一種基於布裡淵雷射雷達系統的大氣溫度測量方法與流程
2023-04-23 13:53:06
本發明涉及一種大氣溫度測量領域，具體涉及一種基於布裡淵雷射雷達系統的大氣溫度測量方法。
背景技術：
大氣垂直高度的溫度監測一直是氣象、環保和空間工程領域的重要研究工作，也是雷射雷達應用的重要領域，其中通過頻譜信號檢測拉曼散射回波信號在低空大氣中得到廣泛應用。
但是從散射機理上來說，拉曼散射截面要比瑞利布裡淵小很多，回波信號十分微弱，這將需要大功率雷射發射設備和高靈敏度接收設備，成本比較高，大規模布網開銷大。同時拉曼散射回波信號信噪比較低，需要更多的積分時間積累或者多次測量去平均才能獲得較好的效果，不利於短時間極端天氣的快速監測。
現有的大氣溫度可以通過tentis6氣體瑞利布裡淵廓線模型進行測量獲得。該模型通過溫度、壓強、熱導率、內部比熱容、體粘滯係數和剪切粘滯係數等6個參數來描述微觀波動而建立，tentis6的氣體瑞利布裡淵廓線模型與真實實驗數據之間的誤差較小，目前被認為是描述氣體瑞利布裡淵譜最好的模型。但是，該模型沒有解析形式，數學計算過於複雜，而且真實遙感測量中環境參數都是未知的，這會對溫度的反演帶來很大的不穩定性，導致其測量精度以及應用受到較大約束。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術的以上缺陷或不足，提供一種基於布裡淵雷射雷達系統的大氣溫度測量方法，其主要利用大氣溫度與壓強和瑞利布裡淵線寬之間的聯繫，從而能夠簡單直接地測量得到大氣溫度，滿足了真實遙感實時監控大氣溫度的需要能夠及時有效地從頻譜線寬信息中得到大氣溫度。
為實現上述目的，按照本發明一個方面，提出了一種利用布裡淵雷射雷達系統測量大氣溫度的方法，所述方法包括：
s1利用tentis6氣體瑞利布裡淵廓線模型計算得到不同溫度和壓強下的譜線線寬；
s2根據步驟s1中的溫度、壓強和譜線線寬數據，利用萊溫伯格-麥夸特(levenberg-marquardt)擬合算法對線寬與大氣溫度和壓強之間的關係進行擬合得到相對應的關係式：
t＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，l表示線寬，p表示壓強，ci表示係數，i＝1,2,…,9；
s3對由雷射器向空中發射雷射並經大氣後向散射後形成的雷射回波信號進行處理，得到雷射回波頻譜信號，並對該雷射回波頻譜信號進行處理，去除其中的米氏散射，從而得到頻譜線寬；
s4，計算獲得當前條件下的壓強，並利用獲得的壓強和及步驟s3中得到的線寬，通過步驟s2中的關係式即可得到大氣溫度信息。
作為本發明的進一步改進，所述雷射回波頻譜信號光譜由瑞利散射譜，米氏散射譜，布裡淵散射譜疊加而成，步驟s3中對所述雷射回波頻譜信號進行處理具體包括：
s301採用高斯函數(guassian)對雷射回波頻譜信號中的瑞利布裡淵散射譜建模，所建模型為：
式中vrb(v)表示瑞利布裡淵散射譜，vrayl(v)表示瑞利散射譜，表示正向布裡淵散射譜，表示反向布裡淵散射譜，a表示瑞利散射譜的強度。
s302雷射回波信號建模，其中採用狄爾克函數對米氏散射建模，得到
式中v表示雷射回波信號，imie·δ(v)表示米氏散射譜，f(v)表示fp標準具相對應的器件函數，表示卷積；
s303使用萊溫伯格-麥夸特(levenberg-marquardt)最小二乘擬合算法和步驟s302中的雷射回波信號模型對雷射回波信號進行曲線擬合，得到相對應的瑞利布裡淵譜線，即可測得頻譜線寬。
作為本發明的進一步改進，所述步驟s3中得到雷射回波頻譜信號的具體過程為：
s311雷射發射系統向大氣發射脈衝雷射；
s312雷射接收系統接收經大氣後向散射後形成的雷射回波信號，並將其轉換為雷射準直回波信號，經過光學濾波器並利用多光束幹涉原理得到一組等傾幹涉條紋；
s313所述條紋由光電探測器接收，完成光電轉換，並將得到的電信號變換成對應的頻譜，即為雷射回波頻譜信號。
按照本發明的另一方面，提供一種利用布裡淵雷射雷達系統測量大氣溫度的方法，具體包括如下步驟：
s1布裡淵雷射雷達系統的雷射器向空中發射直準脈衝光，經過大氣後向散射後形成雷射回波信號；
