CN106526615B - 大气米-瑞利散射测风激光雷达及反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气米‑瑞利散射测风激光雷达及反演方法，该激光雷达由发射激光单元（1）、两个接收望远镜（2、3）、两根接收光纤（4、5）、两个鉴频探测单元（6、7）和信号处理单元（8）组成。采用高分辨光谱检测方法，测得激光在大气分子上产生的拉曼散射光谱信号，以及激光在大气气溶胶和大气分子上产生的米‑瑞利散射光谱信号，利用拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点，获得大气的米和瑞利散射比例，通过非相干的边缘鉴频的方式，可以反演得到低空大气的风场，具有结构简单、实现难度低的优点。

Description

大气米-瑞利散射测风激光雷达及反演方法

技术领域

本发明涉及大气探测激光雷达，特别涉及大气风场探测激光雷达。

背景技术

风场是大气的重要参数之一。激光雷达探测大气风场具有空间分辨率高、时间分辨率高和空间覆盖范围宽等优点。

大气是由大气气溶胶和大气分子组成的，大气气溶胶主要由水汽和污染颗粒物等组成，大气分子主要有氮气和氧气等组成。

在高度十多公里以下的大气中，大气气溶胶含量较高，大气气溶胶颗粒的体积与质量较分子大得多，激光照射到大气气溶胶时，回波光谱展宽可以忽略不计，称为米散射。在十多公里以下的低空，大气回波光以米散射为主，通常利用检测米散射回波光的光频与激光雷达发射激光的频率之差，获得大气气溶胶的视向运动速度，并在两个垂直方向上测得大气气溶胶的视向运动速度，然后进行矢量合成，获得包含风速和风向的大气风场。

在30公里以上，大气气溶胶含量非常低，主要以氮气、氧气分子为主，激光照射到大气分子时，受大气温度多普勒展宽和大气压力展宽的影响，回波光的展宽远大于激光线宽，达到吉赫兹量级，称为瑞利散射。在30km以上的高空，大气回波光以瑞利散射为主，通常利用检测瑞利散射回波光的光频与激光雷达发射激光的频率之差，获得大气分子的视向运动速度，并在两个垂直方向上测得大气分子的视向运动速度，然后进行矢量合成，获得包含风速和风向的大气风场。

但是，在十多公里至30km的高度范围内，大气气溶胶的米散射和大气分子瑞利散射都不能占主导地位，虽然米散射的占比随着高度的增加是大致减少的，但若遇到高层薄云、火山、大区域沙尘暴天气时，高空气溶胶也有可能含量较高，也就是说：米散射和瑞利散射的占比随着天气湿度和污染程度具有不确定的变化性。因此，既不能以单纯的米散射机制测风，也不能以单纯的瑞利散射机制测风。而米散射和瑞利散射的光谱是叠加在一起的，目前尚没有有效的光谱分离手段将二者的准确比例进行定量的测定，为这一层段的风场测量造成了困难。

目前对于大气气溶胶散射和大气分子瑞利散射比例(即激光雷达散射比)的测量方法分为两种：一种是将混合信号中的米散射成分去除后，测量纯瑞利散射信号强度，再由混合信号计算出散射比，如：文献1(Low-altitude atmospheric wind measurement fromthe combined Mie and Rayleigh backscattering by Doppler lidar with an iodinefilter，APPLIED OPTICS，Vol.41,No.33，7079-7086，2002),这种方法在测量气溶胶时无法同时探测风速，在短时间气溶胶时空分布发生变化的情况下，测量结果用于风速校正不太准确。

另一种方法为增加拉曼通道，通过拉曼通道的信号得出纯分子散射强度，再结合瑞利-米散射混合信号计算出散射比，采用拉曼通道辅助的方式可在风速测量的同时测量散射比，为风速探测数据提供实时校正。文献2(Doppler wind lidar sensitivity andaerosol backscatter ratio measurement by combined Raman-Mie-Rayleighscattering，Proc.of SPIE Vol.8192,81923J)通过探测大气分子的振动拉曼散射，获得瑞利-米散射比。采用振动拉曼探测散射比的方法中，通常需要引入模式大气中的大气分子消光系数参数来计算散射比，或选择大气中清洁大气作为参考，认为气溶胶后向散射系数近似为0，再计算出散射比，因此会引入模型误差或定标产生的误差。

