CN107015243B - 一种基于布里渊激光雷达系统的大气温度测量方法 - Google Patents

一种基于布里渊激光雷达系统的大气温度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，包括：S1计算得到不同温度和压强下的谱线线宽；S2利用莱温伯格‑麦夸特拟合算法对线宽与大气温度和压强之间的关系进行拟合得到相对应的关系式；S3对激光回波信号进行处理，得到激光回波频谱信号，并对该激光回波频谱信号进行处理，得到频谱线宽；S4，计算获得当前条件下的压强，并利用获得的压强和步骤S3中得到的线宽，即可得到大气温度信息。本发明还公开了另一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法。本发明利用大气温度与压强和瑞利布里渊线宽之间的关系，在保证大气温度测量误差较小的基础上显著改善了大气温度测量的实时性问题，能够简单直接地测量得到大气温度。

Description

一种基于布里渊激光雷达系统的大气温度测量方法
技术领域
本发明涉及一种大气温度测量领域，具体涉及一种基于布里渊激光雷达系统的大气温度测量方法。
背景技术
大气垂直高度的温度监测一直是气象、环保和空间工程领域的重要研究工作，也是激光雷达应用的重要领域，其中通过频谱信号检测拉曼散射回波信号在低空大气中得到广泛应用。
但是从散射机理上来说，拉曼散射截面要比瑞利布里渊小很多，回波信号十分微弱，这将需要大功率激光发射设备和高灵敏度接收设备，成本比较高，大规模布网开销大。同时拉曼散射回波信号信噪比较低，需要更多的积分时间积累或者多次测量去平均才能获得较好的效果，不利于短时间极端天气的快速监测。
现有的大气温度可以通过Tenti S6气体瑞利布里渊廓线模型进行测量获得。该模型通过温度、压强、热导率、内部比热容、体粘滞系数和剪切粘滞系数等6个参数来描述微观波动而建立，Tenti S6的气体瑞利布里渊廓线模型与真实实验数据之间的误差较小，目前被认为是描述气体瑞利布里渊谱最好的模型。但是，该模型没有解析形式，数学计算过于复杂，而且真实遥感测量中环境参数都是未知的，这会对温度的反演带来很大的不稳定性，导致其测量精度以及应用受到较大约束。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的以上缺陷或不足，提供一种基于布里渊激光雷达系统的大气温度测量方法，其主要利用大气温度与压强和瑞利布里渊线宽之间的联系，从而能够简单直接地测量得到大气温度，满足了真实遥感实时监控大气温度的需要能够及时有效地从频谱线宽信息中得到大气温度。
为实现上述目的，按照本发明一个方面，提出了一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，所述方法包括：
S1利用Tenti S6气体瑞利布里渊廓线模型计算得到不同温度和压强下的谱线线宽；
S2根据步骤S1中的温度、压强和谱线线宽数据，利用莱温伯格-麦夸特(Levenberg-Marquardt)拟合算法对线宽与大气温度和压强之间的关系进行拟合得到相对应的关系式：
T＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，l表示线宽，p表示压强，ci表示系数，i＝1,2,…,9；
S3对由激光器向空中发射激光并经大气后向散射后形成的激光回波信号进行处理，得到激光回波频谱信号，并对该激光回波频谱信号进行处理，去除其中的米氏散射，从而得到频谱线宽；
S4，计算获得当前条件下的压强，并利用获得的压强和及步骤S3中得到的线宽，通过步骤S2中的关系式即可得到大气温度信息。
作为本发明的进一步改进，所述激光回波频谱信号光谱由瑞利散射谱，米氏散射谱，布里渊散射谱叠加而成，步骤S3中对所述激光回波频谱信号进行处理具体包括：
S301采用高斯函数(Guassian)对激光回波频谱信号中的瑞利布里渊散射谱建模，所建模型为：
Figure BDA0001255752440000031
式中VRB(v)表示瑞利布里渊散射谱，VRayl(v)表示瑞利散射谱，
Figure BDA0001255752440000032
表示正向布里渊散射谱，
Figure BDA0001255752440000033
表示反向布里渊散射谱，A表示瑞利散射谱的强度。
S302激光回波信号建模，其中采用狄尔克函数对米氏散射建模，得到
Figure BDA0001255752440000034
式中V表示激光回波信号，IMie·δ(v)表示米氏散射谱，f(v)表示FP标准具相对应的器件函数，
Figure BDA0001255752440000035
表示卷积；
S303使用莱温伯格-麦夸特(Levenberg-Marquardt)最小二乘拟合算法和步骤S302中的激光回波信号模型对激光回波信号进行曲线拟合，得到相对应的瑞利布里渊谱线，即可测得频谱线宽。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中得到激光回波频谱信号的具体过程为：