s2所述雷射回波信號經過法布裡珀羅幹涉儀後被光電倍增管接收並進行光電轉換，然後輸出電信號；
s3對電信號進行處理得到相應的雷射回波信號的頻譜；
s4對所述雷射回波信號頻譜進行曲線擬合，去除雷射回波信號中的米氏散射譜，得到瑞利布裡淵散射譜，即可測得頻譜線寬；
s5計算獲得當前條件下的壓強，並利用獲得的壓強和及步驟s4中得到的線寬，通過線寬與大氣溫度和壓強之間的關係，即可得到大氣溫度信息。
作為本發明的進一步改進，線寬與大氣溫度和壓強之間的關係具體為：
t＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，l表示線寬，p表示壓強，ci表示係數，i＝1,2,…,9。
作為本發明的進一步改進，所述雷射回波頻譜信號光譜由瑞利散射譜，米氏散射譜，布裡淵散射譜疊加而成，步驟s3中對所述雷射回波頻譜信號進行處理具體包括：
s301採用高斯函數(guassian)對雷射回波頻譜信號中的瑞利布裡淵散射譜建模，所建模型為：
式中vrb(v)表示瑞利布裡淵散射譜，vrayl(v)表示瑞利散射譜，表示正向布裡淵散射譜，表示反向布裡淵散射譜，a表示瑞利散射譜的強度。
s302雷射回波信號建模，其採用狄爾克函數對米氏散射建模，得到
式中v表示雷射回波信號，vrb(v)表示瑞利布裡淵散射譜，imie·δ(v)表示米氏散射譜，f(v)表示fp標準具相對應的器件函數，表示卷積；
s303使用萊溫伯格-麥夸特(levenberg-marquardt)最小二乘擬合算法和步驟s302中的雷射回波信號模型對雷射回波信號進行曲線擬合，得到相對應的瑞利布裡淵譜線，即可測得頻譜線寬。
作為本發明的進一步改進，所述步驟s3中得到雷射回波頻譜信號的具體過程為：
s311雷射器發射系統向大氣發射脈衝雷射；
s312雷射器接收系統接收經大氣後向散射後形成的雷射回波信號，並將其轉換為雷射準直回波信號，經過光學濾波器並利用多光束幹涉原理得到一組等傾幹涉條紋；
s313所述條紋由光電探測器接收，完成光電轉換，並將得到的電信號變換成對應的頻譜，即為雷射回波頻譜信號。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：
1)本發明的方法提出了一種基於布裡淵雷射雷達系統的大氣溫度測量方法，通過分析線寬與大氣溫度及壓強之間的關係，該方法可以避免s6模型是沒有解析解的問題，有利於真實遙感實時監測；
2)本發明的方法中，對雷射回波頻譜信號進行了優化處理，去除其中的米氏散射，並直接通過整體線寬來反演溫度，不用具體解析內部瑞利峰和布裡淵峰，能夠滿足實時在線數據分析的需求；
3)本發明方法在保證大氣溫度測量誤差較小的基礎上，並未存在過多的計算複雜度，同時，顯著改善了大氣溫度測量的實時性問題，便於操控。
附圖說明
圖1為按照本發明一個實施例所構建的大氣溫度測量方法中所用到的雷射雷達系統示意圖；
圖2為圖1雷射雷達系統中的雷射發射系統示意圖；
圖3為圖1雷射雷達系統中的雷射接收系統示意圖；
圖4為圖1雷射雷達系統中的信號採集與處理系統示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明實施例的一種大氣溫度測量方法，其具體步驟如下：
(1)理論瑞利布裡淵線寬計算
由於高層大氣氣溶膠的影響較小，基於回波信號能量檢測的測溫雷射雷達得到廣泛應用，所以採用頻譜檢測的雷射雷達的應用範圍多在低層大氣中。
根據美國標準大氣可知，在北半球典型氣候下，低層大氣(0-15km)垂直高度的大氣溫度分布為200-300k，氣壓為0.1-1bar，考慮到極端條件下地表溫度會有30℃以上，因此本實施例中，優選將溫度範圍設定在220k到340k，壓強範圍設定為0.1bar-1bar內，在每隔10k和每隔0.1bar的條件下，利用tentis6模型計算得到相應的瑞利布裡淵譜線，並得到相應的譜線線寬。
tentis6模型是業內較為成熟的大氣氣溫測量模型，本方案實施例中先採用該模型建立初步的譜線線寬。
(2)大氣溫度與壓強及線寬之間的關係
根據步驟1中的溫度、壓強及譜線線寬數據，可以通過萊溫伯格-麥夸特(levenberg-marquardt)擬合算法(最小均方誤差算法)擬合得到溫度作為線寬和壓強的函數：