发明内容

本发明的目的是：提供一种大气米-瑞利散射测风激光雷达。该激光雷达采用高分辨光谱检测的方法，测得激光在大气分子上产生的转动拉曼散射光谱信号，以及激光在大气气溶胶和大气分子上产生的米-瑞利散射光谱信号，利用一段转动拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点，无需引入大气模式和选取洁净大气高度定标就可获得大气的米和瑞利散射比例，再通过非相干的边缘鉴频方式，可以得到低空大气的风场，具有结构简单、实现难度低的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、结构

大气米-瑞利散射测风激光雷达由发射激光单元、两个接收望远镜、两根接收光纤、两个鉴频探测单元和信号处理单元组成；

两个鉴频探测单元结构相同，鉴频探测单元的构成是：在沿光纤的输出光路中依次同轴安装准直镜、第一滤光片、鉴频器、第一聚焦镜和第一探测器；第一分光镜安装在准直镜和第一滤光片之间的光路中，且与光束呈45度角，在第一分光镜的反射光路中依次同轴安装第二滤光片、第二聚焦镜和第二探测器；第二分光镜安装在第一滤光片和鉴频器之间的光路中，且与光束呈45度角，在第二分光镜的反射光路中依次同轴安装第三聚焦镜和第三探测器；第一探测器输出的信号为大气分子散射的拉曼信号I_Raman，第二探测器输出的信号为大气分子与大气气溶胶散射的混合信号I_Mie+Rayleigh，第三探测器输出的信号为大气分子与大气气溶胶散射的混合信号经过鉴频器鉴频以后的信号I_Doppler；第一探测器、第二探测器和第三探测器的输出信号分别连接到信号处理单元的输入端。

发射激光单元能同时发射两束激光，这两束激光均与竖直方向呈30度角，且两束激光在水平面的投影呈90度角；第一接收接收望远镜和第二接收接收望远镜的接收光轴分别与发射激光单元发射的两束激光方向平行，第一接收光纤的一端安装于第一接收望远镜的焦点处，另一端连接到第一鉴频探测单元的输入端，第二接收光纤的一端安装于第二接收望远镜的焦点处，另一端连接第二鉴频探测单元的输入端；两个鉴频探测单元的输出信号分别连接到信号处理单元的输入端，发射激光单元输出的同步信号连接到信号处理单元的触发输入端。

上述的大气米-瑞利散射测风激光雷达，第一分光镜为短波通滤光片，使比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射，使米-瑞利散射光谱透射；所述第一滤光片为带通滤光片，其透射中心波长为发射激光波长，透射带宽为20cm^-1；所述第二滤光片为带通滤光片，其透射中心波长比发射激光波长长90.5cm^-1，透射带宽5cm^-1。

上述第二分光镜为半透半反分光镜。

上述鉴频器为边缘鉴频器，可选用碘分子鉴频器，发射激光的频率位于鉴频器透射谱斜边的中点处。

2、原理

发射激光单元1向空中发射两束激光,激光照射到空中的大气气溶胶和大气分子,产生米散射谱、瑞利散射谱和拉曼散射谱(包括Stokes和Anti-Stokes拉曼散射谱)等回波，经回波接收单元的第一接收望远镜和第二接收望远镜接收，并分别经过第一接收光纤和第二接收光纤，进入第一鉴频探测单元和第二鉴频探测单元。

在回波光谱中,激光光谱激发的米散射谱的线宽与激光光谱线宽相当，米散射谱的回波强度I_Mie与大气气溶胶密度成正比；瑞利散射谱的线宽远大于激光光谱线宽，瑞利散射谱的回波强度I_Rayleigh与大气分子密度N成正比；米散射谱和瑞利散射谱是叠加在一起的，实际接收到的是米-瑞利散射谱混合在一起的强度I_Mie+Rayleigh，米散射谱和瑞利散射谱的比例随着大气中大气气溶胶和大气分子的比例变化而变化，大致上随着高度的增加米散射谱的占比逐渐减少(当然，米散射谱和瑞利散射谱的占比随着天气湿度和污染程度具有不确定的变化性)。在低空十多公里以下，米散射谱的占比远大于瑞利散射谱，在30km以上，大气气溶胶几乎不存在，回波光散射谱中几乎只有瑞利散射谱，目前没有有效的光谱分离手段将米散射光谱的回波强度I_Mie和瑞利散射光谱的回波强度I_Rayleigh准确的分离开。

