CN108088482B - 一种大气环境双参数同步测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气环境双参数同步测量方法和系统,涉及激光雷达领域,包括步骤:激光发射装置得到已知大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,并测量当前的大气环境的温度及压强量;构建大气瑞利布里渊散射谱的数学模型;将大气瑞利布里渊散射谱线和数学模型进行拟合,得到布里渊散射谱线内部成分,并构建布里渊散射谱内部成分与大气压强和温度之间的联系;激光发射装置得到待测大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,根据分离得到的布里渊散射谱线的内部成分,计算得到待测大气环境中温度及压强量。本发明提供的大气环境双参数同步测量的方法,可以同步精确测量大气环境参数,测量精度较高。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域,特别涉及一种大气环境双参数同步测量方法及系统。
背景技术
现有技术中,为了测量大气环境参数,利用布里渊激光雷达系统发射激光信号,并采集激光散射的回波信号,通过提取该回波信号的特征参数得到大气环境中温度及压强等参数,从而实时地获取不同海拔高度下的温度和压强变化。
然而,在大气环境下,采集到激光散射的回波信号的特征参数的准确度较差,并且无法做到精确同步测量大气环境参数,而通过提取布里渊散射谱线的内部成分,可以做到更为精确反演大气中的压强和温度参量,并且可以做到同步反演。
发明内容
有鉴于此,本发明提出一种可以利用布里渊散射谱线,消除瑞利散射谱线的干扰,精确同步测量大气环境双参数,测量精度较高的大气环境双参数同步测量方法及系统。
一种大气环境双参数同步测量方法,包括如下步骤:
S1:利用激光发射装置在已知大气环境中发射激光,并采集所述激光的散射回波信号,得到已知大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,并测量得到当前的大气环境的温度和压强参量;
S2:构建大气瑞利布里渊散射谱线的数学模型,所述数学模型参数包括:大气环境参数、大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽、大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率;
S3:根据已测量的大气环境参数值,将所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线和数学模型进行拟合,得到散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率;
S4:构建所述数学模型中大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率和大气中温度及压强参量之间的联系;
S5:利用激光发射装置在待测大气环境中发射激光,并采集所述激光的散射回波信号,得到待测大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,根据分离得到的所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线的的半高线宽及中心频率,计算得到待测大气环境的温度和压强参量。
在本发明所述的大气环境双参数同步测量方法中,
所述数学模型的表达式为:
S(Γ0,v0)=S(Γb-,vb-)+S(Γb+,vb+)+S(Γ1,v1)
式中,S(Γb-,vb-)表示反斯托克斯峰谱线,vb-为反斯托克斯峰的中心频率,Γb-为反斯托克斯峰的半高线宽,S(Γb+,vb+)为正斯托克斯峰谱线,vb+为正斯托克斯峰的中心频率,Γb+为正斯托克斯峰的半高线宽,S(Γ0,v0)为大气瑞利布里渊散射谱线,v0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率,Γ0为大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽,v1为瑞利峰谱线的中心频率,Γ1为瑞利散射谱线的半高线宽,S(Γ1,v1)为瑞利散射谱线。
在本发明所述的大气环境双参数同步测量方法中,
所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线、瑞利峰谱线的表达式相同,对应的中心频率和半高线宽不同,当所述大气环境参数为大气温度时,所述大气瑞利布里渊散射谱线的表达式具体为:
式中,v为中心频率,Γ为半高线宽。
在本发明所述的大气环境双参数同步测量方法中,
在步骤S1得到所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线后,对所述大气瑞利布里渊散射谱线进行滤波处理,步骤S3中将滤波后的大气瑞利布里渊散射谱线和数学模型进行拟合,得到大气瑞利布里渊散射谱线的内部成分。
在本发明所述的大气环境双参数同步测量方法中,利用大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率及半高线宽与大气中温度和压强参量之间的联系,构建大气环境双参数同步反演模型:
T(Γ,v)=a1+a2·v+a3·lnΓ+a4·v2+a5·ln2Γ+a6·v·lnΓ
P(Γ,v)=b1+b2·v+b3·lnΓ+b4·v2+b5·ln2Γ+b6·v·lnΓ。
式中,参数a1~a6,b1~b6是通过回归拟合的方法得到的,能够将温度T(Γ,v)/压强P(Γ,v)表示为关于布里渊频移v和布里渊线宽Γ的经验拟合公式。其中,中心频率v和半高线宽Γ的单位为GHz,参数a1~a6和b1~b6为常数。