t＝c0+c1l+c2p+c3l2+c4p2+c5lp+c6l3+c7p3+c8lp2+c9l2p
其中，l表示線寬(ghz)，p表示壓強(bar)，ci表示係數，i＝1,2,…,9。
(3)實際線寬數據的讀取
第一步：雷射發射系統1向大氣發射例如波長為366nm的脈衝雷射。雷射與大氣發生各種散射作用(例如米氏散射、瑞利散射、布裡淵散射)後形成雷射回波信號；
第二步：雷射接收系統2由望遠鏡201，擴束鏡202，和光學濾波器203組成。例如366nm波長的雷射回波信號在望遠鏡201的遠場焦點處，經望遠鏡201接收後，擴束鏡202將回波信號轉換為雷射準直回波信號，最後經過光學濾波器203，本實施例中優選採用的是法布裡珀羅(f-p)標準具，其利用多光束幹涉原理可以得到一組等傾幹涉條紋；
第三步：該條紋由信號採集和處理系統3中的光電探測器接收，本實施例中光電探測器優選可以採用光電倍增管序列(pmt)，其用於完成光電轉換並得到同心圓幹涉圓環光強度信息。
上述光電探測器檢測到的電信號還原得到瑞利布裡淵譜線，本實施例中其具體過程如下：
①將光電探測器檢測到的電信號變換成對應的頻譜，這一頻譜是上述的光學濾波器202法布裡珀羅(f-p)標準具透過率airy函數與雷射回波信號光譜卷積的結果。其中airy函數由所採用法布裡珀羅(f-p)標準具型號的技術指標可知。
②雷射回波信號光譜由瑞利散射譜，米氏散射譜，布裡淵散射譜疊加而成，在光譜中心出能量高、頻帶窄的部分即為米氏散射，為了得到準確的線寬信息需要去除其中的米氏散射，並且由於噪聲的緣故，雷射回波信號光譜並不是特別光滑，而是具有一定的毛刺。
因此本發明實施例中採用解析模型對該頻譜信號進行擬合處理，具體為：
採用高斯函數(guassian)對瑞利布裡淵散射譜建模，所建模型為：
這裡vrayl(v)表示瑞利散射譜，表示正向布裡淵散射譜，表示反向布裡淵散射譜，a表示瑞利散射譜的強度。
對於雷射回波信號建模，採用狄爾克函數對米氏散射建模，可以得到
這裡v表示雷射回波信號，vrb(v)表示瑞利布裡淵散射譜，imie·δ(v)表示米氏散射譜，f(v)表示fp標準具相對應的器件函數，表示卷積。
③使用萊溫伯格-麥夸特(levenberg-marquardt)最小二乘擬合算法和步驟②中的雷射回波信號模型對雷射回波信號進行曲線擬合，得到相對應的瑞利布裡淵譜線，測得整體線寬。
(4)大氣溫度計算
利用美國標準大氣模型，可以計算得到當前環境下的大氣壓強，將壓強以及步驟③中的線寬代入到步驟②的公式中，得到當前環境下的大氣溫度。
本發明技術方案中，實現所述大氣溫度測量方法的雷射雷達，優選包括雷射發射系統1、雷射接受系統2和信號採集和處理系統3。其中，如圖2所示，雷射發射系統1包括雷射器101、擴束鏡102、光學發射器103、雷射通過雷射器101發出，經過擴束鏡102形成準直光，通過光學發射器103向空中發射準直雷射脈衝，經過大氣後向散射形成雷射回波信號。
如圖3所示，雷射接收系統2包括望遠鏡201、擴束鏡202和光學濾波器203，望遠鏡201接受的雷射回波信號依次通過擴束鏡202和光學濾波器203，所述光學濾波器為法布裡珀羅標準具。
如圖4所示，信號採集和處理系統3包括光電探測器301和控制和處理單元302，光電探測器301將經過光學濾波器203後的光信號轉換為電信號傳送給控制和處理單元302，控制和處理單元302對電信號進行處理得到瑞利布裡淵頻譜。
本發明的方法採用具有更強回波信號的瑞利布裡淵雷射雷達來監測低層大氣溫度變化，利用頻譜檢測的瑞利布裡淵雷射雷達具有高信噪比、高靈敏度的特點，已經在光纖、海水等介質參數遙感上得到廣泛應用。但是大氣中的布裡淵頻移很小，散射產生的中心瑞利峰與兩側的布裡淵峰重疊在一起而難以區分，此時的瑞利布裡淵廓線從頻譜上僅有線寬信息是直觀的，本發明能夠通過分析線寬與大氣溫度還有壓強之間的關係，達到反演大氣溫度的目的。這樣既可避免傳統s6模型是沒有解析解，不利於真實遙感實時監測的問題；而且不用具體解析內部瑞利峰和布裡淵峰，直接通過線寬與溫度之間的關係來反演溫度，能夠滿足實時在線數據分析的需求。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。