在瑞利散射谱的两边产生拉曼散射谱，拉曼散射谱是激光照射到大气中氮气和氧气等分子上产生的，比激光波长长的一侧是Stokes拉曼散射谱，比激光波长短的一侧是Anti-Stokes拉曼散射谱，因分子有很多转动能级，拉曼散射谱也就对应有很多条谱线，各拉曼散射谱峰值连线构成的包络线随着大气温度的变化而变化，但在偏离激光波长90.5cm^-1位置的拉曼光谱谱线强度几乎不随温度而变化，该拉曼光谱谱线的强度只与大气分子的密度N成正比。根据上述分析，偏离激光波长90.5cm^-1位置的拉曼光谱谱线的强度I_Raman与瑞利散射谱的强度I_Rayleigh均与大气分子密度N成正比，即：

I_Raman＝σ_RamanNLt

I_Rayleigh＝σ_RayleighNLt

其中σ_Raman和σ_Rayleigh分别是大气分子常数拉曼散射截面和瑞利散射截面，L为空间分辨率，t为时间分辨率，由此得到：

从公式可以看出，只要测得I_Raman，就可得到I_Rayleigh。

根据上述分析，可以得到：

由公式(1)和(2)可以看出，只要能测得I_Raman和I_Mie+Rayleigh就可以将米-瑞利散射谱混合在一起的强度I_Mie+Rayleigh中包含的米散射谱的回波强度I_Mie和瑞利散射谱的回波强度I_Rayleigh准确分离开，就可以得到I_Mie和I_Rayleigh的散射比β：

回波光信号经第一接收光纤进入第一鉴频探测单元后，先由准直镜准直成平行光，再经第一分光镜进行光谱分光；第一分光镜为短波通滤光片，从第一分光镜透射谱可知，大气散射回波光中的比激光波长长的Stokes拉曼散射谱被反射，米-瑞利散射光谱被透射；第一分光镜的反射光进入第二滤光片，第二滤光片是带通滤光片，从第二滤光片透射谱可知，第二滤光片只允许Stokes拉曼散射谱中强度不随温度变化的谱线透过，透射光经第二聚焦镜汇聚到第二探测器，第二探测器将光信号变成电信号，得到I_Raman，传送到信号处理单元。

第一分光镜的透射光照射到第一滤光片，第一滤光片为带通滤光片，由第一滤光片透射谱可知，比激光波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被抑制，第一滤光片只允许米-瑞利散射谱透过，并照射到第二分光镜，第二分光镜为半透半反分光镜，第二分光镜的反射光经第三聚焦镜汇聚到第三探测器，第三探测器将光信号变成电信号，得到I_Mie+Rayleigh，传送到信号处理单元。

第二分光镜的透射光进入鉴频器进行鉴频，鉴频输出信号经第一聚焦镜汇聚到第一探测器，第一探测器将光信号变成电信号，得到鉴频信号I_Doppler，并传送到信号处理单元，信号处理单元根据发射激光单元的同步信号，同步采集第一鉴频探测单元探测输出的I_Raman、I_Mie+Rayleigh和I_Doppler信号，并反演视向风速。

信号处理单元反演视向风速时，利用：

I_Do_ppler＝T(Δf)|_βI_Mie+Rayleigh

其中T(Δf)|_β为鉴频曲线函数，T(Δf)|_β＝T(Δf)*P_β(P_Mie+P_Rayleigh)，其中，P_Mie为米散射谱函数、P_Rayleigh为瑞利散射谱函数，P_β(P_Mie+P_Rayleigh)为对应散射比β的米-瑞利散射谱函数，可得到一系列对应不同散射比β的Δf～T(Δf)|_β曲线。