本发明还提供一种大气环境双参数同步测量系统,包括如下组件:
激光发射装置,用于利用激光发射装置在已知大气环境中发射激光,并采集所述激光的散射回波信号,得到已知大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线;
检测装置,用于测量得到当前的大气环境的温度和压强参量;
模型构建模块,用于构建大气瑞利布里渊散射谱线的数学模型,所述数学模型参数包括:大气环境参数、大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽、大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率;
解析模块,用于根据已测量的大气环境参数值,将所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线和数学模型进行拟合,得到散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率;并构建所述数学模型中大气布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率和大气中温度及压强参量之间的联系;
运算模块,用于利用激光发射装置在待测大气环境中发射激光,并采集所述激光的散射回波信号,得到待测大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,根据分离所述散射回波信号的得到的布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率,计算得到待测大气环境的温度和压强参量。
在本发明所述的大气环境双参数同步测量系统中,
所述数学模型的表达式为:
S(Γ0,v0)=S(Γb-,vb-)+S(Γb+vb+)+S(Γ1,v1)
式中,S(Γb-,vb-)表示反斯托克斯峰谱线,vb-为反斯托克斯峰的中心频率,Γb-为反斯托克斯峰的半高线宽,S(Γb+,vb+)为正斯托克斯峰谱线,vb+为正斯托克斯峰的中心频率,Γb+为正斯托克斯峰的半高线宽,S(Γ0,v0)为大气瑞利布里渊散射谱线,v0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率,Γ0为大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽,v1为瑞利峰谱线的中心频率,Γ1为瑞利散射谱线的半高线宽,S(Γ1,v1)为瑞利散射谱线。
在本发明所述的大气环境双参数同步测量系统中,
所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线、瑞利峰谱线的表达式相同,对应的中心频率和半高线宽不同,当所述大气环境参数为大气温度时,所述大气瑞利布里渊散射谱线的表达式具体为:
式中,v为中心频率,Γ为半高线宽。
在本发明所述的大气环境双参数同步测量系统中,
还包括滤波处理模块,用于对所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线进行滤波处理。
在本发明所述的大气环境双参数同步测量系统中,利用布里渊散射谱线的中心频率及半高线宽与大气中温度和压强参量之间的联系,构建大气环境双参数同步反演模型:
T(Γ,v)=a1+a2·v+a3·lnΓ+a4·v2+a5·ln2Γ+a6·v·lnΓ
P(Γ,v)=b1+b2·v+b3·lnΓ+b4·v2+b5·ln2Γ+b6·v·lnΓ。
式中,参数a1~a6,b1~b6是通过回归拟合的方法得到的,能够将温度T(Γ,v)/压强P(Γ,v)表示为关于布里渊频移v和布里渊线宽Γ的经验拟合公式。其中,布里渊频移v和布里渊线宽T的单位为GHz,参数a1~a6和b1~b6为常数。
实施本发明提供的大气环境双参数同步测量方法及系统与现有技术相比具有以下有益效果:
(1)本发明的大气环境双参数同步测量方法,可以利用布里渊散射谱线内部成分,消除瑞利散射谱线的干扰,进而精确同步测量大气环境压强和温度量,提高了测量精度。
(2)本发明的大气环境参数的测量方法,根据已知大气环境解析得到布里渊散射谱线内部参量,在需要测量未知大气环境参数时,只需根据布里渊散射谱线的中心频率和半高线宽即可计算出待测大气环境温度和压强量,不仅可以同步地测量出大气环境双参数,实时性好,而且方法简单,操作方便,测量效率高,节省了人力物力。
(3)本发明的大气环境参数的测量方法,在得到散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线后,对其进行滤波处理,从而消除外界光源在大气中反射或散射光线的干扰、以及激光发射装置中器件的影响,使大气环境参数的测量更加精准。
附图说明
图1是本发明实施例的大气环境双参数同步测量方法流程图。
具体实施方式
如图1所示,大气环境双参数同步测量方法,,包括如下步骤:
S1:激光发射装置在已知大气环境中发射激光,并采集激光的散射回波信号,得到散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,并测量当前的大气环境参数值,激光发射装置为激光雷达系统;
可选地,所述激光发射装置为激光雷达系统。
S2:对大气瑞利布里渊散射谱线进行滤波处理,消除外界光源在大气中反射或散射光线的干扰、以及激光发射装置中器件的影响,使大气环境参数的测量更加精准;
S3:构建大气瑞利布里渊散射谱的数学模型,数学模型参数包括:大气环境参数、G因子参数、大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率,数学模型的表达式为:
