CN111458727B - 基于相干激光雷达谱强度数据的大气能见度分析方法 - Google Patents

基于相干激光雷达谱强度数据的大气能见度分析方法 Download PDF

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Abstract

基于相干激光雷达谱强度数据的大气能见度分析方法，根据相干激光雷达的信号探测流程分析，其不同距离门谱数据最大强度包含大气回波信息。提取出对应高度的谱强度数据，可对应包含大气消光系数与后向散射系数大气激光雷达方程。利用大气后向散射系数同大气消光系数之间的计算关系，反演出大气消光系数。结合大气能见度同消光系数之间的关系，最终得出不同高度处大气能见度结果。相干激光雷达进行能见度探测，扩展了相干雷达的应用功能，提高了相干系统的数据利用率。相比传统的气溶胶激光雷达探测，谱强度数据信噪比较大，探测距离及精度有明显优势。并且相干激光雷达结构紧凑，光学部件稳定可靠，使用的环境可靠性相比传统气溶胶雷达更有优势。

Description

基于相干激光雷达谱强度数据的大气能见度分析方法
技术领域
本发明涉及一种激光雷达探测方法，具体涉及一种基于相干激光雷达谱强度数据测量大气能见度信息。
背景技术
大气信息，如风速，温度，湿度，气溶胶，云等信息具有十分重要的作用。无论对天气预报，机场安全高效运行，大气污染物的监测，还是在军事方面的用途，都有十分重要的作用。
激光雷达的测量信息时空分辨率高，能够连续测量，相比传统的大气探测方式而言优势明显。相干激光雷达系统目前已有成熟的应用，但主要用来进行大气风场测量。相干激光雷达中，将回波强度通过傅里叶变换转换为谱数据。谱数据信息包含两个方面，频率变化信息及谱强度信息。
由于大气回波的多普勒效应，谱数据的频率变化信息可用于反演大气风速；谱强度信息中蕴含大气消光信息，可基于谱强度信息反演大气能见度。
常规的相干激光雷达的测量中，仅使用谱数据的频率波动信息，反演大气；而谱数据的强度则不作考虑，限制了相干雷达的应用范围。而常规的大气测量中，大气风场及大气能见度作为两个大气的基本参数，存在共同测量的需要。因此，通常在配备一台相干激光雷达测量大气风场时，还需同时配备气溶胶雷达或能见度仪，来同步获取大气能见度信息。
目前尚未出现利用相干激光雷达进行大气能见度分析的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于相干激光雷达谱强度数据的大气能见度分析方法，该方法利用相干激光雷达探测数据，将不同高度处谱强度信息对应激光雷达方程，进行谱数据强度分析，从而反演大气能见度信息。
一种基于相干激光雷达谱强度数据的大气能见度分析方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，对相干激光雷达的光电探测器采样信号进行变换，获得对应于不同高度的谱数据；
步骤2，对不同高度的谱数据进行强度检测，得出不同高度处最大谱强度数据F(h)，最大谱强度数据包含大气信息，其中h为高度；
步骤3，将谱强度数据等效至激光雷达方程，同时也进行了距离校正：
Figure BDA0002456963710000021
其中，A为谱强度数据同回波强度转换的比例关系，为定值；K为系统常数；h为高度；β(h)为大气总后向散射系数，α(ξ)是关于高度ξ的大气总消光系数；
步骤4，利用大气消光系数与大气后向散射系数之间的对应关系，将大气总后向散射系数由大气总消光系数代替：β(h)＝αk(h)/S1，
S1为消光后向散射比，k与激光发射波长、气溶胶离子特性相关，0.67≤k≤1，一般取k＝1；
对步骤3所得公式进行对数与微分处理，得到结果：
Figure BDA0002456963710000022
Figure BDA0002456963710000023
其中，步骤3公式的常数项做对数变为单独常数项，再微分计算时常数为0；
步骤5，结合伯努利方程解法，获取大气消光系数信息：
Figure BDA0002456963710000024
Figure BDA0002456963710000025
αf(h)为后向大气消光系数，α(hf)为其边界条件；
αb(h)为前向大气消光系数，α(hb)为其边界条件；
hf及hb分别为边界条件对应的高度值；
当高度大于等于hf时，大气消光系数α(h)取αf(h)；
当高度小于hb时，大气消光系数α(h)取αb(h)；
步骤6，在水平方向大气消光均匀的前提下，利用大气能见度同1550nm对应大气消光系数之间关系计算：
Figure BDA0002456963710000031
V(h)为不同高度的等效能见度，其中修正因子q为：
Figure BDA0002456963710000032
激光雷达公式里面有些较真系数是需要根据实际情况选取，而一般测量的也是实际情况，在实际操作时，若要统一到一个公式则可通过增加加跟实际情况相关的校正系数来实现。
对采样的时域信号转换为频域信号，其方法包括但不限于分段FFT变换、自相关分析等。
发明优点
相干激光雷达最近几年经过了比较快的发展，已具有了广泛的数据可做进一步研究。而总体而言，相干激光雷达应用仍处于商业发展初期，相干激光雷达已有研究的着重点，基本聚焦于对相干系统硬件性能的改进、不同测风模式的开发、风场测量结果的整合处理等方面，并未对相干回波中隐藏的大气信息进行提取分析。
本发明将常规相干激光雷达所忽略的信息充分利用，基于相干雷达对风测量中的计算流程，应用其中的中间处理数据，用谱强度数据来等效成大气回波强度，再用大气回波的反演方法计算能见度，从而实现了基于相干激光雷达谱强度数据的大气能见度的测量，不但扩展了相干激光雷达的测量功能，也为后续的研究打下基础。
由于相干激光雷达的探测原理，大气远场弱信号同本振信号拍频获取远场回波数据。相干激光雷达可利用较强的本振信号有效提升远场信号信噪比，相比传统气溶胶激光雷达对远场信号的探测更加精确。
相干雷达系统光学部件多采用成熟的集成化模块，系统本身稳定性和环境适应性相比传统的气溶胶雷达系统更有优势，更适合商业性的大范围推广。
附图说明
图1是相干激光雷达谱强度图，
横轴为点数，每100个点为一组，对应一个距离门的谱数据；纵轴为谱强度，对应距离门范围内最高点为对应距离门的谱强度数值。
图2是通过图1的数据获取不同距离门的等效大气回波强度图。
图3是本发明的流程图。