利用视向风速多普勒频移Δf与速度υ的对应关系Δf＝fυ/c，其中f是激光频率，c是光速，即可得到视向风速υ的υ～T(Δf)|_β曲线。

根据观测得到的数据I_Doppler和I_Mie+Rayleigh计算出T(Δf)|_β＝I_Doppler/I_Mie+Rayleigh，再根据υ～T(Δf)|_β就可查得对应的视向风速υ。

因此，只要测得数据I_Doppler和I_Mie+Rayleigh，即可计算出激光雷达散射比β，从而得出30km以下低空风速。

此前，在对探测数据进行反演视向风速时，由于难以测得散射比β，对十多公里以下可近似认为回波中是纯米散射信号，β＝100％；对30km以上可近似认为回波中是纯瑞利散射信号，β＝0％。本发明可以根据实际测得的β值,准确的选择鉴频曲线函数，使反演获得的视向风速更接近实际真值。

同理，利用第二鉴频探测单元探测得到的信号反演另一视向风速，两视向风速的水平分量矢量合成得到大气风场。

本发明的优点是：利用拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点，无需引入大气模式和选取洁净大气高度定标就可获得大气的米和瑞利散射比例，再通过非相干的边缘鉴频的方式，可以得到低空大气的风场。具有结构简单、实现难度低的优点。

附图说明

图1为大气米-瑞利散射测风激光雷达结构示意图。

其中，1发射激光单元，2第一接收望远镜，3第二接收望远镜，4第一接收光纤，5第二接收光纤，6第一鉴频探测单元，7第二鉴频探测单元，8信号处理单元。

图2为鉴频探测单元的结构示意图。

其中，601准直镜，602第一分光镜，603第一滤光片，604第二分光镜，605鉴频器，606第一聚焦镜，607第一探测器，608第二滤光片，609第二聚焦镜，610第二探测器，611第三聚焦镜，612第三探测器。

图3为激光光谱、散射回波信号光谱及光学元件透射谱。

其中，602P第一分光镜透射谱、603P第一滤光片透射谱、608P第二滤光片透射谱。

图4为激光光谱、鉴频器透射谱与米-瑞利散射光谱的关系。其中，4(a)为激光光谱，4(b)为不同多普勒频移的米-瑞利散射回波信号光谱与鉴频器透射谱的关系，4(c)为不同散射比的米-瑞利散射回波信号光谱与鉴频器透射谱的关系，4(d)为不同散射比对应的视向风速鉴频曲线。

具体实施方式

1、结构

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，大气米-瑞利散射测风激光雷达由发射激光单元1、两个接收望远镜2、3、两根接收光纤4、5、两个鉴频探测单元6、7和信号处理单元8组成；

如图2所示，鉴频探测单元6的构成是：在第一接收光纤的输出光路中依次同轴安装准直镜601、第一滤光片603、鉴频器605、第一聚焦镜606和第一探测器607；第一分光镜602安装在准直镜601和第一滤光片603之间的光路中，且与光束呈45度角，在第一分光镜602的反射光路中依次同轴安装第二滤光片608、第二聚焦镜609和第二探测器610；第二分光镜604安装在第一滤光片603和鉴频器605之间的光路中，且与光束呈45度角，在第二分光镜604的反射光路中依次同轴安装第三聚焦镜611和第三探测器612；第一探测器607、第二探测器610和第三探测器612的输出信号分别连接到信号处理单元8的输入端。

鉴频探测单元7与鉴频探测单元6的结构相同。

发射激光单元1同时发射两束激光，这两束激光均与竖直方向呈30度角，且两束激光在水平面的投影呈90度角；第一接收接收望远镜2和第二接收接收望远镜3的接收光轴分别与两束激光方向平行，第一接收光纤4的一端安装于第一接收望远镜2的焦点处，另一端连接到第一鉴频探测单元6的输入端，第二接收光纤5的一端安装于第二接收望远镜3的焦点处，另一端连接第二鉴频探测单元7的输入端；两个鉴频探测单元的输出信号分别连接到信号处理单元8的输入端，发射激光单元1输出的同步信号连接到信号处理单元8触发输入端。