式中,表示反斯托克斯峰谱线,为反斯托克斯峰的中心频率,为正斯托克斯峰谱线,为正斯托克斯峰的中心频率,S(ω0)为大气瑞利布里渊散射谱线,ω0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率,ω1为瑞利峰谱线的中心频率,S(ω1)为瑞利峰谱线;
S4:根据已测量的大气环境参数值,将滤波后的大气瑞利布里渊散射谱线和数学模型进行拟合,得到布里渊散射谱线的内部成分;
S5:激光发射装置在待测大气环境中发射激光,并采集激光的散射回波信号,得到待测大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,根据分离得到的布里渊散射谱线的内部成分,计算得到待测大气环境参数。
本发明实施例提供了一种大气环境双参数同步测量系统,包括:激光发射装置、滤波处理模块、检测装置、滤波处理模块、模型构建模块、解析模块和运算模块。
激光发射装置用于在大气环境中发射激光,并采集激光的散射回波信号,得到散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线。检测装置用于测量大气环境参数值。滤波处理模块用于对大气瑞利布里渊散射谱线进行滤波处理。
模型构建模块,其用于构建大气瑞利布里渊散射谱的数学模型,数学模型参数包括:大气环境参数、大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽、大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率,所述数学模型的表达式为:
s(Γ0,v0)=S(Γb-,vb-)+s(Γb+,vb+)+S(Γ1,v1)
式中,S(Γb-,vb-)表示反斯托克斯峰谱线,vb-为反斯托克斯峰的中心频率,Γb-为反斯托克斯峰的半高线宽,S(Γb+,vb+)为正斯托克斯峰谱线,vb+为正斯托克斯峰的中心频率,Γb+为正斯托克斯峰的半高线宽,S(Γ0,v0)为大气瑞利布里渊散射谱线,v0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率,Γ0为大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽,v1为瑞利峰谱线的中心频率,Γ1为瑞利散射谱线的半高线宽,S(Γ1,v1)为瑞利散射谱线;
解析模块用于根据已测量的大气环境参数值,将大气瑞利布里渊散射谱线和数学模型进行拟合,得到布里渊散射谱线的内部成分。
运算模块,其用于根据所述布里渊散射谱线的内部成分,同步计算得到待测大气环境温度和压强量。
当大气环境参数的测量系统需要测量大气温度时,,所述大气瑞利布里渊散射谱线的表达式具体为:
式中,v为中心频率,Γ为半高线宽。
本发明实施例中的的大气环境双参数同步测量方法及系统,一方面,可以利用布里渊散射谱线,消除瑞利散射谱线的干扰,精确测量得到布里渊散射谱线内部成分,提高了测量精度。
另一方面,根据已知大气环境得到布里渊散射谱线内部成分,在需要测量未知大气环境参数时,只需根据布里渊散射谱线的中心频率和半高线宽即可计算出待测大气环境参数,不仅可以实时地同测量出大气环境中温度和压强量,实时性好,而且方法简单,操作方便,测量效率高,节省了人力物力。
可以理解的是,对于本领域的普通技术人员来说,可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形,而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种大气环境双参数同步测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:利用激光发射装置在已知大气环境中发射激光,并采集所述激光的散射回波信号,得到已知大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,并测量得到当前的大气环境的温度和压强参量;
S2:构建大气瑞利布里渊散射谱线的数学模型,所述数学模型参数包括:大气环境参数、大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽、大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率;
S3:根据已测量的大气环境参数值,将所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线和所述数学模型进行拟合,得到所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率;
S4:构建所述数学模型中大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率和大气中温度及压强参量之间的联系;
S5:利用激光发射装置在待测大气环境中发射激光,并采集所述激光的散射回波信号,得到待测大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,根据分离得到的所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率,计算得到待测大气环境的温度和压强参量;
所述数学模型的表达式为:
S(Γ0,v0)=S(Γb-,vb-)+S(Γb+,vb+)+S(Γ1,v1)
