CN113433530A - 一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定装置及方法，装置由水汽拉曼系统、标定舱、湿度传感器、气压传感器、温度传感器、水汽发生器组成。方法为在标定舱中放置了湿度传感器、气压传感器、温度传感器、水汽发生器，水汽拉曼系统位于标定舱外部并向标定舱发射脉冲激光束，激光束穿过标定舱并向外传播。脉冲激光束激发的后向散射回波信号被水汽拉曼系统的望远镜接收。取标定舱内的湿度传感器、气压传感器、温度传感器数据及水汽拉曼系统在该位置所得到的H2O和N2振动转动拉曼散射回波信号比代入标定公式，可以计算出标定参数。本发明避免了常规的探空气球标定的时域变化引起精度大大降低，提高了标定方法的精度和便利性。

Description

一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定装置及方法
技术领域
本发明涉及一种拉曼激光雷达系统标定装置及方法，具体涉及一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定装置及方法。
背景技术
水汽是水在大气中的气态形式，它在大气中的含量很小，但却是大气中最活跃的成分，因为水汽是大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分，所以它在天气过程，气候变化，地气系统的能量交换等过程中具有极其重要的作用。目前用来测量水汽垂直分布的技术手段主要有气象探空气球、微波辐射计、拉曼系统等。其中拉曼系统作为一种主动的光学遥感测量工具，通过接收发射激光激发的氮气分子和水汽分子的振动转动拉曼散射回波信号来得到水汽混合比，由于其较高的空间分辨率和灵敏度以及简单的数据反演算法，在大气水汽的测量上受到广泛的关注。
为了提高水汽拉曼系统的探测精度，需对其进行标定。常见的水汽拉曼系统标定方法是无线电探空仪法，其优点是探测高度大，可达几十千米，成本相对较低，缺点是无线电探空仪会受到使用时间和空间的限制，是一次性的观测手段，受气象条件、航空管制、人为因素的影响较大，并且随着上升过程位置的偏移，导致探测数据与真实位置数据存在一定误差，另外无线电探空仪采用的是现代碳湿敏元件，稳定性受温度影响较大且具有滞后性，特别是从高湿到低湿的环境时，无法精确显示湿度变化。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单，使用方便的拉曼系统标定装置及标定方法，能够实现激光雷达在短距离内的高精度标定。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定装置，包括水汽拉曼系统、标定舱、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、水汽发生器；
所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器和水汽发生器位于标定舱内部，水汽发生器用于改变标定舱内部的水汽含量；
所述水汽拉曼系统设于标定舱外部一侧，用于向标定舱发射脉冲激光束。
作为上述方案的优选，所述标定舱与所述水汽拉曼系统的距离在50-100m之间。
一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定方法，包括以下步骤：
步骤1：将所述水汽拉曼系统向水平方向发射脉冲激光束，保证发射和接收光路中没有障碍物；
步骤2：将所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器和水汽发生器安装于标定舱内部进行高精确数值测量；
步骤3：将所述标定舱内的水汽发生器保持开启，待湿度传感器数值稳定后，开启水汽拉曼系统；
步骤4：所述水汽拉曼系统向标定舱发射脉冲激光束，激光穿过标定舱并向外传输；
步骤5：水汽拉曼系统和温度传感器、湿度传感器、气压传感器同时进行测量；
步骤6：取温度传感器、湿度传感器、气压传感器的数值及水汽拉曼系统的H2O和N2振动转动拉曼散射回波信号比，计算出水汽混合比标定常数。
作为上述方案的优选，选取测量时间为晴朗的夜间，环境温度大于10℃，环境湿度在20-50％之间，以保证标定舱内的湿度与环境湿度有较大差别。
作为上述方案的优选，选取水平测量角度为±1°。