第一分光镜602为短波通滤光片，使比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射，使米-瑞利散射光谱透射；所述第一滤光片603为带通滤光片，其透射中心波长为发射的激光波长，透射带宽为20cm^-1；所述第二滤光片608为带通滤光片，其透射中心波长比激光波长长90.5cm^-1，透射带宽5cm^-1。

所述第二分光镜604为半透半反分光镜。

所述鉴频器605为边缘鉴频器，可选用碘分子鉴频器，发射激光的频率位于鉴频器透射谱斜边的中点处。

2、原理

如图1所示，发射激光单元1向空中发射两束激光,激光照射到空中的大气气溶胶和大气分子,产生米散射谱、瑞利散射谱和拉曼散射谱(包括Stokes和Anti-Stokes拉曼散射谱)回波，由接收望远镜2、3接收，并分别经过接收光纤3、4，进入鉴频探测单元6和7中。

如图2所示，回波光信号经第一接收光纤4进入第一鉴频探测单元6后，先由准直镜601准直成平行光，再经第一分光镜602进行光谱分光；第一分光镜602为低通滤光片，从第一分光镜透射谱602P(图3)可知，大气散射回波光中的比激光波长长的Stokes拉曼散射谱被反射，米-瑞利散射光谱以及比激光波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被透射；第一分光镜602的反射光进入第二滤光片608，第二滤光片608是带通滤光片，从第二滤光片透射谱608P(图3)可知，第二滤光片608只允许Stokes拉曼散射谱中强度不随温度变化的谱线透过，透射光经第二聚焦镜609汇聚到第二探测器610，第二探测器610将光信号变成电信号，得到I_Raman，传送到信号处理单元8；

第一分光镜602的透射光照射到第一滤光片603，第一滤光片603为带通滤光片，由第一滤光片透射谱603P(图3)可知，比激光波长短的Anti-Stokes拉曼散射谱被抑制，第一滤光片603只允许米-瑞利散射谱透过，并照射到第二分光镜604，第二分光镜604为半透半反分光镜，第二分光镜604的反射光经第三聚焦镜611汇聚到第三探测器612，第三探测器612将光信号变成电信号，得到I_Mie+Rayleigh，传送到信号处理单元8；

第二分光镜604的透射光进入鉴频器605进行鉴频，鉴频输出信号经第一聚焦镜606汇聚到第一探测器607，第一探测器607将光信号变成电信号，得到鉴频信号I_Doppler并传送到信号处理单元8，信号处理单元8根据发射激光单元1的同步信号，同步采集第一鉴频探测单元6探测输出的I_Raman、I_Mie+Rayleigh和I_Doppler信号，并反演视向风速。

信号处理单元8反演视向风速时，包含下列步骤：

第一步：计算激光雷达散射比β

其中，I_Mie为米散射光谱强度、I_Raman为拉曼光谱强度、I_Rayleigh瑞利散射谱强度、I_Mie+Rayleigh米-瑞利散射谱强度，σ_Raman和σ_Rayleigh分别是大气分子常数拉曼散射截面和瑞利散射截面；

I_Do_ppler＝T(Δf)|_βI_Mie+Rayleigh

其中T(Δf)|_β为鉴频曲线函数，T(Δf)|_β＝T(Δf)*P_β(P_Mie+P_Rayleigh)，其中，P_Mie为米散射谱函数、P_Rayleigh为瑞利散射谱函数，P_β(P_Mie+P_Rayleigh)为对应散射比β的米-瑞利散射谱函数，可得到一系列对应不同散射比β的Δf～T(Δf)|_β曲线。

第二步：利用视向风速多普勒频移Δf与速度υ的对应关系Δf＝fυ/c，其中f激光频率，c是光速，即可得到视向风速υ的υ～T(Δf)|_β曲线，如图4所示。

第三步：根据本发明激光雷达观测得到的数据I_Doppler和I_Mie+Rayleigh计算出T(Δf)|_β＝I_Do_ppler/I_Mie+Rayleigh，再根据υ～T(Δf)|_β就可查得对应的视向风速υ。

同理，利用第二鉴频探测单元7探测得到的信号反演另一视向风速，两视向风速的水平分量矢量合成得到大气风场。

Claims (3)