式中,S(Γb-,vb-)表示反斯托克斯峰谱线,vb-为反斯托克斯峰的中心频率,Γb-为反斯托克斯峰的半高线宽,S(Γb+,vb+)为正斯托克斯峰谱线,vb+为正斯托克斯峰的中心频率,Γb+为正斯托克斯峰的半高线宽,S(Γ0,v0)为大气瑞利布里渊散射谱线,v0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率,Γ0为大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽,v1为瑞利峰谱线的中心频率,Γ1为瑞利散射谱线的半高线宽,S(Γ1,v1)为瑞利散射谱线;
所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线、瑞利峰谱线的表达式相同,对应的中心频率和半高线宽不同,当所述大气环境参数为大气温度时,所述大气瑞利布里渊散射谱线的表达式具体为:
式中,v为中心频率,Γ为半高线宽。
2.如权利要求1所述的大气环境双参数同步测量方法,其特征在于,
在步骤S1得到所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线后,对所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线进行滤波处理,步骤S3中将滤波后的散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线和数学模型进行拟合,得到散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线的内部成分。
3.如权利要求1所述的大气环境双参数同步测量方法,其特征在于,利用布里渊散射谱线的中心频率及半高线宽与大气中温度和压强参量之间的联系,构建大气环境双参数同步反演模型:
T(Γ,v)=a1+a2·v+a3·lnΓ+a4·v2+a5·ln2Γ+a6·v·lnΓ
P(Γ,v)=b1+b2·v+b3·lnΓ+b4·v2+b5·ln2Γ+b6·v·lnΓ;
式中,参数a1~a6,b1~b6是通过回归拟合的方法得到的,能够将温度T(Γ,v)/压强P(Γ,v)表示为关于中心频率v和半高线宽Γ的经验拟合公式;其中,中心频率v和半高线宽Γ的单位为GHz,参数a1~a6和b1~b6为常数。
4.一种大气环境双参数同步测量系统,其特征在于,包括如下组件:
激光发射装置,用于利用激光发射装置在已知大气环境中发射激光,并采集所述激光的散射回波信号,得到已知大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线;
检测装置,用于测量得到当前的大气环境的温度和压强参量;
模型构建模块,用于构建大气瑞利布里渊散射谱线的数学模型,所述数学模型参数包括:大气环境参数、大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽、大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率;
解析模块,用于根据已测量的大气环境参数值,将所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线和所述数学模型进行拟合,得到所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率;并构建所述数学模型中大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率和大气中温度及压强参量之间的联系;
运算模块,用于利用激光发射装置在待测大气环境中发射激光,并采集所述激光的散射回波信号,得到待测大气环境中散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线,根据分离得到的所述散射回波信号的布里渊散射谱线的半高线宽及中心频率,计算得到待测大气环境的温度和压强参量;
所述数学模型的表达式为:
S(Γ0,v0)=S(Γb-,vb-)+S(Γb+,vb+)+S(Γ1,v1)
式中,S(Γb-,vb-)表示反斯托克斯峰谱线,vb-为反斯托克斯峰的中心频率,Γb-为反斯托克斯峰的半高线宽,S(Γb+,vb+)为正斯托克斯峰谱线,vb+为正斯托克斯峰的中心频率,Γb+为正斯托克斯峰的半高线宽,S(Γ0,v0)为大气瑞利布里渊散射谱线,v0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率,Γ0为大气瑞利布里渊散射谱线的半高线宽,v1为瑞利峰谱线的中心频率,Γ1为瑞利散射谱线的半高线宽,S(Γ1,v1)为瑞利散射谱线;
所述反斯托克斯峰谱线、正斯托克斯峰谱线、瑞利峰谱线的表达式相同,对应的中心频率和半高线宽不同,当所述大气环境参数为大气温度时,所述大气瑞利布里渊散射谱线的表达式具体为:
式中,v为中心频率,Γ为半高线宽。
5.如权利要求4所述的大气环境双参数同步测量系统,其特征在于,
还包括滤波处理模块,用于对所述散射回波信号的大气瑞利布里渊散射谱线进行滤波处理。
6.如权利要求4所述的大气环境双参数同步测量系统,其特征在于,利用布里渊散射谱线的中心频率及半高线宽与大气中温度和压强参量之间的联系,构建大气环境双参数同步反演模型:
T(Γ,v)=a1+a2·v+a3·lnΓ+a4·v2+a5·ln2Γ+a6·v·lnΓ
P(Γ,v)=b1+b2·v+b3·lnΓ+b4·v2+b5·ln2Γ+b6·v·lnΓ;
式中,参数a1~a6,b1~b6是通过回归拟合的方法得到的,能够将温度T(Γ,v)/压强P(Γ,v)表示为关于中心频率v和半高线宽Г的经验拟合公式;其中,中心频率v和半高线宽Г的单位为GHz,参数a1~a6和b1~b6为常数。
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