CN110568453A - 一种基于大气分子吸收的测风激光雷达及测风方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于大气分子吸收的测风激光雷达及测风方法，属于激光遥感技术领域，可用于大气风速廓线的探测。该测风激光雷达通过在分子吸收峰两侧对称的分别设置两个吸收工作波长，以这个两个波长的脉冲激光作为光源构建激光雷达，从而得到两个波长在不同高度层的后向散射信号廓线，再通过反演得到风速和风向的廓线。

Description

一种基于大气分子吸收的测风激光雷达及测风方法
技术领域
本发明涉及一种基于大气分子吸收的测风激光雷达及测风方法，属于激光遥感技术领域，可用于大气风速廓线的探测。
背景技术
大气中的风速廓线对气象、气候、环境、航空、航天等领域都有重要价值。多年以来，人们发展了风廓线雷达、相干探测激光雷达、非相干探测激光雷达等设备，用以获得高精度高分辨的风速廓线以及风场分布。
其中风廓线雷达占地面积较大，低空风场测量能力欠缺，难以用于星载。相干探测激光雷达通过对发射激光与回波光之间的外差信号的频域分析，获得风速多普勒频移进而得到风速，对激光器的线宽、稳频要求高，这种要求随探测距离的增加迅速提高，因而星载应用难度和成本较高，在机载或星载应用中还面临着飞行多普勒效应的动态补偿问题。与相干激光雷达利用电子学频谱分析不同，非相干探测激光雷达一般利用光学手段测量发射激光与回波激光间的多普勒频移，一般根据瑞利散射、米散射光谱特性采用高精密光谱仪器进行激光回波的检测。传统非相干检测要求发射波长线宽极窄，稳频要求也较高，需要高精密高难度的回波光谱分析模块以及各通道系统常数的精确标定。近年来有人提出采用1μm～2μm差分吸收技术进行风速廓线探测，但使用单吸收工作波长进行风速测量时需要预知示踪分子数密度，从而引入系统误差。综合来看，当前测风激光雷达等设备或多或少的存在一些不足，怎样更低成本、更低难度的获得风速廓线测量能力仍然是当前技术领域攻关的方向。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于大气分子吸收的测风激光雷达及测风方法，该测风激光雷达通过在分子吸收峰两侧对称的分别设置两个吸收工作波长，以这个两个波长的脉冲激光作为光源构建激光雷达，从而得到两个波长在不同高度层的后向散射信号廓线，再通过反演得到风速和风向的廓线。
本发明的技术解决方案是：
一种基于大气分子吸收的测风激光雷达，该测风激光雷达包括激光发射模块、接收光学模块、光电探测与采集模块和数据处理与反演模块；光电探测与采集模块为带有一个通道或带有三个通道(三个通道分别为第一通道、第二通道和第三通道)的光电探测与采集模块；
所述的激光发射模块用于向大气同时或近似同时(近似同时即为短时间μs级分时)发射三个波长的激光脉冲，三个波长的激光脉冲分别为工作波长为λL的激光脉冲、工作波长为λR的激光脉冲和参考波长为λE的激光脉冲；三个波长的激光脉冲进入大气层后发生后向散射产生回波光子；
所述的工作波长λL和工作波长λR对称的分布于选定大气分子的选定吸收线的吸收峰的两侧，距离该吸收峰最近的非吸收波长λE作为参考波长；
所述的接收光学模块用于收集大气后向散射回波光子，并对收集到的回波光子进行时域分离，得到按照波长分离的回波光子，按照波长分离的回波光子分别为波长为λL的回波光子、波长为λR的回波光子、波长为λE的回波光子，按照波长分离的回波光子在不同时刻进入到光电探测与采集模块的通道中；
所述的接收光学模块用于收集大气后向散射回波光子，并对收集到的回波光子进行光谱域的分离，得到按照波长分离的回波光子，按照波长分离的回波光子分别为波长为λL的回波光子、波长为λR的回波光子、波长为λE的回波光子，波长为λL的回波光子、波长为λR的回波光子、波长为λE的回波光子分别进入到光电探测与采集模块的三个通道中，即波长为λL的回波光子进入到光电探测与采集模块的第一通道中，波长为λR的回波光子进入到光电探测与采集模块的第二通道中，波长为λE的回波光子进入到光电探测与采集模块的第三通道中；
