CN107121712A - 差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法，根据光强闪烁对信标端大气湍流强度敏感、光束抖动对接收端湍流敏感的物理规律，采用同时统计激光信标经过大气后的光强闪烁与光束抖动信息的方法，利用差分运算得到一对分别对信标端湍流和接收端湍流敏感的参数，可扣除激光上行、仪器抖动或激光固有闪烁对测量影响，以及降低湍流随机性对测量的干扰。在此基础上，采用湍流强度的双指数模型来描述有限高度的湍流强度高度分布，根据模型中各指数项的物理含义采用一项指数项的系数用经验统计值、实时反演另一项指数项系数的方法，利用实时测量的差分抖动与差分闪烁反演指数项系数的方法能够实时得到湍流强度高度分布数据。
Description
技术领域
本发明涉及湍流廓线测量方法领域，具体是一种差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法。
背景技术
目前实时获取整层湍流廓线的一种先进方法是将差分光柱像运动激光雷达与等晕角测量仪配合使用，通过差分光柱像运动激光雷达对几千米高度范围的激光光柱成像、提取光柱的差分抖动信息获取大气相干长度廓线，通过等晕角测量仪测量恒星经过大气后的闪烁效应获取等晕角，结合湍流强度高度分布的三指数模型反演得到折射率结构常数廓线。由于该方法综合了光波经过大气后的光束抖动与光强闪烁效应，因此该方法能够实时获取整层的湍流强度分布廓线。但是其不足或需要改进之处也较为明显：首先，现有的差分光柱雷达需要对较大高度范围的激光光柱成像，必须采用旁轴结构设计，因此雷达的发射和接收系统间距较大、仪器过于庞大。其次，现有的差分光柱像运动雷达仅提取了激光光柱经过大气后湍流效应的光束抖动信息，光束抖动对低空湍流敏感对高空湍流不敏感，直接利用抖动数据反演湍流廓线的误差较大；为提高测量精度，系统中对高空湍流敏感的光强闪烁效应是通过等晕角测量仪观测恒星得到的，因此该测量方法需要两套设备配合，设计复杂、使用不便捷。最后，如果天空有薄云等晕角测量仪不能工作时该系统不能有效的给出有限距离的湍流廓线，不能开展有云天气湍流强度廓线变化规律的研究工作，限制了雷达系统的应用。
发明内容
本发明目的是针对已有技术在使用和在有限高度湍流廓线测量方面的不足，提供一种差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)布置同轴方式安装的激光发射系统和望远镜接收系统，以及用于接收望远镜接收系统输出光信号的探测器，激光发射系统发射的激光沿望远镜的光轴入射至大气中形成指定高度的激光光柱信标，望远镜上端具有一对入光口，望远镜下端具有出光口，望远镜的入光口中分别设有光阑，光阑上分别设有楔镜，激光光柱信标的回波信号经望远镜入光口的楔镜、光阑后进入望远镜，最后从望远镜出光口入射至探测器上，由于两楔镜的偏折作用，回波信号最终在探测器上成像为两个具有一定间距的双像；
(2)、进行差分光束抖动的基本数据处理：
首先根据光斑形态特征计算双像的成像位置，成像位置用光斑的质心来描述；获取双像的成像位置后，根据湍流随机理论计算双像质心的结构函数，完成了双像成像位置的差分运算，以消除激光上行传播湍流引起的光束抖动、发射和接收系统之间机械振动引起的双像抖动和激光器光束固有抖动对测量的干扰；根据湍流基本理论，光束抖动用到达角起伏方差描述时，直接测量量即到达角的结构函数与湍流强度的理论关系式如下所示：
其中Dα(d)表示有一定中心间距d的子孔径所探测到的到达角结构函数，该量是直接测量量；
为大气相干长度；其他参数：L为信标高度、k＝2π/λ为波数、d表示两子孔径即光阑的中心间距、D表示两子孔径的直径即光阑的直径、γ＝1-z/L是波形因子；
(3)、进行差分光强闪烁的基本数据处理：