具体实施方式
相干激光雷达的探测过程为激光本振信号同雷达回波信号在空间混频探测。其中，激光本振信号由激光种子源引出一束有一定强度的窄带宽信号。激光发射脉冲在大气中的回波由相同光学器件接收，然后同本振光一起在空间上完成混频，进而由探测器将光信号转化为电信号。
其中，相干激光雷达系统本振信号为：
Figure BDA0002456963710000041
Aod为本振光振幅，
Figure BDA0002456963710000042
为本振光相位，fod为本振光频率；x、y为本振光分布的平面坐标信息，t对应时间信息；以上形式为复数的表示形式，其中实部代表实际的光波强度。
雷达所接收回波信号强度表示为：
Figure BDA0002456963710000043
Asd为信号光振幅，
Figure BDA0002456963710000044
为信号光相位，fsd为信号光频率；x、y为回波分布的平面坐标信息，t对应时间信息。以上形式为复数的表示形式，其中实部代表实际的光波强度。
两路信号在探测器上进行混频，光波矢量为：
Figure BDA0002456963710000045
因此，探测器所探测到的光强为：
Id(x，y，t)＝|ud(x，y，t)|2＝|uod|2+|usd|2+2Re[uod(x，y，t)*usd(x，y，t)]＝Iod+Isd+In (1.4)
Iod＝|uod|2
Isd＝|usd|2
In＝2Re[uod(x，y，t)*usd(x，y，t)]
其中，uod(x，y，t)*usd(x，y，t)为两个复数相乘，Re表示取其中的实部作为实际强度的有效数值。
Iod及Isd均为直流信号，因此可方便的滤除；而外差信号In为：
Figure BDA0002456963710000051
Δf＝fod-fsd (1.6)
其中，
Figure BDA0002456963710000052
为初始相位差数值，Δf为多普勒频移信息，而In的峰值强度信息则包含了Isd强度信号，可以用来反演气溶胶常数。
光电探测器输出信号使用高速模拟数字采集卡(AD采集卡)，获得数字信号。光的传播速度确定，因此系统每个距离门内的一组数据进行FFT变化，获得不同径向高度对应的频率谱强度信号，如图1所示。FFT谱数据强度中，中心频率对应强度同IodIsd成正比，对应频率数值为Δf。
相干激光雷达仅使用频率中心频率相比发射相干中心频率的差值Δf，用于反演风速；而对应频率的强度信息则含有大气回波的信号Isd与本振光强度Iod。
根据以上分析，提取出的不同距离中心频率强度为本振光信号强度同回波信号强度的乘积。而本振光强度稳定，因此变化后的谱强度信息对应了普通激光探测的回波信号。同时，由于本振光强度较大，对应谱强度信号信噪比较高，利用谱强度数据进行大气能见度探测，系统探测距离及准确度相比普通激光雷达方法，优势明显，也具有充分的可靠性，接下来的主要工作就是如何采用准确的算法利用好这些数据来实现大气能见度的测量。
对于相干激光雷达获得的谱强度数据，首先提取出对应距离门的最大谱强度信号，经足够的时间累积平均，获取大小相合激光雷达方程的信号。
设获得的谱中心强度数据为F(h)，则与实际大气参数之间关联性如下：
Figure BDA0002456963710000053
其中，A为谱强度数据同回波强度转换的比例关系，为定值；K为系统常数；h为对应的高度；βaer(h)及βmol(h)分别为大气分子后向散射系数及气溶胶后向散射系数；αaer(ξ)及αmol(ξ)分别为大气分子消光系数及气溶胶消光系数，ξ表示高度值。
获取的谱强度数据可对应激光雷达方程，参照一般的气溶胶反演方法进行反演。且相比普通的气溶胶激光雷达，谱强度数据信噪比较大，探测距离及精度有明显优势。
对于后向散射系数为β(h)，消光系数为α(h)，有以下公式：
β(h)＝βaer(h)+βmol(h) (2.2)
α(h)＝αaer(h)+αmol(h) (2.3)
谱强度信号进行距离校正后为X(h)，
Figure BDA0002456963710000061
对公式2.4取对数得：
Figure BDA0002456963710000062
对公式2.5取微分：
Figure BDA0002456963710000063
在大气回波的特性中，后向散射系数同消光系数之间存在一定的对应关系，以如下公式进行表示：
β(h)＝αk(h)/S1 (2.7)
S1为消光后向散射比，k与激光发射波长、气溶胶离子特性相关，0.67≤k≤1，一般取k＝1；
将公式2.7带入2.6，
Figure BDA0002456963710000071
利用伯努利方程的求解方法，公式2.8可得：
Figure BDA0002456963710000072
Figure BDA0002456963710000073
式2.9为后向积分式，α(hf)为边界条件；式2.10为前向积分式，α(hb)为边界条件；边界条件α(hf)和α(hb)的求取，可以假设某一范围内大气均匀并利用斜率法得到。
在水平大气消光均匀的前提下，剩余能量ε：
ε＝exp(-αλ(h)V(h)) (2.11)
V(h)为不同高度等效能见度，αλ(h)为波长λ对应大气消光系数，正常人眼的敏感亮度一般等效为550nm，平均亮度对比感阈值ε＝0.02，等效关系为550nm光波能量降至0.02时，系统传输所经过的距离。因此获得水平能见度结果为：
Figure BDA0002456963710000074
V(h)为不同高度对应的等效能见度，α550(h)为等效550nm波长消光系数，h为对应高度。
一般相干激光雷达所用波长为1550nm，因此需将1550nm波长测量消光系数结果等效至550nm的人眼敏感波长：
Figure BDA0002456963710000075
其中修正因子q为：
Figure BDA0002456963710000076
根据以上关系可知，使用1550nm作为能见度测量波长时，需根据实际天气条件，对能见度进行计算。当能见度大于50公里，对应测量消光系数小于2.2×10-4/m时，修正因子取1.6。当能见度在6km～50km之间，对应消光系数为2.2×10-4/m～1.53×10-3/m时，修正因子取值为1.3。当能见度小于6km，消光系数大于1.53×10-3/m时，对应修正因子取值为第三种情况。其中，消光系数的计算是根据能见度的边界条件计算的，两者实际是一个条件。

