本發(fā)明涉及激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及拉曼雷達(dá)校準(zhǔn)米散射激光雷達(dá)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

大氣氣溶膠是指懸浮于大氣中的固體和液體顆粒，氣溶膠粒子通過吸收和散射太陽輻射以及地球長波輻射影響天氣和氣候的變化。由于自然因素和人為因素,氣溶膠屬性在時(shí)間和空間上都有很大的變動(dòng)性,基于全球氣象變化以及環(huán)境保護(hù)方面研究的需要,對(duì)氣溶膠的觀測包括對(duì)氣溶膠垂直分布的研究需要不斷加強(qiáng)。

激光雷達(dá)通過向大氣發(fā)射激光束，利用大氣中的氣溶膠為媒介，進(jìn)行大氣遙感探測。由于激光波長較短以及脈沖寬度很窄，因而可以實(shí)現(xiàn)大氣層內(nèi)高精度高時(shí)空分辨率探測。

激光在大氣介質(zhì)中傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生分子和小尺度大氣氣溶膠粒子的瑞利(rayleigh)散射、大尺度大氣氣溶膠粒子的米(mie)散射、非球形粒子的退偏振(depolarization)散射、散射頻率發(fā)生變化的喇曼(raman)散射以及散射強(qiáng)度比分子瑞利散射大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的共振熒光(resonancefluorescence)散射等多種散射過程。

米散射是散射波長與入射波長相同的一種彈性散射過程與其他散射放式相比，米散射具有較大的散射截面，使米散射雷達(dá)回波信號(hào)通常較大，因而成為探測大氣氣溶膠分布的有效工具。

拉曼散射是大氣分子對(duì)激光的非彈性散射，在散射過程中，大氣分子和激光光子進(jìn)行能量交換，使散射波長發(fā)生改變。拉曼散射與分子本身的振動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)密切相關(guān)，不同大氣分子對(duì)應(yīng)著不同的拉曼散射頻移，因此可以利用反射光波長區(qū)分不同的大氣分子。大氣中含量最多的分子為氮分子，其含量在大氣中相對(duì)穩(wěn)定，可以利用氮?dú)夥肿拥睦⑸湫盘?hào)作為基準(zhǔn)反演大氣中其它分子或氣溶膠的空間分布。

當(dāng)一個(gè)激光脈沖發(fā)射到大氣中時(shí)，在傳播路徑上激光脈沖被大氣氣溶膠粒子和云粒子散射和消光，不同高度(距離)的后向散射光的大小與此高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的散射特性有關(guān)，其后向散射光強(qiáng)度由激光雷達(dá)探測，通過求解激光雷達(dá)方程就可以反演相對(duì)應(yīng)高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的消光系數(shù)。

米散射激光雷達(dá)的回波方程為

p(z)為接受距離z處的大氣后向散射回波信號(hào)，p0為發(fā)射光功率，c為系統(tǒng)常數(shù)，α(z)和β(z)分別為大氣消光系數(shù)和后向散射系數(shù)。

fernald方法是氣溶膠消光系數(shù)反演算法中最成熟，最具代表性的一種，它的正確性已經(jīng)被大量的探測和廣泛的應(yīng)用所證實(shí)。fernald方法將空氣分子和大氣氣溶膠粒子的消光加以區(qū)別。激光雷達(dá)方程改寫為

βa(z)和βm(z)為距離z處的大氣氣溶膠粒子和空氣分子后向散射系數(shù)，αm(z)和αa(z)為距離z處的大氣氣溶膠和空氣分子的消光系數(shù)?？諝夥肿拥暮笙蛏⑸湎禂?shù)和消光系數(shù)利用美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型并通過瑞利散射理論可以得到精確值：

sa＝σa(r)/βa(r)是大氣氣溶膠消光后向散射比，fernald法假設(shè)其為常數(shù)，若已知某參考高度rm的氣溶膠后向散射系數(shù)，則參考高度以下的氣溶膠后向散射系數(shù)可通過激光雷達(dá)方程得出

大氣氣溶膠消光后向散射比依賴于入射的激光波長，氣溶膠粒子的尺度分布和化學(xué)組成，假定其為常數(shù)則意味著假定大氣氣溶膠粒子的尺度和化學(xué)組成不隨高度變化，因此這影響了米散射激光雷達(dá)的測量準(zhǔn)確性。拉曼激光雷達(dá)方程為：

λl為激光出射波長，λx為經(jīng)氣體分子x拉曼散射后的波長，p(λx，r)為raman散射后向回波信號(hào)，p0(λl)為激光發(fā)射功率，c為與探測距離無關(guān)的系統(tǒng)常數(shù)，ε(r)為幾何重疊因子，σx為氣體x的后向散射截面，nx(r)為氣體x的分子數(shù)密度，αmol(λl，r)和αmol(λx，r)為大氣分子對(duì)波長λl和λx的消光系數(shù)，αaer(λl，r)和αaer(λx，r)為氣溶膠對(duì)波長λl和λx的消光系數(shù)。