在完成双像成像位置计算后，首先根据光斑成像区域大小获取每个子光斑的闪烁统计区域，然后分别计算两个光斑的成像区域信号强度和邻域的背景信号强度；得到信号强度和背景强度后，根据成像信号与背景信号是统计独立的规律扣除背景对统计闪烁的影响；最后计算信号强度的结构函数并按照均值进行归一化；计算双像的成像信号强度的结构函数和归一化过程完成了对光强闪烁的差分操作，并消除了激光回波信号随高度变化对数据处理的干扰；根据湍流基本理论，光强闪烁的归一化结构函数与湍流强度的理论关系式如下式所示，
其中为光强闪烁的归一化结构函数是直接可测量量，<S>表示成像信号的平均强度，为湍流强度廓线是最终获取量；其他参数，W'(z,L)为湍流强度的积分权重、J0、J1分别为0阶和1阶贝塞尔函数、a为信标直径；
(4)、进行依据湍流模式实时获取湍流廓线的基本数据处理：
首先采用湍流高度分布的指数模型描述湍流强度的高度分布，如下式所示：
其中为折射率结构常数廓线即湍流强度廓线，两项指数项分别表示近地面、对流层大气和其他层的大气本底对湍流强度的贡献，系数A、B表示了各层对湍流强度的最大贡献，系数H1、H2分别表示了近地面、对流层大气和大气本底对湍流强度的贡献量随高度增加的衰减快慢；
由于湍流强度主要受近地面、对流层大气的影响，大气本底对湍流强度的贡献非常小，为此各系数获取方法为：对于系数B、H2，如果仪器使用区域有历史上利用探空数据或其他方式建立的本地湍流强度统计模型，利用本地模式数据确定该两系数；如果没有，两系数采用广泛应用的HV湍流模型中的系数代替；对于系数A、H1，由于近地面、对流层湍流强度在一天中的日变化较大，需要根据实测的光强闪烁和光束抖动的结构函数通过数值计算得到。
本发明提出了一种实时测量有限距离湍流廓线的方法，即：仅采用激光信标，对激光信标经过大气后的光束抖动效应和闪烁效应进行差分运算，通过差分运算消除激光上行传播湍流效应的干扰、消除激光光源本身光束抖动和光强稳定性对测量的干扰，然后同时获取对低空湍流效应敏感的湍流效应(光束下行传播的光束抖动效应)和对高空湍流敏感的湍流效应(光束下行传播的光强闪烁效应)参数，在此基础上结合简化的湍流模式通过数值反演即可得到湍流廓线。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明利用激光信标同时获取激光下行传播的光束抖动与光强闪烁效应，两种湍流效应是激光信标经过相同的传播路径产生，因此该方法能够减轻不同路径湍流随机性对测量的干扰，获取的湍流廓线实时性高；该方法利用激光的闪烁效应提取高空湍流信息因此不需要利用等晕角测量仪观测恒星，仪器结构简单；仪器不需要同时对较大高度范围的激光光柱同时成像，仅观测很小高度范围的激光光柱，因此可以采用同轴或准同轴的方式设计，结构紧凑，如果增加二维扫描台能够测量指定方向(指定仰角、指定方位角)的湍流廓线，提高了设备的通用性。本发明采用广泛使用的湍流高度分布双指数模型，根据双指数模型各项的物理含义，通过数值反演能够快速得到基于模型的湍流强度高度分布该发明是对传统湍流廓线实时测量手段的一种扩展和有效的补充。
附图说明
图1为差分光柱像运动闪烁激光雷达的发射和接收设计示意图。
图2为差分光强闪烁的湍流强度积分权重。
图3为差分光柱像运动的湍流强度积分权重。
具体实施方式
如图1所示，差分光柱像运动闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法，所设计的激光发射系统包括：激光器1、凹透镜2、凸透镜3、反射镜对4、5。激光器1发射的激光依次经过凹透镜2和凸透镜3后被反射镜对4、5反射，然后沿着望远镜光轴方向入射到大气中形成激光光柱信标。反射镜对4、5按照镜面准平行的方式安装，两组镜面的夹角可微调，通过微调两组镜面的夹角来微调激光的指向性，使发射激光按照与接收望远镜8的光轴平行的方向发射。