所述的光电探测与采集模块用于接收按照波长分离的回波光子，并对接收到的按照波长分离的回波光子进行光电转换和数字采集，得到三个波长的回波信号廓线，三个波长的回波信号廓线分别为波长为λL的回波信号廓线、波长为λR的回波信号廓线、波长为λE的回波信号廓线，并将得到的三个波长的回波信号廓线传输给数据处理与反演模块；
所述的数据处理与反演模块用于接收三个波长的回波信号廓线，并对接收到的三个波长的回波信号廓线进行校准处理，然后进行反演操作，得到风速与风向廓线。
一种基于大气分子吸收的激光雷达测风方法，该方法的步骤包括：
(1)激光发射模块向大气同时或近似同时发射三个波长的激光脉冲，三个波长的激光脉冲分别为工作波长为λL的激光脉冲、工作波长为λR的激光脉冲和参考波长为λE的激光脉冲；三个波长的激光脉冲进入大气层后发生后向散射产生回波光子；
(2)接收光学模块收集到大气后向散射回波光子，并对收集到的回波光子进行分离，得到按照波长分离的回波光子，按照波长分离的回波光子进入到光电探测与采集模块中；
(3)光电探测与采集模块接收到按照波长分离的回波光子，并对接收到的按照波长分离的回波光子进行光电转换和数字采集，得到三个波长的回波信号廓线，并将得到的三个波长的回波信号廓线传输给数据处理与反演模块；
(4)数据处理与反演模块接收到三个波长的回波信号廓线后对接收到的三个波长的回波信号廓线进行校准处理，然后进行反演操作，得到风速与风向廓线；
所述的步骤(4)中，对三个波长的回波信号廓线进行校准处理后得到：
波长为λL的回波信号廓线PL(r)：
波长为λR的回波信号廓线PR(r)：
波长为λE的回波信号廓线PE(r)：
其中，PL为波长为λL的回波信号，PR为波长为λR的回波信号，PE为波长为λE的回波信号，r为探测距离，CL，CR，CE均为常数，EL，ER，EE分别为波长为λL的激光脉冲能量、工作波长为λR的激光脉冲的激光脉冲能量、波长为λE的激光脉冲能量，βS为后向散射系数，αS为散射消光系数，I为吸收线吸收强度，N是分子数密度，f为归一化吸收线型函数，v为风速，c为光速；
所述的步骤(4)中，对经过校准处理后的三个波长的回波信号廓线PL(r)、PR(r)、PE(r)进行反演操作的方法为：
第一步，进行风向判断，方法为：回波信号廓线中，
当PL(r+△r)/PL(r)>PR(r+△r)/PR(r)时，风向与激光脉冲发射方向相同；
当PL(r+△r)/PL(r)<PR(r+△r)/PR(r)时，风向与激光脉冲发射方向相反；
当PL(r+△r)/PL(r)＝PR(r+△r)/PR(r)时，风速为零；
第二步，计算风速，计算风速的公式：
其中，fv -1表示fv的反函数；
有益效果
(1)可以实现风速风向廓线探测；
(2)属于非相干探测方法，可以通过脉冲能量累积提高信噪比；
(3)相较于相干探测，对线宽要求大幅降低；
(4)大幅降低接收光学和电子学难度，有利于提高可靠性降低成本；
(5)直接探测弹性散射信号，回波强度大，能量利用率高；
(6)搭载于卫星等飞行平台时，速度补偿难度低，可采用固定频移结合数据处理的方式进行速度补偿，大幅降低研制难度；
(7)与单波长差分吸收测风激光雷达相比不用预设分子数密度，消除重要误差源。
(8)本发明为解决大气风速廓线测量问题，提出了基于大气分子吸收的风廓线激光雷达，采用双吸收线设置消除大气分子数密度在差分吸收激光雷达风速测量中的影响，最终通过三波长差分吸收激光雷达技术获得大气风速廓线。
附图说明
图1为本发明的测风激光雷达的组成示意图；
图2为工作波长及参考波长选择示意图。
具体实施方式
如图1所示该激光雷达系统包括激光发射模块1、接收光学模块2、光电探测与采集模块3和数据处理与反演模块4。其中，激光发射模块1的工作波长见图2，两个吸收波长λL、λR对称的分布于吸收峰的两侧，相邻最近的非吸收波长λE可以作为参考波长。
测量步骤和方法如下：
(1)激光发射模块1向大气同时或近似同时发射两个工作波长λL、λR及其参考波长λE的激光脉冲，激光脉冲进入大气层并发生后向散射；