S311激光发射系统向大气发射脉冲激光；
S312激光接收系统接收经大气后向散射后形成的激光回波信号，并将其转换为激光准直回波信号，经过光学滤波器并利用多光束干涉原理得到一组等倾干涉条纹；
S313所述条纹由光电探测器接收，完成光电转换，并将得到的电信号变换成对应的频谱，即为激光回波频谱信号。
按照本发明的另一方面，提供一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，具体包括如下步骤：
S1布里渊激光雷达系统的激光器向空中发射直准脉冲光，经过大气后向散射后形成激光回波信号；
S2所述激光回波信号经过法布里珀罗干涉仪后被光电倍增管接收并进行光电转换，然后输出电信号；
S3对电信号进行处理得到相应的激光回波信号的频谱；
S4对所述激光回波信号频谱进行曲线拟合，去除激光回波信号中的米氏散射谱，得到瑞利布里渊散射谱，即可测得频谱线宽；
S5计算获得当前条件下的压强，并利用获得的压强和及步骤S4中得到的线宽，通过线宽与大气温度和压强之间的关系，即可得到大气温度信息。
作为本发明的进一步改进，线宽与大气温度和压强之间的关系具体为：
T＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，l表示线宽，p表示压强，ci表示系数，i＝1,2,…,9。
作为本发明的进一步改进，所述激光回波频谱信号光谱由瑞利散射谱，米氏散射谱，布里渊散射谱叠加而成，步骤S3中对所述激光回波频谱信号进行处理具体包括：
S301采用高斯函数(Guassian)对激光回波频谱信号中的瑞利布里渊散射谱建模，所建模型为：
Figure BDA0001255752440000051
式中VRB(v)表示瑞利布里渊散射谱，VRayl(v)表示瑞利散射谱，
Figure BDA0001255752440000052
表示正向布里渊散射谱，
Figure BDA0001255752440000053
表示反向布里渊散射谱，A表示瑞利散射谱的强度。
S302激光回波信号建模，其采用狄尔克函数对米氏散射建模，得到
Figure BDA0001255752440000054
式中V表示激光回波信号，VRB(v)表示瑞利布里渊散射谱，IMie·δ(v)表示米氏散射谱，f(v)表示FP标准具相对应的器件函数，
Figure BDA0001255752440000055
表示卷积；
S303使用莱温伯格-麦夸特(Levenberg-Marquardt)最小二乘拟合算法和步骤S302中的激光回波信号模型对激光回波信号进行曲线拟合，得到相对应的瑞利布里渊谱线，即可测得频谱线宽。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中得到激光回波频谱信号的具体过程为：
S311激光器发射系统向大气发射脉冲激光；
S312激光器接收系统接收经大气后向散射后形成的激光回波信号，并将其转换为激光准直回波信号，经过光学滤波器并利用多光束干涉原理得到一组等倾干涉条纹；
S313所述条纹由光电探测器接收，完成光电转换，并将得到的电信号变换成对应的频谱，即为激光回波频谱信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明的方法提出了一种基于布里渊激光雷达系统的大气温度测量方法，通过分析线宽与大气温度及压强之间的关系，该方法可以避免S6模型是没有解析解的问题，有利于真实遥感实时监测；
2)本发明的方法中，对激光回波频谱信号进行了优化处理，去除其中的米氏散射，并直接通过整体线宽来反演温度，不用具体解析内部瑞利峰和布里渊峰，能够满足实时在线数据分析的需求；
3)本发明方法在保证大气温度测量误差较小的基础上，并未存在过多的计算复杂度，同时，显著改善了大气温度测量的实时性问题，便于操控。
附图说明
图1为按照本发明一个实施例所构建的大气温度测量方法中所用到的激光雷达系统示意图；
图2为图1激光雷达系统中的激光发射系统示意图；
图3为图1激光雷达系统中的激光接收系统示意图；
图4为图1激光雷达系统中的信号采集与处理系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的一种大气温度测量方法，其具体步骤如下：
(1)理论瑞利布里渊线宽计算
由于高层大气气溶胶的影响较小，基于回波信号能量检测的测温激光雷达得到广泛应用，所以采用频谱检测的激光雷达的应用范围多在低层大气中。
根据美国标准大气可知，在北半球典型气候下，低层大气(0-15km)垂直高度的大气温度分布为200-300K，气压为0.1-1bar，考虑到极端条件下地表温度会有30℃以上，因此本实施例中，优选将温度范围设定在220K到340K，压强范围设定为0.1bar-1bar内，在每隔10K和每隔0.1bar的条件下，利用Tenti S6模型计算得到相应的瑞利布里渊谱线，并得到相应的谱线线宽。
Tenti S6模型是业内较为成熟的大气气温测量模型，本方案实施例中先采用该模型建立初步的谱线线宽。
(2)大气温度与压强及线宽之间的关系