如图1所示，本发明望远镜接收系统包括：楔镜6、光阑7、望远镜8、窄带滤光片9，望远镜8输出光信号至探测器10。其中楔镜6以楔角方向平行向外的方式安装在光阑7上、光阑7安装在望远镜8的入光口处；窄带滤光片安装在望远镜8出光口与探测器10之间，探测器10安装在望远镜8的焦平面处。激光发射系统发射的激光光柱信标的回波信号依次经过楔镜6、光阑7、望远镜8和窄带滤光片9后在探测器10成像，一对楔镜6的偏折作用使指定高度的激光光柱信标的回波信号在探测器的成像为两个有一定间距的双像，成双像设计为差分激光光柱信标经过大气后的光束抖动和光强闪烁效应提供基本的数据支持；窄带滤光片9的作用是在白天观测时抑制天空背景，提高信噪比。
本发明差分光柱像运动闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法中，差分光束抖动的基本数据处理方法为：首先根据光斑形态特征计算双像的成像位置，成像位置用光斑的质心来描述。获取双像的成像位置后，根据湍流随机理论计算双像质心的结构函数，该操作完成了双像成像位置的差分运算，以消除激光上行传播湍流引起的光束抖动、发射和接收系统之间机械振动引起的双像抖动和激光器光束固有抖动对测量的干扰。根据湍流基本理论，光束抖动用到达角起伏方差描述时，直接测量量(到达角的结构函数)与湍流强度的理论关系式如下所示：
其中Dα(d)表示有一定中心间距d的子孔径所探测到的到达角结构函数，该量是直接测量量；
为大气相干长度；其他参数：L为信标高度、k＝2π/λ为波数、d表示两子孔径(光阑7)的中心间距、D表示两子孔径的直径(光阑7的直径)、γ＝1-z/L是波形因子。根据该关系式计算的光束抖动湍流强度积分权重如图2所示。从图2看出，在完成了双像质心的差分运算后得到的直接测量量是对低空湍流敏感的。
本发明差分光柱像运动闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法中，差分光强闪烁的基本数据处理方法为：在完成双像成像位置计算后，首先根据光斑成像区域大小获取每个子光斑的闪烁统计区域，然后分别计算两个光斑的成像区域信号强度和邻域的背景信号强度；得到信号强度和背景强度后，根据成像信号与背景信号是统计独立的规律扣除背景对统计闪烁的影响；最后计算信号强度的结构函数并按照均值进行归一化。计算双像的成像信号强度的结构函数和归一化过程完成了对光强闪烁的差分操作，并消除了激光回波信号随高度变化对数据处理的干扰。根据湍流基本理论，光强闪烁的归一化结构函数与湍流强度的理论关系式如下式所示，
其中为光强闪烁的归一化结构函数是直接可测量量，<S>表示成像信号的平均强度，为湍流强度廓线是最终获取量。其他参数，W'(z,L)为湍流强度的积分权重、J0、J1分别为0阶和1阶贝塞尔函数、a为信标直径。根据该关系式计算的差分光强闪烁湍流强度积分权重如图3所示。从图3看出，本发明所采用的差分闪烁运算方法得到的直接测量量是对高空湍流敏感的。
本发明差分光柱像运动闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法中，依据湍流模式实时获取湍流廓线的基本数据处理方法为：首先采用湍流高度分布的指数模型描述湍流强度的高度分布，
其中为折射率结构常数廓线(即湍流强度廓线)，两项指数项分别表示近地面、对流层大气和其他层的大气本底对湍流强度的贡献，系数A、B表示了各层对湍流强度的最大贡献，系数H1、H2分别表示了近地面、对流层大气和大气本底对湍流强度的贡献量随高度增加的衰减快慢。由于湍流强度主要受近地面、对流层大气的影响，大气本底对湍流强度的贡献非常小，为此各系数获取方法为：对于系数B、H2，如果仪器使用区域有历史上利用探空数据或其他方式建立的本地湍流强度统计模型，利用本地模式数据确定该两系数；如果没有，两系数采用广泛应用的HV湍流模型中的系数代替；对于系数A、H1，由于近地面、对流层湍流强度在一天中的日变化较大，需要根据实测的光强闪烁和光束抖动的结构函数通过数值计算得到。