(2)接收光学模块2收集大气后向散射回波光子，进行时域或光谱域的分离，分离后的光子被送入光电探测与采集模块3；
(3)光电探测与采集模块3分别将三个波长的回波光子进行光电转换和数字采集，得到三个工作波长的回波信号廓线；
(4)光电探测与采集模块3将三个工作波长的回波信号数据送入数据处理与反演模块4进行反演，得到风速与风向廓线。
通过步骤(1)～(4)可以得到以下数据：
距离校正后的短吸收工作波长λL的回波信号：
距离校正后的长吸收工作波长λR的回波信号：
距离校正后的参考工作波长λE的回波信号：
上述公式中，P为回波信号，r为探测距离，C为常数，E为激光发射脉冲能量，β为后向散射系数，α为消光系数，I为吸收线吸收强度，N是分子数密度，f为归一化吸收线型，v为风速，c为光速。
(5)风向判断：
回波信号中当PL(r+△r)/PL(r)>PR(r+△r)/PR(r)时，风向与激光发射方向相同，反之风向与回波方向相同。
(6)风速计算
根据激光雷达原理和光谱吸收原理可以得到指定分子和波长的归一化吸收线型函数与回波信号的关系：
吸收线型函数与分子谱线和大气压强、温度有关，因此，可根据探测路径上的温度和气压分布得到风速函数fv[v(r)]。通过风速函数fv[v(r)]的反函数可以得到风速：
实施例1
本实施例中，设激光雷达测量2km以下的风速廓线，选定的大气分子为O2，选定的O2的吸收线为λ0＝769.23386nm，距离该吸收峰最近的非吸收波长λE＝769.40832nm作为参考波长；所述的工作波长λL＝769.23154nm和工作波长λR＝769.23618nm，如图2所示；
一种基于大气分子吸收的激光雷达测风方法，如图1所示，该方法的步骤包括：
(1)激光发射模块1首先向大气发射工作波长为λL的激光脉冲，然后间隔100μs向大气发射工作波长为λR的激光脉冲，再间隔100μs向大气发射工作波长为λE的激光脉冲；三个波长的激光脉冲进入大气层后依次发生后向散射产生回波光子；
(2)接收光学模块2收集到大气后向散射回波光子，并对收集到的回波光子按照三个波长的到达时间进行分离，得到按照波长分离的回波光子，按照波长分离的回波光子进入到光电探测与采集模块3中；
(3)光电探测与采集模块3接收到按照波长分离的回波光子，并对接收到的按照波长分离的回波光子进行光电转换和数字采集，得到三个波长的回波信号廓线，并将得到的三个波长的回波信号廓线传输给数据处理与反演模块4；
(4)数据处理与反演模块4接收到三个波长的回波信号廓线后对接收到的三个波长的回波信号廓线进行校准处理，然后进行反演操作，得到风速与风向廓线；
所述的步骤(4)中，对三个波长的回波信号廓线进行校准处理后得到：
波长为λL的回波信号廓线PL(r)；
波长为λR的回波信号廓线PR(r)；
波长为λE的回波信号廓线PE(r)；
所述的步骤(4)中，对经过校准处理后的三个波长的回波信号廓线PL(r)、PR(r)、PE(r)进行反演操作的方法为：
第一步，进行风向判断，方法为：回波信号廓线中，
当PL(r+△r)/PL(r)>PR(r+△r)/PR(r)时，风向与激光脉冲发射方向相同；
当PL(r+△r)/PL(r)<PR(r+△r)/PR(r)时，风向与激光脉冲发射方向相反；
当PL(r+△r)/PL(r)＝PR(r+△r)/PR(r)时，风速为零；
第二步，计算风速，计算风速的公式：
其中，γ为光谱吸收线半高半宽，RL(r)表达式为：
实施例2
本实施例中，设激光雷达测量2km以下的风速廓线，选定的大气分子为CO2，选定的CO2的吸收线为λ0＝2072.63487nm，距离该吸收峰最近的非吸收波长λE＝2074.70739nm作为参考波长；所述的工作波长λL＝2072.60334nm和工作波长λR＝2072.67095nm。
一种基于大气分子吸收的激光雷达测风方法，该方法的步骤包括：
(1)激光发射模块1同时向大气发射工作波长为λL、λR和λE的激光脉冲，三个波长的激光脉冲进入大气层后同时发生后向散射产生回波光子；
