CN117538221A - 一种相干激光雷达气溶胶粒径谱分析方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种相干激光雷达气溶胶粒径谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：相干激光雷达通过更换激光波长，完成不同波长下对待测物的测量；步骤2：根据米散射激光雷达方程，获得不同波长下回波功率与消光系数的关系；步骤3：结合伯努利方程解法求出不同波长下的消光系数；步骤4：根据消光系数与波长及粒径大小关系反演出粒径大小；步骤5：获得不同粒径气溶胶颗粒物在待测物处的概率分布，可以有效提高相干探测系统的数据利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种相干激光雷达探测方法，具体涉及一种相干激光雷达气溶胶粒径谱分析方法。
背景技术
相干探测是通过将信号光和本振光进行混频，输出二者的差频分量，由探测器接收面吸收产生光电流，该差频分量保留了信号光振幅、频率和相位信息，实现了对信号光的全息探测。相比直接探测，具有探测能力强、转换增益高、信噪比高和抗干扰能力强等优点，广泛应用于相干光通信、遥感、激光雷达测速和测距等领域。
在相干探测装置中，往往是将激光器的产生的线偏振光分光后一路作为发射光经探测目标后产生信号光，另一路作为本振光与信号光相干，相干光经探测器接收面转化为电信号，用于速度、距离等参数的分析测量。
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等方法将采样信号转换为谱数据。谱数据信息包含两个方面，频率变化信息及谱强度信息。
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等方法将采样信号转换为谱数据。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，可基于谱强度信息进行大气气溶胶探测。
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，大气风场及大气气溶胶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，来同步获取大气气溶胶信息。而且现有的气溶胶激光雷达，利用传统的脉冲能量探测的方式，需要较大的脉冲能量，系统功耗、体积及系统复杂度相比相干雷达系统再应用性上均有不足；同时，大部分气溶胶激光雷达均使用可见光或近红外光波作为探测波长，对人眼安全构成威胁。相比之下，相干激光雷达内部使用集成度及稳定性较高的光纤激光器，结构简单运行稳定；相干系统使用中红外波段，实际使用中可确保人眼安全。同时基于相干系统通过本振光对系统信噪比进行增强的原理方式，更容易获取更远的探测范围。
目前尚未出现利用相干激光雷达进行大气气溶胶颗粒物概率分布的应用。所以亟需一种利用相干激光雷达进行气溶胶颗粒物概率分布的分析方法，不仅能够扩展相干激光雷达的应用领域，而且相比传统气溶胶激光雷达还具有更好的探测性能及使用性能。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供相干激光雷达气溶胶粒径谱分析方法，以便解决相关技术中，现有相干激光雷达测量中仅使用谱数据的频率波动信息反演大气风场，而谱数据的强度则并未使用，极大地限制了相干雷达的应用范围的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种相干激光雷达气溶胶粒径谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：相干激光雷达通过更换激光波长，完成不同波长下对待测物的测量；
步骤2：根据米散射激光雷达方程，获得不同波长下回波功率与消光系数的关系；
步骤3：结合伯努利方程解法求出不同波长下的消光系数；
步骤4：根据消光系数与波长及粒径大小关系反演出粒径大小；
步骤5：获得不同粒径气溶胶颗粒物在待测物处的概率分布。
可选地，所述消光系数包括大气气溶胶消光系数α(z')与后向散射系数β(z)，并且β(z)＝αk(z)/S1，其中S1为消光后向散射比，k与激光发射波长、气溶胶粒子特性相关，并且0.67≤k≤1。
可选地，所述不同粒径气溶胶颗粒物在待测物处的概率分布服从：
其中，r为粒子半径，μ为粒子半径的几何平均值，σ为几何标准差。
本发明的有益效果是：一种相干激光雷达气溶胶粒径谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：相干激光雷达通过更换激光波长，完成不同波长下对待测物的测量；
步骤2：根据米散射激光雷达方程，获得不同波长下回波功率与消光系数的关系；
步骤3：结合伯努利方程解法求出不同波长下的消光系数；
步骤4：根据消光系数与波长及粒径大小关系反演出粒径大小；
步骤5：获得不同粒径气溶胶颗粒物在待测物处的概率分布，通过如此设计，可以有效提高相干探测系统的数据利用率，现有相干激光雷达测量中仅使用谱数据的频率波动信息反演大气风场，而谱数据的强度则并未使用，极大地限制了相干雷达的应用范围。大气风场及气溶胶作为大气分析的两个基本参数，存在共同测量的必要。除此之外，相干探测数据也具有更高的信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种相干探测系统的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种消光系数与波长及粒径大小关系的示意图；