Claims (2)

1.一种基于相干激光雷达谱强度数据的大气能见度分析方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，对相干激光雷达的光电探测器采样信号进行变换，获得对应于不同高度的谱数据；
步骤2，对不同高度的谱数据进行强度检测，得出不同高度处最大谱强度数据F(h)，最大谱强度数据包含大气信息，其中h为高度；
步骤3，将谱强度数据等效至激光雷达方程，同时也进行了距离校正：
Figure FDA0004034061340000011
其中，A为谱强度数据同回波强度转换的比例关系，为定值；K为系统常数；h为高度；β(h)为大气总后向散射系数，α(ξ)是关于高度ξ的大气总消光系数；
步骤4，利用大气消光系数与大气后向散射系数之间的对应关系，将大气总后向散射系数由大气总消光系数代替：β(h)＝αk(h)/S1，
S1为消光后向散射比，k与激光发射波长、气溶胶离子特性相关，0.67≤k≤1，
对步骤3所得公式进行对数与微分处理，得到结果：
Figure FDA0004034061340000012
Figure FDA0004034061340000013
其中，步骤3公式的常数项做对数变为单独常数项，再微分计算时常数为0；
步骤5，结合伯努利方程解法，计算步骤4公式的未知函数α(h)，而α(h)可结合边界条件分为下面两种表达公式：
Figure FDA0004034061340000021
Figure FDA0004034061340000022
αf(h)为后向大气消光系数，α(hf)为其边界条件；
αb(h)为前向大气消光系数，α(hb)为其边界条件；
hf及hb分别为边界条件对应的高度值；
当高度大于等于hf时，大气消光系数α(h)取αf(h)；
当高度小于hb时，大气消光系数α(h)取αb(h)；
步骤6，在水平方向大气消光均匀的前提下，利用大气能见度同1550nm对应大气消光系数之间关系计算：
Figure FDA0004034061340000023
V(h)为不同高度的等效能见度，其中修正因子q为：
Figure FDA0004034061340000024
2.如权利要求1所述的基于相干激光雷达谱强度数据的大气能见度分析方法，其特征在于所述步骤4中，与激光发射波长、气溶胶离子特性相关的参数k，取k＝1。
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