作为上述方案的优选，水汽拉曼系统发射的脉冲激光束与标定舱内的H2O和N2发生拉曼散射作用，产生的H2O和N2振动转动拉曼散射回波信号被水汽拉曼系统的望远镜接收并进行后续分光、光电转换及信号处理。
作为上述方案的优选，水汽混合比标定常数的计算公式为：
Figure BDA0003084753230000031
其中，RH为湿度；p为气压，单位是百帕(hPa)；a为常数，a＝7.5；b为常数，b＝237.3；t为温度，单位是摄氏度(℃)；ω为水汽混合比，单位是g/kg；nH(Z)为水汽拉曼系统在距离Z处所测得H2O振动转动拉曼散射信号强度；nN(Z)为水汽拉曼系统在距离Z处所测得N2振动转动拉曼散射信号强度；tN(Z)为距离Z处N2振动转动拉曼散射信号大气透过率；tH(Z)为距离Z处H2O振动转动拉曼散射信号大气透过率；由于标定舱距离所述水汽拉曼系统距离较近，故可将
Figure BDA0003084753230000032
视为1。
作为上述方案的优选，重复步骤1-5数次，每次测量时间为5分钟，计算得到多个水汽混合比标定常数，剔除掉明显错误的标定常数值后，将剩余的常数值进行平均化处理，得到最终的水汽混合比标定常数。
由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
本发明利用水汽拉曼系统获得近地面水平距离处的H2O和N2振动转动拉曼散射信号强度和该位置处的温度传感器、湿度传感器和气压传感器数据，即可标定该水汽拉曼系统系统常数，避免了常规的探空气球标定的时域变化引起精度大大降低，提高了标定方法的精度和便利性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的实现流程图；
图3为本发明的水汽拉曼系统反演出的相对湿度示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定装置，包括水汽拉曼系统1、标定舱2、温度传感器3、湿度传感器4、气压传感器5、水汽发生器6；
所述温度传感器3、湿度传感器4、气压传感器5和水汽发生器6位于标定舱2内部，其中，标定舱2用于维持标定环境；温度传感器3用于精确测量标定舱2内的温度数值；湿度传感器4用于精确测量标定舱2内的湿度数值；气压传感器5用于精确测量标定舱2内的气压数值；水汽发生器6为标定舱2提供一定浓度的水汽环境。
所述水汽拉曼系统1设于标定舱2外部一侧，用于向标定舱2发射脉冲激光束，为待标定系统。
在本实施例中，所述标定舱2与所述水汽拉曼系统1的距离在50-100m之间。
如图2、图3所示，本实施例还提供一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定方法，包括以下步骤：
步骤1：在晴朗的夜间，环境温度大于10℃，环境湿度在20-50％之间，将所述水汽拉曼系统1向水平方向发射脉冲激光束，保证发射和接收光路中没有障碍物；
步骤2：所述温度传感器3、湿度传感器4、气压传感器5和水汽发生器6安装于标定舱2内部进行高精确数值测量，水汽发生器6用于改变标定舱2内部的水汽含量；
步骤3：所述标定舱2内的水汽发生器6保持开启，待湿度传感器4数值稳定后，开启水汽拉曼系统1；
步骤4：所述水汽拉曼系统1向标定舱2按一定频率发射激光，激光穿过标定舱2并向外传播；
步骤5：将水汽拉曼系统1和温度传感器3、湿度传感器4、气压传感器5同时进行测量；
步骤6：重复上述步骤k次，每次测量时间为5分钟，得到的温度传感器3数据tk，湿度传感器4数据RHk，气压传感器5数据pk，k＝1,2...，代入到相对湿度和水汽混合比的反演公式：
Figure BDA0003084753230000051
其中pk-大气压强，单位是百帕(hPa)；系数a＝7.5，b＝237.3；t-温度，单位是摄氏度(℃)；ω-水汽混合比，单位是g/kg。计算出水汽混合比ω，再代入公式：
Figure BDA0003084753230000052
其中nH(Z)-为所述水汽拉曼系统(1)在距离Z处所测得H2O振动转动拉曼散射信号强度，nN(Z)-为所述水汽拉曼系统(1)在距离Z处所测得N2振动转动拉曼散射信号强度，tN(Z)-为距离Z处N2振动转动拉曼散射信号大气透过率，tH(Z)-为距离Z处H2O振动转动拉曼散射信号大气透过率，由于所述标定舱(2)距离所述水汽拉曼系统(1)距离较近，可将
Figure BDA0003084753230000061
视为1。将所述水汽拉曼系统(1)测得H2O和N2振动转动拉曼散射信号强度比代入到上述公式中，即可得出所述水汽拉曼系统(1)的水汽混合比标定常数Ck。
