度的装置结构示意图。
图3为本发明实施例中的大气瑞利散射信号测量器结构示意图。
附图标记
1、碘分子吸收谱线
2、碘分子吸收光谱仪对200K、0.267大气压状态下的589nm大气瑞利散射光谱的透过曲线
3、碘分子吸收光谱仪对230K、0.267大气压状态下的589nm大气瑞利散射光谱的透过曲线
4、碘分子吸收光谱仪对260K、0.267大气压状态下的589nm大气瑞利散射光谱的透过曲线
5、钠荧光多普勒激光雷达发射激光频率F0
6、钠荧光多普勒激光雷达发射激光频率FM
7、钠荧光多普勒激光雷达发射激光频率FP
8、激光发射器 9、大气散射信号接收器
10、钠荧光散射信号测量器 11、信号采集器
12、大气瑞利散射信号测量器 13、光纤
14、准直镜 15、背景光抑制器
16、碘分子吸收光谱仪 17、耦合镜
18、光电探测器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法进行详细说明。
研究发现，在钠荧光多普勒激光雷达的激光发射589nm波长处，碘分子存在吸收光谱线，可以用于检测大气散射信号的多普勒频移和展宽。将一定量的碘分子封装在透明的泡体内，经过加热等制作成碘分子吸收光谱仪。由于多普勒展宽和压力展宽等因素，碘分子吸收光谱线具有一定的宽度，如图1中示出的碘分子吸收谱线1形成“U”字形状。它对于不同频率和宽度的大气散射信号的透过率也不同，因此可以通过测量大气散射信号对于碘分子吸收光谱仪的透过率而获得大气散射信号的多普勒频移和展宽，进而得到大气的风场和温度。
具体做法是：钠荧光多普勒激光雷达接收系统接收到的大气散射信号被分为两部分，一部分保持钠荧光多普勒激光雷达原来的光路结构，不经过碘分子吸收光谱仪，另一部分经过碘分子吸收光谱仪。这两部分信号分别用于测量中间层顶区域和对流层、平流层区域的大气风速和温度。其中大气散射信号包括大气瑞利散射信号和钠荧光散射信号，发射激光为短脉冲激光，不同时刻接收到的散射信号即为不同高度的大气瑞利散射信号或钠荧光散射信号。
如图2所示，本发明提供的一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达，包括：激光发射器8、大气散射信号接收器9、钠荧光散射信号测量器10、大气瑞利散射信号测量器12、信号采集器11；
所述的激光发射器8用于向大气发射不同频率的589nm激光，所述的大气散射信号接收器9接收由大气中间层顶区域产生的钠荧光散射信号，以及由对流层、平流层产生的大气瑞利散射信号，并将其收集到的大气散射信号分为两部分，一部分送给钠荧光散射信号测量器10，用于探测中间层大气风场和温度，另一部分送给大气瑞利散射信号测量器12，用于测量平流层、对流层大气风场和温度。在本实施例中，所述的大气散射信号接收器9包括两个信号接收通道，所述的两个信号接收通道以两个不同的方向接收钠荧光散射信号和大气瑞利散射信号，且每一个信号接收通道的输出端均分两路连接钠荧光散射信号测量器10和大气瑞利散射信号测量器12，使得钠荧光散射信号测量器10以两路接收来自两个不同方向上的钠荧光散射信号，用于测量大气中间层顶区域的温度值和水平风场，使得大气瑞利散射信号测量器12以两路接收来自两个不同方向上的大气瑞利散射信号，用于测量对流层、平流层的温度值和水平风场。
所述的钠荧光散射信号测量器10接收各方向上不同频率的钠荧光散射信号，并通过分析获得中间层顶区域的温度值和风速值，所述的大气瑞利散射信号测量器12接收各方向上不同频率的大气瑞利散射信号，并测量各频率的大气瑞利散射信号透过碘分子吸收光谱仪16的光强后，计算获得对流层、平流层的温度值和风速值。所述的信号采集器11用于采集并判读钠荧光散射信号测量器10和大气瑞利散射信号测量器12输出的电信号，由信号采集器11将电信号转化为数字信号，从而提取光强数据。
基于上述结构的钠荧光多普勒激光雷达，如图3所示，在本实施例中，所述的大气瑞利散射信号测量器包括：光纤13、准直镜14、背景光抑制器15、碘分子吸收光谱仪16、耦合镜17和光电探测器18。所述的准直镜14通过光纤13与大气散射信号接收器9的输出端连接，并依次连接背景光抑制器15、碘分子吸收光谱仪16、耦合镜17和光电探测器18；光纤13输出的光信号经准直镜14准直，然后经过背景光抑制器15滤除天空背景光，随后经过碘分子吸收光谱仪16进行多普勒信号频移和展宽的检测，多普勒频移会导致光信号中心频率改变，展宽则是指光信号的频率分布展宽，不同中心频率以及不同宽度的光信号经过碘分子吸收光谱仪之后的透过率不同，而大气瑞利散射光经过碘分子吸收光谱仪后其透射光强就包涵了大气瑞利散射光的频率信息。经过碘分子吸收光谱仪后由耦合镜17将光信号汇聚到光电探测器18的光阴极，并通过该光电探测器18测量透过碘分子吸收光谱仪16后的信号光强。此时可采用光电探测器18内置的光电倍增管将光信号转换为电信号。所述的碘分子吸收光谱仪为密封有碘分子的玻璃泡，并进行恒温控制。
