CN108827482B - 对流层大气温度廓线测量方法、装置及控制方法 - Google Patents

对流层大气温度廓线测量方法、装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种对流层大气温度廓线测量方法、装置及控制方法，通过单片机控制接收系统的位置来改变接收系统的探测角度，在该探测角度接收返回的瑞利‑布里渊散射信号，并基于瑞利‑布里渊散射理论反演温度，结合接收系统与激光发射装置之间的水平距离、接收系统离地面的垂直高度和探测角度，根据几何理论，获得发生散射信号的具体高度信息，最终获得不同高度大气对流层的温度廓线。本发明具有独特性，获取数据快，计算简便的优势，有效的解决了使用连续激光器难以从测得的大气自发瑞利‑布里渊散射谱中获得高度信息的问题；提高了接收散射信号的能力；具有精度和空间分辨率高的优点。

Description

对流层大气温度廓线测量方法、装置及控制方法
技术领域
本发明涉及大气探测技术，具体地涉及一种基于瑞利-布里渊散射对流层大气温度廓线测量方法、装置及控制方法。
背景技术
大气温度是大气科学研究中一个重要的气象参量，根据整个地球大气成分、温度、密度等物理性质在垂直方向上的变化，大气在垂直方向上被分为五层，每层大气温度变化特性各有特点。其中对流层温度受地面影响最大，并且上界因纬度和季节而不同，因此该层温度廓线的精确测量具有研究意义。
随着大气探测技术的发展，瑞利-布里渊散射激光探测技术作为一种新兴的探测技术，已被广泛应用于大气特征参数的测量、激光大气传输、全球气候预测、大气环境监测等研究邻域。由于瑞利-布里渊散射测量的不是激光回波的幅度，而是散射光的频移，是一种调频的测量方法，具有高信噪比、高灵敏度的优点。
在对大气瑞利-布里渊散射一系列的研究中，通常使用连续激光器探测的大气后向瑞利-布里渊散射信号是由不同高度上的散射信号累加而成，尽管增强了散射信号的强度，但不能明确激光散射点的位置。此外，另一种较为广泛的测量大气温度廓线的方法是通过使用脉冲激光器探测一定高度的后向180°的回波信号，进而获得该点大气温度、压强、风速等物理信息，但这种测温的方法需要较大的脉冲能量和精准的时间控制。因此，为了研究连续激光器测量的大气瑞利-布里渊散射具体是激光束上哪一点返回的散射信号，一种对流层大气温度廓线测量的方法及装置根据获得的散射角、几何定理以及高精度可控的装置，对具体发生瑞利-布里渊散射的高度进行了确定，进而获得大气对流层的温度廓线。具有操作灵活、计算简单、空间分辨率高、探测范围广、精度高的优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种对流层大气温度廓线的测量方法，实现对连续激光束与大气气体分子相互作用产生的瑞利-布里渊散射信号的具体高度的测量，获得发生散射信号的具体高度信息。
本发明采用以下技术方案实现上述目的。对流层大气温度廓线测量方法，通过单片机控制接收系统的位置来改变接收系统的探测角度，在该探测角度接收返回的瑞利-布里渊散射信号，并基于瑞利-布里渊散射理论反演温度，结合接收系统与激光发射装置之间的水平距离、接收系统离地面的垂直高度和探测角度，根据几何理论，获得发生散射信号的具体高度信息，最终获得不同高度大气对流层的温度廓线；
根据布里渊频移获取温度，并服从公式：
θ＝180°-α (3)
式(1)中：vB是布里渊频移，n为介质的折射率，vs为介质中的声速，λ为紫外波段的入射激光波长，θ为散射角，±为对应的斯托克斯与反斯托克斯光；
式(2)中：γ为绝热系数，R为通用气体常数，T为绝对温度，m为气体分子质量；
式(3)中：α是接收系统的探测角度，为已知量；
因此，由公式(1)、(2)和(3)可得探测点的绝对温度
根据几何定理：
H＝Stanα+h (4)