氣溶膠對(duì)激光出射波長λl的消光系數(shù)為

由上式可知，拉曼雷達(dá)可以直接求解消光系數(shù)。

由angstorm法則，氣溶膠消光系數(shù)與波長的關(guān)系為

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中米散射激光雷達(dá)的測量準(zhǔn)確性差問題，從而提供一種以拉曼雷達(dá)提供穩(wěn)定數(shù)據(jù)校準(zhǔn)源的激光雷達(dá)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的是在于提供一種激光雷達(dá)校準(zhǔn)方法，以提高米散射激光雷達(dá)的測量精度。

本發(fā)明提供的一種激光雷達(dá)校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括：拉曼雷達(dá)和與所述拉曼雷達(dá)通過網(wǎng)絡(luò)連接的米散射激光雷達(dá)。

可選地，定位拉曼雷達(dá)和米散射激光雷達(dá)的位置信息，所述米散射激光雷達(dá)通過網(wǎng)絡(luò)獲取拉曼雷達(dá)位置信息，并計(jì)算其與自身的直線距離，使用距離最近的拉曼雷達(dá)數(shù)據(jù)為校準(zhǔn)源。

可選地，定位拉曼雷達(dá)和米散射激光雷達(dá)的位置信息，所述拉曼雷達(dá)通過網(wǎng)絡(luò)獲取米散射激光雷達(dá)的位置信息，并計(jì)算其與自身的直線距離，將自身的拉曼雷達(dá)數(shù)據(jù)作為校準(zhǔn)源發(fā)送至預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的米散射激光雷達(dá)。

可選地，所述拉曼雷達(dá)設(shè)有計(jì)算模塊和/或定位模塊，所述米散射激光雷達(dá)設(shè)有計(jì)算模塊和/或定位模塊。

可選地，所述定位模塊為gps，每一個(gè)gps對(duì)應(yīng)一個(gè)雷達(dá)ip地址。

本發(fā)明還提供了一種激光雷達(dá)系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：

米散射激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)獲得一定范圍內(nèi)的拉曼雷達(dá)采集數(shù)據(jù)；

拉曼雷達(dá)波長與米散射激光雷達(dá)波長，根據(jù)angstorm法則，米散射雷達(dá)消光系數(shù)換算為：

根據(jù)米散射激光雷達(dá)方程，可直接得米散射激光雷達(dá)的后向散射系統(tǒng)數(shù)，米散射后向散射系數(shù)表示為：

其中，由于對(duì)流層頂氣溶膠消光遠(yuǎn)小于大氣分子消光，cp0可由下

式確定

在雷達(dá)穩(wěn)定工作的情況下，cp0視為常數(shù)；

已知后向散射系數(shù)后，則不同高度米散射激光雷達(dá)的消光后向散射比表示為：

保存校準(zhǔn)后的消光后向散射比。

所述米散射激光雷達(dá)在后續(xù)消光系數(shù)的計(jì)算中使用校準(zhǔn)后的消光后向散射比，直至下一次校準(zhǔn)。

本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

拉曼雷達(dá)是利用空氣中含量最多且穩(wěn)定的氮?dú)夥肿幼鳛槔⑸湫盘?hào)，并將其作為基準(zhǔn)反演大氣中其它分子或氣溶膠的空間分布，其測量精度高，但成本極高，本發(fā)明將米散射激光雷達(dá)與拉曼雷達(dá)結(jié)合，使用拉曼雷達(dá)測量數(shù)據(jù)作為校準(zhǔn)源校準(zhǔn)若干米散射激光雷達(dá)，一方面，利用了米散射激光雷達(dá)具有較強(qiáng)的回波信號(hào)特點(diǎn)，同時(shí)又通過拉曼雷達(dá)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性提高了米散射激光雷達(dá)的測量精度，避免了使用fernald法假設(shè)sa＝σa(r)/βa(r)為常數(shù)而認(rèn)為大氣氣溶膠粒子的尺度和化學(xué)組成隨高度是不變的，另一方面，使用拉曼雷達(dá)來校準(zhǔn)一定范圍內(nèi)的米散射激光雷達(dá)，極大程度上節(jié)約了成本，提高了測量效率。拉曼雷達(dá)與米散射激光雷達(dá)接入同一網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以是使用ip地址進(jìn)行訪問的互聯(lián)網(wǎng)，也可以是局域網(wǎng)或其它專用網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了異體遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的校準(zhǔn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一提供的激光雷達(dá)系統(tǒng)的校準(zhǔn)流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例二提供的激光雷達(dá)系統(tǒng)的校準(zhǔn)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，下面所描述的本發(fā)明不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

