一種基于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)反演大氣溫度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光雷達(dá)大氣探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)反 演大氣溫度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，具有高時(shí)空分辨率和高探測(cè)靈敏度 等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于1)大氣溫度、濕度和氣壓的探測(cè)；2)大氣光學(xué)參數(shù)的探測(cè);3)氣溶膠和 煙羽的探測(cè);4)大氣氣體成份濃度和分布的探測(cè);5)大氣風(fēng)和湍流的探測(cè)。
[0003]拉曼激光雷達(dá)是利用激光與大氣介質(zhì)的拉曼散射作用，通過(guò)探測(cè)介質(zhì)的拉曼散射 光對(duì)介質(zhì)的密度等信息的作用進(jìn)行探測(cè)的光學(xué)探測(cè)手段。轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)大氣溫度探測(cè) 技術(shù)是根據(jù)大氣中氮?dú)饣蜓鯕夥肿拥霓D(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射強(qiáng)度與溫度的依存關(guān)系來(lái)探測(cè)大氣溫 度的。由于氮?dú)夥肿拥土孔訑?shù)和高量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線的強(qiáng)度隨溫度的升高而分別呈現(xiàn)減 弱和增強(qiáng)的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)正是利用這個(gè)效應(yīng)，通過(guò)探測(cè)這兩個(gè)譜線區(qū)域內(nèi)大氣 后向散射信號(hào)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣溫度的高精度探測(cè)。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)已成為對(duì)流層-平 流層內(nèi)大氣溫度探測(cè)的有效技術(shù)之一。
[0004] 目前，國(guó)內(nèi)外利用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)已發(fā)展的較為成熟，但是在對(duì)大氣 溫度廓線的反演中多采用傳統(tǒng)的大氣溫度反演算法，即利用高量子數(shù)和低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼 回波信號(hào)的強(qiáng)度比值函數(shù)求解大氣溫度。由于高與低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼通道信噪比（SNR)的 差異，影響了大氣溫度拉曼激光雷達(dá)的探測(cè)距離，同時(shí)，在該傳統(tǒng)算法中校正常數(shù)A，B和C (或A和B)的不穩(wěn)定解也將給反演結(jié)果帶來(lái)誤差。針對(duì)此提出了一種大氣溫度反演的優(yōu)化算 法，利用該算法可大大提高大氣溫度的反演高度，其結(jié)果具有更高的探測(cè)信噪比，且探測(cè)誤 差較為穩(wěn)定，達(dá)到了高精度的反演要求，并與同步探空氣球數(shù)據(jù)具有很好的一致性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)反演大氣溫度的方法，解決了現(xiàn) 有傳統(tǒng)反演算法中存在的受通道信噪比差異以及校正常數(shù)不穩(wěn)定影響的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)反演大氣溫度的方法， 利用高量子數(shù)與低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射回波信號(hào)的獨(dú)立交替求解，獲得對(duì)大氣溫度的精確 反演。具體按照以下步驟：
[0007] 步驟1、讀取轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼高量子數(shù)和低量子數(shù)通道回波信號(hào)原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行去噪與 平滑處理；
[0008] 步驟2、計(jì)算高量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的偽通道常數(shù)&(ζ);
[0009] 步驟3、計(jì)算低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的后向散射系數(shù)i32(Jlciw，T，z);
[0010] 步驟4、求解大氣溫度廓線T(z)。
[0011] 本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：
[0012] 步驟2計(jì)算高量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的偽通道常數(shù)&( ζ )，具體為：
[0013]步驟2.1、利用大氣分子的拉曼精細(xì)反演方法或者米散射的klett法和Fernald法， 求解獲得大氣氣溶膠消光系數(shù)廓線α(ζ);
[0014] 步驟2.2、計(jì)算高量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的后向散射系數(shù)&(九_(tái)，如(2)，2):
[0015]
[0016] 其中
'〃·，g為核自轉(zhuǎn)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，h為普 朗克常數(shù)，B〇為分子轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)，％為入射光的頻率，γ為分子各向異性，kB為玻爾茲曼常數(shù)，I 為核自轉(zhuǎn)，T為求解的溫度變量，tQ(z)為同步探空數(shù)據(jù)所得高度z處的已知大氣溫度，ΔΑ為 拉曼頻移，E(J high)為與轉(zhuǎn)動(dòng)高量子數(shù)Jhigh、振動(dòng)基態(tài)離心扭曲常量Do以及分子轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)B〇 有關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)能量；