本发明中，激光器发射的激光依次经过凹透镜和凸透镜组成的准直器后被准直发射，激光柱以一定的束径照射指定高度的大气，大气的后向散射光形成与光束直径相同的非相干扩展信标。指定高度的激光信标光下行传播，经过接收望远镜主镜前的一对圆孔光阑、安装在圆孔上的楔镜后在接收望远镜的焦平面成双像，所成的双像被CCD探测。由于激光器本身固有的强度起伏、固有的光束抖动和激光经过上行传播、下行传播后的湍流效应影响，双像的成像位置(反映了光束抖动信息)和成像强度是随机起伏的，该随机起伏包含了湍流对激光传播的影响，因此，通过对激光信标的成像位置和强度进行统计分析能够得到反演湍流廓线所需的湍流效应参数，具体数据处理方式及理论依据为：
1、光强闪烁(即成像强度的随机起伏)大小与湍流强度的高度分布和闪烁效应的积分权重高度分布有关；由于湍流强度随着高度的增加迅速衰减，准确测量高空湍流需要用对高空湍流敏感、对低空湍流相对不敏感的湍流效应参数。根据激光传输的基本理论，与激光信标距离近的湍流对光强闪烁效应的贡献最大，与接收望远镜距离近的湍流对闪烁效应贡献不大。为此，本发明设计的数据处理方式为，对双像的成像强度进行差分运算以消除激光上行的闪烁(激光器本身的能量起伏和激光上行传播湍流的影响共同引起)后，所统计的双像闪烁数据仅受激光下行传播湍流引起的光强闪烁效应影响，该处理方法得到了对高空湍流敏感、对低空湍流不敏感的湍流效应参数。
2、光束抖动对接端的湍流最敏感，但对高空湍流不敏感。据此，本发明设计的数据处理方式为，对激光信标所成的双像位置(反映了光束抖动)进行差分以消除激光上行的光束抖动(激光器本身的光束指向不稳定和激光上行传播湍流的影响共同引起)影响，得到对激光信标下行传播湍流引起的光束抖动。该处理方法得到了对低空湍流敏感、对高空湍流不敏感的湍流效应参数。
在通过差分处理分别得到对高空湍流和低空湍流敏感的湍流效应参数后，本发明所采用的湍流廓线反演方法及理论依据为：
根据描述湍流的经典理论，湍流强度的高度分布能够用指数模型准确描述。在湍流强度廓线的最大高度不高于对流层顶时，湍流强度的高度分布常用双指数模型描述。双指数模型的一个指数项描述了平流层湍流对湍流高度分布的影响，由于平流层相对稳定，因此该描述项的系数变化不大可用常数代替。另一个指数项描述了近地面和对流层湍流对湍流高度分布的影响，指数项的强度项描述了近地面湍流强度的贡献、衰减项描述了近地面到对流层范围湍流强度的衰减快慢；由于近地面和对流层的湍流日变化剧烈，因此该项的描述系数需要实时获取。根据此理论，本发明通过测量一组对高空湍流敏感和对低空湍流敏感的湍流效应参数，通过数值反演湍流模式中相应指数项的两个系数，能够准确得到基于模式的湍流强度高度分布廓线。
Claims (1)
1.差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)布置同轴方式安装的激光发射系统和望远镜接收系统，以及用于接收望远镜接收系统输出光信号的探测器，激光发射系统发射的激光沿望远镜的光轴入射至大气中形成指定高度的激光光柱信标，望远镜上端具有一对入光口，望远镜下端具有出光口，望远镜的入光口中分别设有光阑，光阑上分别设有楔镜，激光光柱信标的回波信号经望远镜入光口的楔镜、光阑后进入望远镜，最后从望远镜出光口入射至探测器上，由于两楔镜的偏折作用，回波信号最终在探测器上成像为两个具有一定间距的双像；
(2)、进行差分光束抖动的基本数据处理：
首先根据光斑形态特征计算双像的成像位置，成像位置用光斑的质心来描述；获取双像的成像位置后，根据湍流随机理论计算双像质心的结构函数，完成了双像成像位置的差分运算，以消除激光上行传播湍流引起的光束抖动、发射和接收系统之间机械振动引起的双像抖动和激光器光束固有抖动对测量的干扰；根据湍流基本理论，光束抖动用到达角起伏方差描述时，直接测量量即到达角的结构函数与湍流强度的理论关系式如下所示：