为了提高系统标定常数的精度需剔除掉明显错误的标定常数值，并将剩余的常数值进行平均化处理：
Figure BDA0003084753230000062
该值
Figure BDA0003084753230000063
即为所述水汽拉曼系统(1)的水汽混合比标定常数。
在本实施例中，选取水平测量角度为±1°。
在本实施例中，水汽拉曼系统1发射的脉冲激光束与标定舱2内的H2O和N2发生拉曼散射作用，产生的H2O和N2振动转动拉曼散射回波信号被水汽拉曼系统的望远镜接收并进行后续分光、光电转换及信号处理。
本申请利用水汽拉曼系统获得近地面水平距离处的H2O和N2振动转动拉曼散射信号强度和该位置处的温度传感器、湿度传感器和气压传感器数据，即可标定该水汽拉曼系统系统常数，避免了常规的探空气球标定的时域变化引起精度大大降低，提高了标定方法的精度和便利性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定装置，其特征在于：包括水汽拉曼系统(1)、标定舱(2)、温度传感器(3)、湿度传感器(4)、气压传感器(5)、水汽发生器(6)；
所述温度传感器(3)、湿度传感器(4)、气压传感器(5)和水汽发生器(6)位于标定舱(2)内部，水汽发生器(6)用于改变标定舱(2)内部的水汽含量；所述水汽拉曼系统(1)设于标定舱(2)外部一侧，用于向标定舱(2)发射脉冲激光束。
2.根据权利要求1所述的水汽测量拉曼激光雷达系统标定装置，其特征在于：所述标定舱(2)与所述水汽拉曼系统(1)的距离在50-100m之间。
3.根据权利要求1所述的一种水汽测量拉曼激光雷达系统标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将所述水汽拉曼系统(1)向水平方向发射脉冲激光束，保证发射和接收光路中没有障碍物；
步骤2：将所述温度传感器(3)、湿度传感器(4)、气压传感器(5)和水汽发生器(6)安装于标定舱(2)内部进行高精确数值测量；
步骤3：将所述标定舱(2)内的水汽发生器(6)保持开启，待湿度传感器(4)数值稳定后，开启水汽拉曼系统(1)；
步骤4：所述水汽拉曼系统(1)向标定舱(2)发射脉冲激光束，激光穿过标定舱(2)并向外传输；
步骤5：水汽拉曼系统(1)和温度传感器(3)、湿度传感器(4)、气压传感器(5)同时进行测量；
步骤6：取温度传感器(3)、湿度传感器(4)、气压传感器(5)的数值及水汽拉曼系统(1)的H2O和N2振动转动拉曼散射回波信号比，计算出水汽混合比标定常数。
4.根据权利要求3所述的水汽测量拉曼激光雷达系统标定方法，其特征在于：选取测量时间为晴朗的夜间，环境温度大于10℃，环境湿度在20-50％之间，以保证标定舱(2)内的湿度与环境湿度有较大差别。
5.根据权利要求3所述的水汽测量拉曼激光雷达系统标定方法，其特征在于：选取水平测量角度为±1°。
6.根据权利要求3所述的水汽测量拉曼激光雷达系统标定方法，其特征在于：水汽拉曼系统(1)发射的脉冲激光束与标定舱(2)内的H2O和N2发生拉曼散射作用，产生的H2O和N2振动转动拉曼散射回波信号被水汽拉曼系统(1)的望远镜接收并进行后续分光、光电转换及信号处理。
7.根据权利要求3所述的水汽测量拉曼激光雷达系统标定方法，其特征在于：水汽混合比标定常数的计算公式为：
Figure FDA0003084753220000021
其中，RH为湿度；p为气压，单位是百帕(hPa)；a为常数，a＝7.5；b为常数，b＝237.3；t为温度，单位是摄氏度(℃)；ω为水汽混合比，单位是g/kg；nH(Z)为水汽拉曼系统在距离Z处所测得H2O振动转动拉曼散射信号强度；nN(Z)为水汽拉曼系统在距离Z处所测得N2振动转动拉曼散射信号强度；tN(Z)为距离Z处N2振动转动拉曼散射信号大气透过率；tH(Z)为距离Z处H2O振动转动拉曼散射信号大气透过率；由于标定舱距离所述水汽拉曼系统距离较近，故可将
Figure FDA0003084753220000022
视为1。
8.根据权利要求3所述的水汽测量拉曼激光雷达系统标定方法，其特征在于：重复步骤1-5数次，每次测量时间为5分钟，计算得到多个水汽混合比标定常数，剔除掉明显错误的标定常数值后，将剩余的常数值进行平均化处理，得到最终的水汽混合比标定常数。
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