1.大气米-瑞利散射测风激光雷达，其特征在于，该激光雷达由发射激光单元(1)、两个接收望远镜(2、3)、两根接收光纤(4、5)、两个鉴频探测单元(6、7)和信号处理单元(8)组成；

其中，鉴频探测单元(6)的构成是：在第一接收光纤的输出光路中依次同轴安装准直镜(601)、第一滤光片(603)、鉴频器(605)、第一聚焦镜(606)和第一探测器(607)；第一分光镜(602)安装在准直镜(601)和第一滤光片(603)之间的光路中，且与光束呈45度角，在第一分光镜(602)的反射光路中依次同轴安装第二滤光片(608)、第二聚焦镜(609)和第二探测器(610)；第二分光镜(604)安装在第一滤光片(603)和鉴频器(605)之间的光路中，且与光束呈45度角，在第二分光镜(604)的反射光路中依次同轴安装第三聚焦镜(611)和第三探测器(612)；第一探测器(607)、第二探测器(610)和第三探测器(612)的输出信号分别连接到信号处理单元(8)的输入端；

鉴频探测单元(7)与鉴频探测单元(6)结构相同；

发射激光单元(1)同时发射两束激光，这两束激光均与竖直方向呈30度角，且两束激光在水平面的投影呈90度角；第一接收接收望远镜(2)和第二接收接收望远镜(3)的接收光轴分别与两束激光方向平行，第一接收光纤(4)的一端安装于第一接收望远镜(2)的焦点处，另一端连接到第一鉴频探测单元(6)的输入端，第二接收光纤(5)的一端安装于第二接收望远镜(3)的焦点处，另一端连接第二鉴频探测单元(7)的输入端；两个鉴频探测单元的输出信号分别连接到信号处理单元(8)的输入端，发射激光单元(1)输出的同步信号连接到信号处理单元(8)触发输入端。

2.根据权利要求1所述的大气米-瑞利散射测风激光雷达，其特征在于，所述第一分光镜(602)为低通滤光片，比激光波长长的Stokes拉曼散射谱反射，米-瑞利散射光谱透射；

第一滤光片(603)为带通滤光片，其透射中心波长为发射激光单元发出的激光波长，透射带宽为20cm^-1；

第二滤光片(608)为带通滤光片，其透射中心波长比激光波长长90.5cm^-1，透射带宽5cm^-1；

第二分光镜(604)为半透半反分光镜；

鉴频器(605)为边缘鉴频器，可选用碘分子鉴频器，发射激光的频率位于鉴频器透射谱斜边的中点处。

3.用权利要求1所述的大气米-瑞利散射测风激光雷达测得的大气米-瑞利散射信号I_Mie+Rayleigh和拉曼信号反演大气风I_Raman速的方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

a、用权利要求1所述的大气米-瑞利散射测风激光雷达测得的米-瑞利信号I_Mie+Rayleigh和拉曼信号I_Raman计算激光雷达散射比β

其中，I_Mie为米散射光谱强度、I_Raman为拉曼光谱强度、I_Rayleigh瑞利散射谱强度、I_Mie+Rayleigh米-瑞利散射谱强度，σ_Raman和σ_Rayleigh分别是大气分子常数拉曼散射截面和瑞利散射截面；

b、由鉴频信号I_Do_ppler＝T(Δf)|_βI_Mie+Rayleigh计算，其中，T(Δf)|_β为鉴频曲线函数，T(Δf)|_β＝T(Δf)*P_β(P_Mie+P_Rayleigh)，其中，P_Mie为米散射谱函数、P_Rayleigh为瑞利散射谱函数，P_β(P_Mie+P_Rayleigh)为对应散射比β的米-瑞利散射谱函数，可得到一系列对应不同散射比β的Δf～T(Δf)|_β曲线；

利用视向风速多普勒频移Δf与速度υ的对应关系Δf＝fυ/c，其中f是激光频率，c是光速，即可得到视向风速υ的υ～T(Δf)|_β曲线；

根据本发明激光雷达观测得到的数据I_Doppler和I_Mie+Rayleigh计算出T(Δf)|_β＝I_Doppler/I_Mie+Rayleigh，再根据υ～T(Δf)|_β就可查得对应的视向风速υ。