图3为本申请实施例提供一种不同粒径气溶胶颗粒物概率分布的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种相干激光雷达气溶胶粒径谱分析方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本申请实施例提供的一种相干探测系统的示意图；包括光源系统用于提供满足探测要求的光，输出调制载波光信号；分束器用于将光分为两路，第一路作为本地光输入耦合器，第二路为信号光用作探测；环形器，如图1所示从通道1输入的光只能经通道2输入，从通道 2进入的光只能从通道3输出；收发系统，收发系统为如图1所示，用于接收距离为L处的目标回波信号，耦合器用于将本征光和信号光混频后以50：50输出。平衡探测器，用于探测相干光信号并转成电信号；处理单元，具备对电信号放大、储存、计算、数据传输、及输出探测结果等功能。
根据米散射激光雷达方程：
公式(1)中，P(z)是距离z处的激光回波信号功率；E是激光发射能量； C是标定系统常数，包括发射、接收系统的光学损失，接收系统的有效接收面积；β(z)为大气总后向散射系数，α(z')是高度z'的大气总消光系数。
由公式(1)可以看出，利用激光雷达接收到的回波信号反演大气气溶胶消光系数和后向散射系数时，由于回波信号中包含后向散射系数和消光系数2个大气参量的信息，反演过程需要对大气状态做出一定假设，即雷达比参数(气溶胶消光系数与散射系数之比)。将后向散射系数由消光系数代替可以得到公式(2)：
β(z)＝αk(z)/S1 (2)
S1为消光后向散射比，k与激光发射波长、气溶胶粒子特性相关，0.67≤k≤1。
将公式(1)激光雷达方程进行距离平方校正后再进行对数及微分处理，得到结果：
结合伯努利方程解法，计算式(4)、(5)中的消光系数α(z)，而消光系数可结合边界条件分为下面两种表达式：
αf(z)为后向大气消光系数，即高度大于zf时的大气消光系数结果，α(zf)为其边界条件；αb(z)为前向大气消光系数，即高度小于zb时的大气消光系数结果，α(zb)为其边界条件。其中，zf及zb分别为边界条件对应的高度值。
从上述实施例可以看出能够通过后散射信号获得气溶胶的消光系数。
图2为本申请实施例提供的一种消光系数与波长及粒径大小关系的示意图。图2中r为粒子半径。根据图1所示的实施例利用变焦装置实现不同距离下探测，通过更换激光波长，可以得到如图2所示的波长与不同消光系数的曲线图。在图2中根据消光系数与波长以及粒子半径的关系可以反演出粒子半径。图2示出了不同粒子半径下波长与消光系数的关系图。
图3为本申请实施例提供一种不同粒径气溶胶颗粒物概率分布的示意图。颗粒物粒径谱分布可以较好符合实际情况下的经验公式为：
该公式表示一群平均半径为μ的气溶胶颗粒遵守的概率分布。式中，r 为粒子半径，μ为粒子半径的几何平均值，σ为几何标准差。如图3所示可对应测得不同粒径气溶胶参数值，从而可以获得一定范围内的气溶胶粒径谱分布。对于固定距离的待测目标物体，利用变焦装置实现不同激光波长下的测距，得到如图2所示的消光系数与波长及粒径大小关系的示意图；根据消光系数与波长以及粒子半径的关系可以反演出粒子半径；再根据公式(8)可以获得待测目标物体处的气溶胶粒径谱分布。利用不同波长出射光可反演出不同粒径大小气溶胶特性参数，即可获得一定距离范围内的气溶胶粒径谱分布。同时通过对系统调焦可实现不同距离下气溶胶探测，从而得到垂直廓线上气溶胶分布信息。
图4为本申请实施例提供的一种相干激光雷达气溶胶粒径谱分析方法的流程图，包括如下步骤：
S401：相干激光雷达通过更换激光波长，完成不同波长下对待测物的测量；
S402：根据米散射激光雷达方程，获得不同波长下回波功率与消光系数的关系；
S403：结合伯努利方程解法求出不同波长下的消光系数；
S404：根据消光系数与波长及粒径大小关系反演出粒径大小；
S405：获得不同粒径气溶胶颗粒物在待测物处的概率分布。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种相干激光雷达气溶胶粒径谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：相干激光雷达通过更换激光波长，完成不同波长下对待测物的测量；
步骤2：根据米散射激光雷达方程，获得不同波长下回波功率与消光系数的关系；
步骤3：结合伯努利方程解法求出不同波长下的消光系数；
步骤4：根据消光系数与波长及粒径大小关系反演出粒径大小；
步骤5：获得不同粒径气溶胶颗粒物在待测物处的概率分布。
2.根据权利要求1所述的气溶胶粒径谱分析方法，其特征在于，所述消光系数包括大气气溶胶消光系数α(z')与后向散射系数β(z)，并且β(z)＝αk(z)/S1，其中S1为消光后向散射比，k与激光发射波长、气溶胶粒子特性相关，并且0.67≤k≤1。
3.根据权利要求1所述的气溶胶粒径谱分析方法，其特征在于，所述不同粒径气溶胶颗粒物在待测物处的概率分布服从：其中，r为粒子半径，μ为粒子半径的几何平均值，σ为几何标准差。
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