(2)接收光学模块2收集到大气后向散射回波光子，并对收集到的回波光子使用干涉滤光片和FP标准具按照波长进行分离，得到到按照波长分离的回波光子，按照波长分离的回波光子分别进入到光电探测与采集模块3的三个接收通道中；
(3)光电探测与采集模块3接收到按照波长分离的回波光子，并对接收到的按照波长分离的回波光子分别进行光电转换和数字采集，得到三个波长的回波信号廓线，并将得到的三个波长的回波信号廓线传输给数据处理与反演模块4；
(4)数据处理与反演模块4接收到三个波长的回波信号廓线后对接收到的三个波长的回波信号廓线进行校准处理，然后进行反演操作，得到风速与风向廓线；
所述的步骤(4)中，对三个波长的回波信号廓线进行校准处理后得到：
波长为λL的回波信号廓线PL(r)；
波长为λR的回波信号廓线PR(r)；
波长为λE的回波信号廓线PE(r)；
所述的步骤(4)中，对经过校准处理后的三个波长的回波信号廓线PL(r)、PR(r)、PE(r)进行反演操作的方法为：
第一步，进行风向判断，方法为：回波信号廓线中，
当PL(r+△r)/PL(r)>PR(r+△r)/PR(r)时，风向与激光脉冲发射方向相同；
当PL(r+△r)/PL(r)<PR(r+△r)/PR(r)时，风向与激光脉冲发射方向相反；
当PL(r+△r)/PL(r)＝PR(r+△r)/PR(r)时，风速为零；
第二步，计算风速，计算风速的公式：
其中，γ为光谱吸收线半高半宽，RL(r)表达式为：

Claims (10)

1.一种基于大气分子吸收的测风激光雷达，其特征在于：该测风激光雷达包括激光发射模块、接收光学模块、光电探测与采集模块和数据处理与反演模块；
所述的激光发射模块用于向大气发射三个波长的激光脉冲，三个波长的激光脉冲分别为工作波长为λL的激光脉冲、工作波长为λR的激光脉冲和参考波长为λE的激光脉冲；三个波长的激光脉冲进入大气层后发生后向散射产生回波光子；
所述的接收光学模块用于收集大气后向散射回波光子，并对收集到的回波光子进行时域分离，得到按照波长分离的回波光子，按照波长分离的回波光子分别为波长为λL的回波光子、波长为λR的回波光子、波长为λE的回波光子，按照波长分离的回波光子在不同时刻进入到光电探测与采集模块的通道中；
所述的光电探测与采集模块用于接收按照波长分离的回波光子，并对接收到的按照波长分离的回波光子进行光电转换和数字采集，得到三个波长的回波信号廓线，三个波长的回波信号廓线分别为波长为λL的回波信号廓线、波长为λR的回波信号廓线、波长为λE的回波信号廓线，光电探测与采集模块还用于并将得到的三个波长的回波信号廓线传输给数据处理与反演模块；
所述的数据处理与反演模块用于接收三个波长的回波信号廓线，并对接收到的三个波长的回波信号廓线进行校准处理，然后进行反演操作，得到风速与风向廓线。
2.根据权利要求1所述的一种基于大气分子吸收的测风激光雷达，其特征在于：所述的激光发射模块用于向大气同时或近似同时发射三个波长的激光脉冲。
3.根据权利要求2所述的一种基于大气分子吸收的测风激光雷达，其特征在于：近似同时为短时间μs级分时。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于大气分子吸收的测风激光雷达，其特征在于：所述的工作波长λL和工作波长λR对称的分布于选定大气分子的选定吸收线的吸收峰的两侧，距离该吸收峰最近的非吸收波长λE作为参考波长。
5.一种基于大气分子吸收的测风激光雷达，其特征在于：该测风激光雷达包括激光发射模块、接收光学模块、光电探测与采集模块和数据处理与反演模块；光电探测与采集模块为带有三个通道的光电探测与采集模块；三个通道分别为第一通道、第二通道和第三通道；
所述的激光发射模块用于向大气发射三个波长的激光脉冲，三个波长的激光脉冲分别为工作波长为λL的激光脉冲、工作波长为λR的激光脉冲和参考波长为λE的激光脉冲；三个波长的激光脉冲进入大气层后发生后向散射产生回波光子；