不同温度、风场状态下的大气瑞利散射光信号经过碘分子吸收光谱仪的透过率也不同。碘分子吸收光谱仪的透过率曲线如图中1所示。不同温度下的大气瑞利散射光谱经过碘分子吸收光谱仪的透过率曲线如图中示出的曲线2、3、4所示。
利用上述原理，本发明还提供了一种测量大气风场和温度的方法，包括：
步骤1)利用激光发射器8依次向大气发射三个不同频率的589nm激光；
光信号中心频率位于透过率曲线高的地方则碘分子对其吸收较弱，信号较强；反之信号较弱。图1中示出的曲线5、6、7是钠荧光多普勒激光雷达所发射的频率分别为F0、FM、FP位置的激光。其中，F0位于钠原子D2a饱和荧光光谱处，FM＝F0-630MHz，FP＝F0+630MHz。三个不同频率的激光交替发射，在时间上是分离的。
步骤2)通过大气散射信号接收器9依次接收由大气中间层顶区域产生的三个不同频率的钠荧光散射信号后，执行步骤3)，通过大气散射信号接收器9依次接收由对流层、平流层产生的三个不同频率的大气瑞利散射信号后，执行步骤4)；
步骤3)在上述三个发射激光频率F0、FM、FP工作状态下，利用钠荧光散射信号测量器10测量得到的三个不同频率钠荧光散射信号的光强可以表示为：N0H(V,T)、NMH(V,T)、NPH(V,T)。它们与大气的风速V和温度T有关。
定义激光雷达风速测量比和激光雷达温度测量比分别为：
风速和温度的测量灵敏度分别为SWH、STH，那么，测量得到大气中间层顶区域的风速值和温度值分别为：
其中，所述的风速测量灵敏度为风速变化1m/s所引起的风速测量比的变化量，其表示为：
所述的温度测量灵敏度为温度变化1K引起的温度测量比的变化量，其表示为：
步骤4)在上述三个激光频率工作状态下，利用光电探测器18测量得到经过碘分子吸收光谱仪后的大气瑞利散射信号的光强可以表示为：N0L(V,T)、NML(V,T)、NPL(V,T)。它们也与大气的风速V和温度T有关。
定义激光雷达风速测量比和激光雷达温度测量比分别为：
风速和温度的测量灵敏度分别为SWL、STL，那么，测量得到大气对流层、平流层的风速值和温度值分别为：
其中，所述的风速测量灵敏度为风速变化1m/s所引起的风速测量比的变化量，其表示为：
所述的温度测量灵敏度为温度变化1K引起的温度测量比的变化量，其表示为：
由于N0L(V,T)、NML(V,T)、NPL(V,T)同时与风速V和温度T有关，在进行反演时可以采用迭代算法。先给定一个大气模式下的温度，进行反演大气风速，然后代入大气风速，再进行大气温度反演，如此进行若干次循环，即可得到较为准确的大气风速V和温度T。
使用上述钠荧光多普勒激光雷达，能够同时测量中间层、平流层、对流层大气风场和温度，大大扩展了目前的探测范围。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达，其特征在于，包括：激光发射器(8)、大气散射信号接收器(9)、钠荧光散射信号测量器(10)、大气瑞利散射信号测量器(12)、信号采集器(11)；
所述的激光发射器(8)用于向大气发射不同频率的589nm激光，所述的大气散射信号接收器(9)接收由大气中间层顶区域产生的钠荧光散射信号，以及由对流层、平流层产生的大气瑞利散射信号，并将其输出端分两路分别连接钠荧光散射信号测量器(10)和大气瑞利散射信号测量器(12)，所述的钠荧光散射信号测量器(10)接收不同频率的钠荧光散射信号，并通过分析获得中间层顶区域的温度值和风速值；所述的大气瑞利散射信号测量器(12)接收不同频率的大气瑞利散射信号，并测量各频率的大气瑞利散射信号透过该大气瑞利散射信号测量器(12)中设有的碘分子吸收光谱仪(16)的光强后，计算获得对流层、平流层的温度值和风速值，所述的信号采集器(11)用于采集并判读钠荧光散射信号测量器(10)和大气瑞利散射信号测量器(12)输出的电信号，提取光强数据。