實(shí)施例1

本發(fā)明提供了一種激光雷達(dá)校準(zhǔn)系統(tǒng)，參見圖1所示，具體包括拉曼雷達(dá)和與拉曼雷達(dá)通過網(wǎng)絡(luò)連接的米散射激光雷達(dá)，拉曼雷達(dá)和米散射激光雷達(dá)接入同一網(wǎng)絡(luò)，這里的網(wǎng)絡(luò)不限于使用ip地址進(jìn)行訪問的互聯(lián)網(wǎng)，也可以是局域網(wǎng)或其它專用網(wǎng)絡(luò)。拉曼雷達(dá)和米散射激光雷達(dá)均為若干個(gè)，本實(shí)施例中，設(shè)置第一拉曼雷達(dá)2、第二拉曼雷達(dá)3和第三拉曼雷達(dá)4和米散射激光雷達(dá)1，第二米散射激光雷達(dá)5，記錄上述所有拉曼雷達(dá)ip地址并形成ip地址列表，拉曼雷達(dá)上裝設(shè)有g(shù)ps，所有拉曼雷達(dá)gps位置與其ip地址一一對(duì)應(yīng)，將ip地址及gps列表存入米散射激光雷達(dá)控制電腦。

參見圖2所示，拉曼雷達(dá)和米散射激光雷達(dá)同步采集數(shù)據(jù)，米散射激光雷達(dá)以一定時(shí)間間隔查詢拉曼雷達(dá)gps列表，并通過計(jì)算模塊計(jì)算其與自身gps位置的直線距離，查詢時(shí)間間隔可以根據(jù)需要設(shè)置，本實(shí)施例設(shè)置為2小時(shí)；若在預(yù)設(shè)距離范圍內(nèi)存在距離最近的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)源，則使用其數(shù)據(jù)作為校準(zhǔn)源進(jìn)行米散射激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，若在該預(yù)設(shè)距離內(nèi)不存在拉曼雷達(dá)則結(jié)束后續(xù)校準(zhǔn)。

若在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)確定拉曼雷達(dá)數(shù)據(jù)源后，米散射激光雷達(dá)控制軟件通過ip地址與確定的拉曼雷達(dá)控制軟件連接，米散射雷達(dá)通過數(shù)據(jù)接口獲取實(shí)時(shí)拉曼雷達(dá)消光系數(shù)。若拉曼激光雷達(dá)波長與米散射激光雷達(dá)波長不一致，根據(jù)angstorm法則，米散射雷達(dá)消光系數(shù)可以換算為：

若已知米散射消光系數(shù)，根據(jù)米散射激光雷達(dá)方程，可直接求解米散激光射雷達(dá)后向散射系數(shù)。米散射后向散射系數(shù)可表示為：

由于對(duì)流層頂氣溶膠消光遠(yuǎn)小于大氣分子消光，則cp0可由下式確定

在雷達(dá)穩(wěn)定工作的情況下，cp0可視為常數(shù)。

已知后向散射系數(shù)后，則不同高度米散射激光雷達(dá)的消光后向散射比可以表示為：

保存校準(zhǔn)后的消光后向散射比，米散射激光雷達(dá)在后續(xù)消光系數(shù)的計(jì)算中使用校準(zhǔn)后的消光后向散射比，直至下一次校準(zhǔn)。

實(shí)施例2

計(jì)算模塊和定位模塊的設(shè)置除上述實(shí)施方式外，參見圖3所示，也可以在拉曼雷達(dá)上設(shè)置計(jì)算模塊和定位模塊，米散射激光雷達(dá)設(shè)置定位模塊，拉曼雷達(dá)和米散射激光雷達(dá)同步采集數(shù)據(jù)，拉曼雷達(dá)以每2小時(shí)間隔查詢米散射激光雷達(dá)gps列表，拉曼雷達(dá)獲取米散射激光雷達(dá)的位置信息，并計(jì)算其與自身的直線距離，將自身的拉曼雷達(dá)數(shù)據(jù)作為校準(zhǔn)源發(fā)送至預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的米散射激光雷達(dá)。若在預(yù)設(shè)距離范圍內(nèi)存在米散射激光雷達(dá)，則將其數(shù)據(jù)作為校準(zhǔn)源發(fā)送至米散射激光雷達(dá)，若在該預(yù)設(shè)距離內(nèi)不存在米散射激光雷達(dá)則結(jié)束后續(xù)校準(zhǔn)。具體校準(zhǔn)方法同實(shí)施例1，在此不再敖述。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。