所述的接收光学模块用于收集大气后向散射回波光子，并对收集到的回波光子进行光谱域的分离，得到按照波长分离的回波光子，按照波长分离的回波光子分别为波长为λL的回波光子、波长为λR的回波光子、波长为λE的回波光子，波长为λL的回波光子、波长为λR的回波光子、波长为λE的回波光子分别进入到光电探测与采集模块的三个通道中，即波长为λL的回波光子进入到光电探测与采集模块的第一通道中，波长为λR的回波光子进入到光电探测与采集模块的第二通道中，波长为λE的回波光子进入到光电探测与采集模块的第三通道中；
所述的光电探测与采集模块用于接收按照波长分离的回波光子，并对接收到的按照波长分离的回波光子进行光电转换和数字采集，得到三个波长的回波信号廓线，三个波长的回波信号廓线分别为波长为λL的回波信号廓线、波长为λR的回波信号廓线、波长为λE的回波信号廓线，光电探测与采集模块还用于并将得到的三个波长的回波信号廓线传输给数据处理与反演模块；
所述的数据处理与反演模块用于接收三个波长的回波信号廓线，并对接收到的三个波长的回波信号廓线进行校准处理，然后进行反演操作，得到风速与风向廓线。
6.根据权利要求5所述的一种基于大气分子吸收的测风激光雷达，其特征在于：所述的激光发射模块用于向大气同时或近似同时发射三个波长的激光脉冲。
7.根据权利要求6所述的一种基于大气分子吸收的测风激光雷达，其特征在于：近似同时为短时间μs级分时。
8.根据权利要求5-7任一所述的一种基于大气分子吸收的测风激光雷达，其特征在于：所述的工作波长λL和工作波长λR对称的分布于选定大气分子的选定吸收线的吸收峰的两侧，距离该吸收峰最近的非吸收波长λE作为参考波长。
9.一种基于大气分子吸收的激光雷达测风方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)激光发射模块向大气同时或近似同时发射三个波长的激光脉冲，三个波长的激光脉冲分别为工作波长为λL的激光脉冲、工作波长为λR的激光脉冲和参考波长为λE的激光脉冲；三个波长的激光脉冲进入大气层后发生后向散射产生回波光子；
(2)接收光学模块收集到大气后向散射回波光子，并对收集到的回波光子进行分离，得到按照波长分离的回波光子，按照波长分离的回波光子进入到光电探测与采集模块中；
(3)光电探测与采集模块接收到按照波长分离的回波光子，并对接收到的按照波长分离的回波光子进行光电转换和数字采集，得到三个波长的回波信号廓线，并将得到的三个波长的回波信号廓线传输给数据处理与反演模块；
(4)数据处理与反演模块接收到三个波长的回波信号廓线后对接收到的三个波长的回波信号廓线进行校准处理，然后进行反演操作，得到风速与风向廓线。
10.根据权利要求9所述的一种基于大气分子吸收的激光雷达测风方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，对三个波长的回波信号廓线进行校准处理后得到：
波长为λL的回波信号廓线PL(r)：
波长为λR的回波信号廓线PR(r)：
波长为λE的回波信号廓线PE(r)：
其中，PL为波长为λL的回波信号，PR为波长为λR的回波信号，PE为波长为λE的回波信号，r为探测距离，CL，CR，CE均为常数，EL，ER，EE分别为波长为λL的激光脉冲能量、工作波长为λR的激光脉冲的激光脉冲能量、波长为λE的激光脉冲能量，βS为后向散射系数，αS为散射消光系数，I为吸收线吸收强度，N是分子数密度，f为归一化吸收线型函数，v为风速，c为光速；
所述的步骤(4)中，对经过校准处理后的三个波长的回波信号廓线PL(r)、PR(r)、PE(r)进行反演操作的方法为：
第一步，进行风向判断，方法为：回波信号廓线中，
当PL(r+△r)/PL(r)>PR(r+△r)/PR(r)时，风向与激光脉冲发射方向相同；
当PL(r+△r)/PL(r)<PR(r+△r)/PR(r)时，风向与激光脉冲发射方向相反；
当PL(r+△r)/PL(r)＝PR(r+△r)/PR(r)时，风速为零；
第二步，计算风速，计算风速的公式：
其中，fv -1表示fv的反函数；
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