根据步骤1中的温度、压强及谱线线宽数据，可以通过莱温伯格-麦夸特(Levenberg-Marquardt)拟合算法(最小均方误差算法)拟合得到温度作为线宽和压强的函数：
T＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，l表示线宽(GHz)，p表示压强(bar)，ci表示系数，i＝1,2,…,9。
(3)实际线宽数据的读取
第一步：激光发射系统1向大气发射例如波长为366nm的脉冲激光。激光与大气发生各种散射作用(例如米氏散射、瑞利散射、布里渊散射)后形成激光回波信号；
第二步：激光接收系统2由望远镜201，扩束镜202，和光学滤波器203组成。例如366nm波长的激光回波信号在望远镜201的远场焦点处，经望远镜201接收后，扩束镜202将回波信号转换为激光准直回波信号，最后经过光学滤波器203，本实施例中优选采用的是法布里珀罗(F-P)标准具，其利用多光束干涉原理可以得到一组等倾干涉条纹；
第三步：该条纹由信号采集和处理系统3中的光电探测器接收，本实施例中光电探测器优选可以采用光电倍增管序列(PMT)，其用于完成光电转换并得到同心圆干涉圆环光强度信息。
上述光电探测器检测到的电信号还原得到瑞利布里渊谱线，本实施例中其具体过程如下：
①将光电探测器检测到的电信号变换成对应的频谱，这一频谱是上述的光学滤波器202法布里珀罗(F-P)标准具透过率Airy函数与激光回波信号光谱卷积的结果。其中Airy函数由所采用法布里珀罗(F-P)标准具型号的技术指标可知。
②激光回波信号光谱由瑞利散射谱，米氏散射谱，布里渊散射谱叠加而成，在光谱中心出能量高、频带窄的部分即为米氏散射，为了得到准确的线宽信息需要去除其中的米氏散射，并且由于噪声的缘故，激光回波信号光谱并不是特别光滑，而是具有一定的毛刺。
因此本发明实施例中采用解析模型对该频谱信号进行拟合处理，具体为：
采用高斯函数(Guassian)对瑞利布里渊散射谱建模，所建模型为：
Figure BDA0001255752440000091
这里VRayl(v)表示瑞利散射谱，
Figure BDA0001255752440000092
表示正向布里渊散射谱，
Figure BDA0001255752440000093
表示反向布里渊散射谱，A表示瑞利散射谱的强度。
对于激光回波信号建模，采用狄尔克函数对米氏散射建模，可以得到
Figure BDA0001255752440000094
这里V表示激光回波信号，VRB(v)表示瑞利布里渊散射谱，IMie·δ(v)表示米氏散射谱，f(v)表示FP标准具相对应的器件函数，
Figure BDA0001255752440000095
表示卷积。
③使用莱温伯格-麦夸特(Levenberg-Marquardt)最小二乘拟合算法和步骤②中的激光回波信号模型对激光回波信号进行曲线拟合，得到相对应的瑞利布里渊谱线，测得整体线宽。
(4)大气温度计算
利用美国标准大气模型，可以计算得到当前环境下的大气压强，将压强以及步骤③中的线宽代入到步骤②的公式中，得到当前环境下的大气温度。
本发明技术方案中，实现所述大气温度测量方法的激光雷达，优选包括激光发射系统1、激光接受系统2和信号采集和处理系统3。其中，如图2所示，激光发射系统1包括激光器101、扩束镜102、光学发射器103、激光通过激光器101发出，经过扩束镜102形成准直光，通过光学发射器103向空中发射准直激光脉冲，经过大气后向散射形成激光回波信号。
如图3所示，激光接收系统2包括望远镜201、扩束镜202和光学滤波器203，望远镜201接受的激光回波信号依次通过扩束镜202和光学滤波器203，所述光学滤波器为法布里珀罗标准具。
如图4所示，信号采集和处理系统3包括光电探测器301和控制和处理单元302，光电探测器301将经过光学滤波器203后的光信号转换为电信号传送给控制和处理单元302，控制和处理单元302对电信号进行处理得到瑞利布里渊频谱。
本发明的方法采用具有更强回波信号的瑞利布里渊激光雷达来监测低层大气温度变化，利用频谱检测的瑞利布里渊激光雷达具有高信噪比、高灵敏度的特点，已经在光纤、海水等介质参数遥感上得到广泛应用。但是大气中的布里渊频移很小，散射产生的中心瑞利峰与两侧的布里渊峰重叠在一起而难以区分，此时的瑞利布里渊廓线从频谱上仅有线宽信息是直观的，本发明能够通过分析线宽与大气温度还有压强之间的关系，达到反演大气温度的目的。这样既可避免传统S6模型是没有解析解，不利于真实遥感实时监测的问题；而且不用具体解析内部瑞利峰和布里渊峰，直接通过线宽与温度之间的关系来反演温度，能够满足实时在线数据分析的需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，所述方法包括：
S1 利用Tenti S6气体瑞利布里渊廓线模型计算得到不同温度和压强下的谱线线宽；
S2 根据步骤S1中的温度、压强和谱线线宽数据，利用莱温伯格-麦夸特拟合算法对线宽与大气温度和压强之间的关系进行拟合得到相对应的关系式：
T＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，l表示线宽，p表示压强，ci表示系数，i＝1,2,…,9；
S3 对由布里渊激光雷达系统激光器向空中发射激光并经大气后向散射后形成的激光回波信号进行处理，得到激光回波频谱信号，并对该激光回波频谱信号进行处理，去除其中的米氏散射，从而得到频谱线宽；
S4，计算获得当前条件下的压强，并利用获得的压强和及步骤S3中得到的线宽，通过步骤S2中的关系式即可得到大气温度信息。
2.根据权利要求1所述的一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，其中，所述激光回波频谱信号光谱由瑞利散射谱，米氏散射谱，布里渊散射谱叠加而成，步骤S3中对所述激光回波频谱信号进行处理具体包括：
S301 采用高斯函数对激光回波频谱信号中的瑞利布里渊散射谱建模，所建模型为：
Figure FDA0002221521830000021
式中VRB(v)表示瑞利布里渊散射谱，VRayl(v)表示瑞利散射谱，
Figure FDA0002221521830000022
表示正向布里渊散射谱，
Figure FDA0002221521830000023
表示反向布里渊散射谱，
Figure FDA0002221521830000024
表示瑞利散射谱的强度；
S302 激光回波信号建模，其中采用狄尔克函数对米氏散射建模，得到：
Figure FDA0002221521830000025
式中V表示激光回波信号，IMie·δ(v)表示米氏散射谱，f(v)表示FP标准具相对应的器件函数，
Figure FDA0002221521830000026
表示卷积；
S303 使用莱温伯格-麦夸特最小二乘拟合算法和步骤S302中的激光回波信号模型对激光回波信号进行曲线拟合，得到相对应的瑞利布里渊谱线，即可测得频谱线宽。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，其中，所述步骤S3中得到激光回波频谱信号的具体过程为：
S311 激光器发射系统向大气发射脉冲激光；
S312 激光器接收系统接收经大气后向散射后形成的激光回波信号，并将其转换为激光准直回波信号，经过光学滤波器并利用多光束干涉原理得到一组等倾干涉条纹；
S313 所述条纹由光电探测器接收，完成光电转换，并将得到的电信号变换成对应的频谱，即为激光回波频谱信号。
4.一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，具体包括如下步骤：
S1 布里渊激光雷达系统的激光器向空中发射直准脉冲光，经过大气后向散射后形成激光回波信号；
S2 所述激光回波信号经过法布里珀罗干涉仪后被光电倍增管接收并进行光电转换，然后输出电信号；
S3 对电信号进行处理得到相应的激光回波信号的频谱；
S4 对所述激光回波信号频谱进行曲线拟合，去除激光回波信号中的米氏散射谱，得到瑞利布里渊散射谱，即可测得频谱线宽；
S5 计算获得当前条件下的压强，并利用获得的压强和及步骤S4中得到的线宽，通过线宽与大气温度和压强之间的关系，即可得到大气温度信息。
5.根据权利要求4所述的一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，其中，所述线宽与大气温度和压强之间的关系具体为：
T＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，l表示线宽，p表示压强，ci表示系数，i＝1,2,…,9。
6.根据权利要求4或5所述的一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，其中，所述激光回波频谱信号光谱由瑞利散射谱，米氏散射谱，布里渊散射谱叠加而成，步骤S4中对所述激光回波频谱信号进行处理具体包括：
S301 采用高斯函数对激光回波频谱信号中的瑞利布里渊散射谱建模，所建模型为：
Figure FDA0002221521830000031
式中VRB(v)表示瑞利布里渊散射谱，VRayl(v)表示瑞利散射谱，
Figure FDA0002221521830000041
表示正向布里渊散射谱，
Figure FDA0002221521830000042
表示反向布里渊散射谱，
Figure FDA0002221521830000043
表示瑞利散射谱的强度；
S302 激光回波信号建模，其中采用狄尔克函数对米氏散射建模，得到：
Figure FDA0002221521830000044
式中V表示激光回波信号，IMie·δ(v)表示米氏散射谱，f(v)表示FP标准具相对应的器件函数，
Figure FDA0002221521830000045
表示卷积；
S303 使用莱温伯格-麦夸特最小二乘拟合算法和步骤S302中的激光回波信号模型对激光回波信号进行曲线拟合，得到相对应的瑞利布里渊谱线，即可测得频谱线宽。
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