式(4)中：H为探测点离地平面的垂直高度，S为接收系统离激光束的水平距离，h为接收系统离地面的垂直高度。
一种对流层大气温度廓线测量装置，包括激光光源，所述激光光源的一侧设置有导轨，导轨上安装有接收系统，接收系统通过光纤与第一光纤耦合器连接，第一光纤耦合器与第二光纤耦合器之间依次设置有滤光片、第一凸透镜、第二凸透镜、狭缝、F-P扫描干涉仪和第三凸透镜，F-P扫描控制仪分别连接有示波器和F-P扫描干涉仪；第二光纤耦合器连接有光子探测器；光子探测器和示波器均经数据采集卡与计算机连接；单片机分别与角度传感器、驱动显示电路和驱动器连接，驱动器通过电机连接导轨。
进一步，所述激光光源的一侧装有导轨或二维转台，导轨或二维转台上安装有接收系统。
一种对流层大气温度廓线测量装置的控制方法，激光光源发出的激光与大气气体分子相互作用产生的瑞利-布里渊散射信号由接收系统接收后通过光纤传输到光纤耦合器，经滤光片滤除环境中的杂散光，再经由第一凸透镜、第二凸透镜和狭缝所组成的空间准直滤波系统进行准直和滤波，然后散射信号通过F-P扫描干涉仪进行频鉴，经第三凸透镜聚焦进入第二光纤耦合器后，再由光子探测器进行探测，最后探测到的散射信号由数据采集卡采集并传输到计算机；F-P扫描控制仪输出锯齿波电压，并控制F-P扫描干涉仪中出射腔镜上的压电陶瓷来回振动，从而改变F-P扫描干涉仪的光学腔长，实现对气体瑞利-布里渊散射频谱的扫描，散射信号再经第三凸透镜聚焦到第二光纤耦合器进行探测；F-P扫描控制仪输出的控制信号和数据采集卡输出的脉冲信号在示波器显示；单片机通过控制驱动器驱动电机调整角度，电机带动导轨或二维转台转动的同时，角度传感器中感应的对应角度值读入单片机，并在驱动显示电路上显示角度值，再与电机设置的角度值比较，如果给定的角度值与读回的角度值在偏差的允许范围内，则电机停止调整。
进一步，所述激光器为高功率连续激光器，线宽小于100MHz。
进一步，所述接收系统为施密特-卡塞格林望远镜。
进一步，所述导轨的运动角度精度达到0.01”。
进一步，所述二维转台的运动角度精度达到0.01”。
进一步，所述F-P扫描干涉仪为共焦球面干涉仪。
本发明技术优势如下：一、利用探测到的瑞利-布里渊散射谱获取温度信息，再结合几何定理，计算出探测点的高度，该测量方法具有独特性，获取数据快，计算简便的优势，有效的解决了使用连续激光器难以从测得的大气自发瑞利-布里渊散射谱中获得高度信息的问题。二、接收系统采用施密特-卡塞格林望远镜，不仅扩大了探测的高度，还提高了接收散射信号的能力。三、采用高精度的控制系统，精确控制导轨或二维转台的运动角度，使导轨或二维转台带动接收系统，改变其探测角度，获得不同高度返回的瑞利-布里渊散射谱，具有精度和空间分辨率高的优点。
附图说明
图1为本发明的实施例一的装置原理图；
图2为本发明的实施例二的装置原理图；
图3为不同高度的大气瑞利-布里渊散射信号频谱；
图4为对流层大气温度随高度变化曲线；
图中：1.激光光源，2.接收系统，3.导轨、4.二维转台，5.光纤，6.第一光纤耦合器，7.滤光片，8.第一凸透镜，9.第二凸透镜，12.第三凸透镜，10.狭缝，11.F-P扫描干涉仪，13.第二光纤耦合器，14.光子探测器，15.数据采集卡，16.计算机，17.F-P扫描控制仪，18.示波器，19.单片机，20.角度传感器，21.驱动器，22.电机，23.驱动显示电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图2，对流层大气温度廓线测量方法，通过单片机控制接收系统的位置来改变接收系统的探测角度，在该探测角度接收返回的瑞利-布里渊散射信号，并基于瑞利-布里渊散射理论反演温度，结合接收系统与激光发射装置之间的水平距离、接收系统离地面的垂直高度和探测角度，根据几何理论，获得发生散射信号的具体高度信息，最终获得不同高度大气对流层的温度廓线；