2.根据权利要求1所述的测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达，其特征在于，所述的大气瑞利散射信号测量器(12)包括：准直镜(14)、背景光抑制器(15)、碘分子吸收光谱仪(16)、耦合镜(17)和光电探测器(18)；所述的准直镜(14)通过光纤(13)与大气散射信号接收器(9)的输出端连接，并依次连接背景光抑制器(15)、碘分子吸收光谱仪(16)、耦合镜(17)和光电探测器(18)；所述的大气瑞利散射信号依次经准直镜(14)准直操作、背景光抑制器(15)滤除天空背景光及透过碘分子吸收光谱仪(16)后，由耦合镜(17)将大气瑞利散射信号汇聚到光电探测器(18)，并通过该光电探测器(18)测量透过碘分子吸收光谱仪(16)后的信号光强。
3.根据权利要求1所述的测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达，其特征在于，所述的大气散射信号接收器(9)包括两个信号接收通道，所述的两个信号接收通道以两个不同的方向接收钠荧光散射信号和大气瑞利散射信号，且每一个信号接收通道的输出端均分两路连接钠荧光散射信号测量器(10)和大气瑞利散射信号测量器(12)，使得钠荧光散射信号测量器(10)以两路接收来自两个不同方向上的钠荧光散射信号，用于测量大气中间层顶区域的温度值和水平风场，使得大气瑞利散射信号测量器(12)以两路接收来自两个不同方向上的大气瑞利散射信号，用于测量对流层、平流层的温度值和水平风场。
4.一种测量大气风场和温度的方法，其特征在于，包括：
步骤1)利用激光发射器(8)依次向大气发射三个不同频率的589nm激光；
所述激光发射器(8)向大气发射三个589nm激光的频率分别位于钠原子D2a饱和荧光光谱处f0、f0+630MHz和f0-630MHz；
步骤2)通过大气散射信号接收器(9)依次接收由大气中间层顶区域产生的三个不同频率的钠荧光散射信号后，执行步骤3)，通过大气散射信号接收器(9)依次接收由对流层、平流层产生的三个不同频率的大气瑞利散射信号后，执行步骤4)；
步骤3)利用钠荧光散射信号测量器(10)测量得到的三个不同频率的钠荧光散射信号所对应的光强N0H(V,T)、NMH(V,T)和NPH(V,T)，定义激光雷达风速测量比和激光雷达温度测量比分别为：
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则有测量得到的大气中间层顶区域的风速值和温度值分别为：
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其中，SWH和STH分别表示风速测量灵敏度和温度测量灵敏度；
所述的风速测量灵敏度为风速变化1m/s所引起的风速测量比的变化量，其表示为：
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所述的温度测量灵敏度为温度变化1K引起的温度测量比的变化量，其表示为：
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步骤4)利用光电探测器(18)测量得到透过碘分子吸收光谱仪(16)的三个不同频率的大气瑞利散射信号所对应的光强N0L(V,T)、NML(V,T)和NPL(V,T)，定义激光雷达风速测量比和激光雷达温度测量比分别为：
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则有测量得到的大气对流层、平流层的风速值和温度值分别为：
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其中，SWL和STL分别表示风速测量灵敏度和温度测量灵敏度；
所述的风速测量灵敏度为风速变化1m/s所引起的风速测量比的变化量，其表示为：
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所述的温度测量灵敏度为温度变化1K引起的温度测量比的变化量，其表示为：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
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