[0017]步驟2.3、求解高量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的偽通道常數(shù)&( z):
[0018]
[0019] 其中，z為高度，z)為高量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射回波信號(hào)強(qiáng)度，該偽通 道常數(shù)項(xiàng)C與溫度T無(wú)關(guān)，包括激光器發(fā)射裝置參數(shù)、望遠(yuǎn)鏡接收裝置參數(shù)，幾何重疊因子以 及光電探測(cè)器效率和光路的光學(xué)效率等。
[0020] 步驟3計(jì)算低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的后向散射系數(shù)
[0021] 假設(shè)低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的偽通道常數(shù)C2(z)與步驟2所得高量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng) 拉曼散射通道的偽通道常數(shù)&(ζ)近似相等，即C 2(z) ?&(Ζ)，利用公式(3)計(jì)算低量子數(shù)轉(zhuǎn) 動(dòng)拉曼散射通道的后向散射系數(shù)β2 (Ji?，Τ，ζ):
[0022]
[0023] 其中，P2(JlOT，T，z)為低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射回波信號(hào)強(qiáng)度。[0024] 步驟4求解大氣溫度廓線T(z)，具體為：[0025] 步驟4.1、通過(guò)分離變量，尋求大氣后向散射系數(shù)i32(Jlciw，T，z)與溫度Τ的函數(shù)關(guān) 系，表不為：
[0028] 1，[巧人"(^+1)-私名"(/,?！?丨):]如，飛(11。,)為與轉(zhuǎn)動(dòng)高量子數(shù)乃。,、振動(dòng)基態(tài)離心扭曲常量Do以及分子轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)B〇有關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)能量；[0029]步驟4.2、以1/T為自變量精確求解大氣溫度廓線T(z):
[0026]
[0027]
[0030]
[0031 ]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明一種基于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)反演大氣溫度的方法， 利用高量子數(shù)與低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的獨(dú)立交替求解，最終獲得對(duì)大氣溫度的精確 反演：
[0032] 1)其反演結(jié)果不受轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼高量子數(shù)回波信號(hào)強(qiáng)度信噪比低的影響；
[0033] 2)其反演過(guò)程避免了校正常數(shù)的不穩(wěn)定性；
[0034] 3)反演獲得的大氣溫度高度大大提高；
[0035] 4)算法具有更好的探測(cè)信噪比、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，且與探空數(shù)據(jù)具有很好的一致 性。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1是本發(fā)明一種基于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)反演大氣溫度的方法的流程圖；
[0037]圖2是實(shí)施例1的高量子數(shù)與低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射回波信號(hào)的距離平方校正信 號(hào)；
[0038]圖3是實(shí)施例1的利用傳統(tǒng)算法和本發(fā)明方法反演獲得的溫度廓線比較；
[0039]圖4是實(shí)施例2的高量子數(shù)與低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射回波信號(hào)的距離平方校正信 號(hào)；
[0040] 圖5是實(shí)施例2的利用傳統(tǒng)算法和本發(fā)明方法反演獲得的溫度廓線比較。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0042] 本發(fā)明一種基于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)反演大氣溫度的方法，流程如圖1所示，具體按 照以下步驟：
[0043] 步驟1、讀取轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼高量子數(shù)和低量子數(shù)通道回波信號(hào)原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行去噪與 平滑處理；
[0044] 步驟2、計(jì)算高量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的偽通道常數(shù)&(z)，具體為：
[0045]步驟2.1、利用大氣分子的拉曼精細(xì)反演方法或者米散射的klett法和Fernald法， 求解獲得大氣氣溶膠消光系數(shù)廓線α(ζ);
[0046] 步驟2.2、計(jì)算高量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的后向散射系數(shù)&(九_(tái)，如(2)，2):
[0047]
[0048] 其中，
；，g為核自轉(zhuǎn)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，h為普 朗克常數(shù)，B〇為分子轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù)，％為入射光的頻率，γ為分子各向異性，kB為玻爾茲曼常數(shù)，I 為核自轉(zhuǎn)，T為求解的溫度變量，tQ(z)為同步探空數(shù)據(jù)所得高度z處的已知大氣溫度，Ail為 拉曼頻移，E(J high)為與轉(zhuǎn)動(dòng)高量子數(shù)Jhigh、振動(dòng)