根据布里渊频移获取温度，并服从公式：
θ＝180°-α (3)
式(1)中：vB是布里渊频移，n为介质的折射率，vs为介质中的声速，λ为紫外波段的入射激光波长，θ为散射角，±为对应的斯托克斯与反斯托克斯光；
式(2)中：γ为绝热系数，R为通用气体常数，T为绝对温度，m为气体分子质量；
式(3)中：α是接收系统的探测角度，为已知量；
因此，由公式(1)、(2)和(3)可得探测点的绝对温度
根据几何定理：
H＝Stanα+h (4)
式(4)中：H为探测点离地平面的垂直高度，S为接收系统离激光束的水平距离，h为接收系统离地面的垂直高度。
一种对流层大气温度廓线测量装置，包括激光光源(1)，所述激光光源(1)的一侧设置有导轨(3)或二维转台(4)，导轨(3)或二维转台(4)上安装有接收系统(2)，接收系统(2)通过光纤(5)与第一光纤耦合器(6)连接，第一光纤耦合器(6)与第二光纤耦合器(13)之间依次设置有滤光片(7)、第一凸透镜(8)、第二凸透镜(9)、狭缝(10)、F-P扫描干涉仪(11)和第三凸透镜(12)，F-P扫描控制仪(17)分别连接有示波器(18)和F-P扫描干涉仪(11)；第二光纤耦合器(13)连接有光子探测器(14)；光子探测器(14)和示波器(18)均经数据采集卡(15)与计算机(16)连接；单片机(19)分别与角度传感器(20)、驱动显示电路(23)和驱动器(21)连接，驱动器(21)通过电机(22)连接导轨(3)或二维转台(4)。
激光光源(1)的一侧装有导轨(3)或二维转台(4)，导轨(3)或二维转台(4)上安装有接收系统(2)。
一种对流层大气温度廓线测量装置的控制方法，激光光源(1)发出的激光与大气气体分子相互作用产生的瑞利-布里渊散射信号由接收系统(2)接收后通过光纤(5)传输到光纤耦合器(6)，经滤光片(7)滤除环境中的杂散光，再经由第一凸透镜(8)、第二凸透镜(9)和狭缝(10)所组成的空间准直滤波系统进行准直和滤波，然后散射信号通过F-P扫描干涉仪(11)进行频鉴，经第三凸透镜(12)聚焦进入第二光纤耦合器(13)后，再由光子探测器(14)进行探测，最后探测到的散射信号由数据采集卡(15)采集并传输到计算机(16)；F-P扫描控制仪(17)输出锯齿波电压，并控制F-P扫描干涉仪(11)中出射腔镜上的压电陶瓷来回振动，从而改变F-P扫描干涉仪(11)的光学腔长，实现对气体瑞利-布里渊散射频谱的扫描，散射信号再经第三凸透镜(12)聚焦到第二光纤耦合器(13)进行探测；F-P扫描控制仪(17)输出的控制信号和数据采集卡(15)输出的脉冲信号在示波器(18)显示；单片机(19)通过控制驱动器(21)驱动电机(22)调整角度，电机(22)带动导轨(3)或二维转台(4)转动的同时，角度传感器(20)中感应的对应角度值读入单片机(19)，并在驱动显示电路(23)上显示角度值，再与电机(22)设置的角度值比较，如果给定的角度值与读回的角度值在偏差的允许范围内，则电机(22)停止调整。
激光器(1)为高功率连续激光器，线宽小于100MHz。接收系统(2)为施密特-卡塞格林望远镜。导轨(3)的运动角度精度达到0.01”。二维转台(4)的运动角度精度达到0.01”。所述F-P扫描干涉仪(11)为共焦球面干涉仪。