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为大气相干长度；其他参数：L为信标高度、k＝2π/λ为波数、d表示两子孔径即光阑的中心间距、D表示两子孔径的直径即光阑的直径、γ＝1-z/L是波形因子；
(3)、进行差分光强闪烁的基本数据处理：
在完成双像成像位置计算后，首先根据光斑成像区域大小获取每个子光斑的闪烁统计区域，然后分别计算两个光斑的成像区域信号强度和邻域的背景信号强度；得到信号强度和背景强度后，根据成像信号与背景信号是统计独立的规律扣除背景对统计闪烁的影响；最后计算信号强度的结构函数并按照均值进行归一化；计算双像的成像信号强度的结构函数和归一化过程完成了对光强闪烁的差分操作，并消除了激光回波信号随高度变化对数据处理的干扰；根据湍流基本理论，光强闪烁的归一化结构函数与湍流强度的理论关系式如下式所示，
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其中为光强闪烁的归一化结构函数是直接可测量量，<S>表示成像信号的平均强度，为湍流强度廓线是最终获取量；其他参数，W'(z,L)为湍流强度的积分权重、J0、J1分别为0阶和1阶贝塞尔函数、a为信标直径；
(4)、进行依据湍流模式实时获取湍流廓线的基本数据处理：
首先采用湍流高度分布的指数模型描述湍流强度的高度分布，如下式所示：
<mrow>
<msubsup>
<mi>C</mi>
<mi>n</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>z</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>Ae</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>z</mi>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>H</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mrow>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>Be</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>z</mi>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>H</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</msup>
</mrow>
其中为折射率结构常数廓线即湍流强度廓线，两项指数项分别表示近地面、对流层大气和其他层的大气本底对湍流强度的贡献，系数A、B表示了各层对湍流强度的最大贡献，系数H1、H2分别表示了近地面、对流层大气和大气本底对湍流强度的贡献量随高度增加的衰减快慢；
由于湍流强度主要受近地面、对流层大气的影响，大气本底对湍流强度的贡献非常小，为此各系数获取方法为：对于系数B、H2，如果仪器使用区域有历史上利用探空数据或其他方式建立的本地湍流强度统计模型，利用本地模式数据确定该两系数；如果没有，两系数采用广泛应用的HV湍流模型中的系数代替；对于系数A、H1，由于近地面、对流层湍流强度在一天中的日变化较大，需要根据实测的光强闪烁和光束抖动的结构函数通过数值计算得到。
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