实施例1：以下列举本发明的一个较佳实施案例(参见图1)。对流层大气温度廓线测量装置，其中的激光光源1发出的激光与大气气体分子相互作用产生的瑞利-布里渊散射信号，从A点返回的瑞利布里渊散射信号，由接收系统2(施密特-卡塞格林望远镜)接收后(探测信号的方向始终垂直于接收系统2)，通过光纤5传输到第一光纤耦合器6，经滤光片7滤除环境中的杂散光，再经由两个凸透镜8、9和狭缝10所组成的空间准直滤波系统进行准直和滤波，然后散射信号通过F-P扫描干涉仪11(SA210-3B,THORLABS)进行频鉴，经第三凸透镜12聚焦进入第二光纤耦合器13后，再由光子探测器14(SPCM-AQRH-14FC,Perkin-Elmer)进行探测，最后探测到的散射信号由数据采集卡15采集并传输到计算机16；而F-P扫描控制仪17(SA201-EC,THORLABS)的控制信号和数据采集卡15的采集信息通过示波器18(WAVEPRO7Zi-A,LeCroy)实时显示；单片机19(SST89E564)通过控制驱动器21(PM75RLA120)驱动电机22(PMSM)调整角度，在电机22带动导轨3运动的同时，角度传感器20(AS5040)中感应的对应角度值读入单片机19，并在驱动显示电路23(MAX7219)上显示出角度值，再与电机22设置的角度值比较，如果给定的角度值与读回的角度值在偏差的允许范围内，则电机22停止调整。接收系统2获得从A点返回的瑞利-布里渊散射谱后，然后与可解析模型(V3)作对比，得到布里渊频移vB，α已知，则θ＝α+90°，根据已知参数，结合公式和θ＝180°-α可得探测点的绝对温度(等式右边参数除vB需要从测量的瑞利-布里渊散射谱中获得外，其它都为已知参数)，并根据三角函数关系，结合测量的已知参数：接收系统离激光束的水平距离S和接收系统离地面的垂直高度h，得到探测点离地平面的垂直高度H＝Stanα+h，即可获得该探测点的温度T与探测点离地平面的垂直高度H的参数信息。再利用美国标准大气模型结合获得的探测点的温度T与探测点离地平面的垂直高度H，即可获得该点的压强P；改变该探测系统的探测角度α，重复以上步骤，即可获得不同探测点离地平面的垂直高度H下的温度T以及压强P的信息，实现对流层大气温度廓线的测量。
实施例2：以下列举本发明的另一个较佳实施案例(参见图2)。对流层大气温度廓线测量的装置，单片机19通过控制驱动器21(RD-023MS,RORZE)驱动电机22(56B YG250B)调整角度，电机22控制二维转台4实现运动同时，角度传感器20中感应的对应角度值读入单片机19，并与电机22设置的角度值比较，如果给定的角度值与读回的角度值在偏差的允许范围内，则电机22停止调整。其他与实施例1相同。
图3是本发明用波长为355nm仿真得到的分别为1km、4km、7km和10km的大气瑞利-布里渊散射频谱图。实际情况下，可以根据探测到的瑞利-布里渊散射谱获得相应的实际大气温度。根据理论知，通常海拔越高温度越低，分子间的碰撞越少，热运动绝不剧烈，因此瑞利-布里渊散射频谱的线宽越窄。
图4是根据美国标准大气模型得到的大气对流层温度廓线。根据标准大气模型，可以获得不同海拔高度的大气温度和压强参量。通常根据空气温度变化率的不同，把低空大气分成不同的层，其中每一层温度的变化率可近似为高度的线性函数，其关系如下：
T＝T(i)+l(i)[H-H(i)] (5)
式(5)中i代表层数，T(i)为第i层的起始温度，l(i)为第i层的温度变化率，H-H(i)是目标点与该点所在层起始点的高度差。
高度和压强的关系如下：
式(6)中g0、m0和R分别为海平面重力加速度、平均分子量和通用气体常数。

Claims (8)

1.对流层大气温度廓线测量方法，其特征在于，通过单片机控制接收系统的位置来改变接收系统的探测角度，在该探测角度接收返回的瑞利-布里渊散射信号，并基于瑞利-布里渊散射理论反演温度，结合接收系统与激光发射装置之间的水平距离、接收系统离地面的垂直高度和探测角度，根据几何理论，获得发生散射信号的具体高度信息，最终获得不同高度大气对流层的温度廓线；
根据布里渊频移获取温度，并服从公式：
θ＝180°-α (3)
式(1)中：vB是布里渊频移，n为介质的折射率，vs为介质中的声速，λ为紫外波段的入射激光波长，θ为散射角，±为对应的斯托克斯与反斯托克斯光；
式(2)中：γ为绝热系数，R为通用气体常数，T为绝对温度，m为气体分子质量；
式(3)中：α是接收系统的探测角度，为已知量；
因此，由公式(1)、(2)和(3)可得探测点的绝对温度
根据几何定理：
H＝S tanα+h (4)
式(4)中：H为探测点离地平面的垂直高度，S为接收系统离激光束的水平距离，h为接收系统离地面的垂直高度。
2.一种基于权利要求1所述的对流层大气温度廓线测量方法的测量装置，包括激光光源(1)，其特征在于，所述激光光源(1)的一侧设置有导轨(3)或二维转台(4)，导轨(3)或二维转台(4)上安装有接收系统(2)，接收系统(2)通过光纤(5)与第一光纤耦合器(6)连接，第一光纤耦合器(6)与第二光纤耦合器(13)之间依次设置有滤光片(7)、第一凸透镜(8)、第二凸透镜(9)、狭缝(10)、F-P扫描干涉仪(11)和第三凸透镜(12)，F-P扫描控制仪(17)分别连接有示波器(18)和F-P扫描干涉仪(11)；第二光纤耦合器(13)连接有光子探测器(14)；光子探测器(14)和示波器(18)均经数据采集卡(15)与计算机(16)连接；单片机(19)分别与角度传感器(20)、驱动显示电路(23)和驱动器(21)连接，驱动器(21)通过电机(22)连接导轨(3)或二维转台(4)。
3.一种基于权利要求2所述的测量装置的控制方法，其特征在于，激光光源(1)发出的激光与大气气体分子相互作用产生的瑞利-布里渊散射信号由接收系统(2)接收后通过光纤(5)传输到光纤耦合器(6)，经滤光片(7)滤除环境中的杂散光，再经由第一凸透镜(8)、第二凸透镜(9)和狭缝(10)所组成的空间准直滤波系统进行准直和滤波，然后散射信号通过F-P扫描干涉仪(11)进行频鉴，经第三凸透镜(12)聚焦进入第二光纤耦合器(13)后，再由光子探测器(14)进行探测，最后探测到的散射信号由数据采集卡(15)采集并传输到计算机(16)；F-P扫描控制仪(17)输出锯齿波电压，并控制F-P扫描干涉仪(11)中出射腔镜上的压电陶瓷来回振动，从而改变F-P扫描干涉仪(11)的光学腔长，实现对气体瑞利-布里渊散射频谱的扫描，散射信号再经第三凸透镜(12)聚焦到第二光纤耦合器(13)进行探测；F-P扫描控制仪(17)输出的控制信号和数据采集卡(15)输出的脉冲信号在示波器(18)显示；单片机(19)通过控制驱动器(21)驱动电机(22)调整角度，电机(22)带动导轨(3)或二维转台(4)转动的同时，角度传感器(20)中感应的对应角度值读入单片机(19)，并在驱动显示电路(23)上显示角度值，再与电机(22)设置的角度值比较，如果给定的角度值与读回的角度值在偏差的允许范围内，则电机(22)停止调整。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述激光器(1)为高功率连续激光器，线宽小于100MHz。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述接收系统(2)为施密特-卡塞格林望远镜。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述导轨(3)的运动角度精度达到0.01”。
7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述二维转台(4)的运动角度精度达到0.01”。
8.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述F-P扫描干涉仪(11)为共焦球面干涉仪。
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