一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法及系统
阅读：442发布：2020-05-16
专利汇可以提供一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于多普勒展宽测量大气 温度 的方法，该方法通过发射激光，接收大气散射回波 信号 ，经FP干涉仪条纹成像，测量 光谱 展宽，利用光谱展宽计算不同高度处的大气温度。本发明基于多普勒展宽测量大气温度的方法操作简单，计算量小。可以实现从低空到高空的温度测量，回波信号稳定，测量结果较精确。，下面是一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法，其特征在于，该方法通过发射激光，接收大气散射回波信号，经FP干涉仪条纹成像，测量光谱展宽，利用光谱展宽计算不同高度处的大气温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大气温度通过以下公式计算：
式中，ΔfD为谱线的半高全宽，M为原子或分子量，f0为激光中心频率，k为玻耳兹曼常数，c为真空中光速，m为分子质量，m＝1.66×10-27M[kg]，T为大气温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发射激光为单频355nm脉冲激光；所述大气温度的计算公式为：
ΔfD＝0.11236(T)1/2GHz。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述FP干涉仪条纹成像所得光谱为瑞利散射光谱的多普勒展宽线性函数与FP干涉仪自身透过率函数的卷积；
所述瑞利散射光谱的多普勒展宽线性函数为：
所述FP干涉仪自身透过率函数为：
式中，A为干涉仪平板间的吸收和散射损失，R为平板反射率，m为干涉级数，mλ＝2nd，n为两平板间折射率，d为平板间距， m＝2ndf/c。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述FP干涉仪自身透过率函数为：
6.一种基于多普勒展宽测量大气温度的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统包括发射系统、接收系统及主控系统；所述发射系统包括激光器、扩束镜、45°全反镜；接收系统包括望远镜、小孔板、45°全反镜、滤光片、FP干涉仪、缩束镜、汇聚透镜、光电探测器、信号采集模块；所述激光器发射激光，经扩束镜、45°全反镜垂直进入大气；所述望远镜接收大气后向散射信号后，依次经小孔板上的小孔、45°全反镜、滤光片、FP干涉仪、缩束镜、汇聚透镜后进入光电探测器；所述光电探测器通过信号采集模块与主控系统相连。
7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光器采用单纵模种子注入Nd：YAG激光器；所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜；所述FP干涉仪的自由光谱范围为
12GHz；所述光电探测器采用Hamamatsu R5900-0-L16型号的16通道的光电倍增管阵列；所述信号采集模块采用16通道的Gage高速数据采集卡。
一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法及系统
技术领域
背景技术
[0002] 气温是大气最基本的要素，它的时空分布和变化对于大气的压力、风、湿度以及天气、气候具有重要影响。温度作为重要的气象要素之一，是目前天气诊断分析、天气预报和大气监测的重要参数。大气温度廓线不仅可以用来初始化和评估数值预报模型，还可以用来判断大气的稳定性、预报短时强对流天气等。同时，气温的高低和升降变化，直接影响太阳辐射和地气系统辐射的相互作用，进而影响地气系统的辐射能量收支平衡。因此，获取大气温度参数信息具有重要的科学和现实意义。
[0003] 无线电探空仪原位测量大气温度廓线仍然是目前其它探测方法的参考基准，其探测结果具有一定的准确性和代表性，可以满足大量的气象需求。但是，原位测量方法间分辨率和空间分辨率较低；单次观测成本较高；由于风的作用，温度廓线并不是处在同一纬度。这些都使得原位测量无法满足中小尺度天气系统监测。大气遥感技术逐渐发展，平流层至中间层的温度一般利用火箭和卫星遥感探测，但是火箭探空价格昂贵，卫星遥感探测垂直距离分辨率低。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了为克服常规的气温原位测量的时空分辨率低和卫星遥感探测的垂直距离分辨率低，无法连续较精确地监测大气温度变化情况的不足，本发明利用激光雷达发射355nm的激光，激光与大气分子相互作用，大气散射会对激光光谱产生多普勒展宽，激光雷达接收系统加入Fabry-Perot(FP)干涉仪来测量激光雷达的散射回波信号谱线展宽，利用条纹技术测量光谱展宽，根据大气温度和光谱展宽之间的相互关系，可以获得不同高度处的大气温度。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供了一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法，该方法通过发射激光，接收大气散射回波信号，经FP干涉仪条纹成像，测量光谱展宽，利用光谱展宽计算不同高度处的大气温度。
[0006] 其中大气温度通过以下公式计算：
[0007]
[0009] 上述发射激光为单频355nm脉冲激光；大气温度的计算公式可简化为：
[0010] ΔfD＝0.11236(T)1/2GHz。
[0011] 上述FP干涉仪条纹成像所得光谱为瑞利散射光谱的多普勒展宽线性函数与 FP干涉仪自身透过率函数的卷积；
[0012] 其中，瑞利散射光谱的多普勒展宽线性函数为：
[0013]
[0014] FP干涉仪自身透过率函数为：
[0015]
[0016] 式中，A为干涉仪平板间的吸收和散射损失，R为平板反射率，m为干涉级数，mλ＝2nd，n为两平板间折射率，d为平板间距， m＝2ndf/c。
[0017] 取A＝0，R＝0.75，FP干涉仪自身透过率函数可改为：
[0018]
[0019] 本发明还提供了一种基于多普勒展宽测量大气温度的激光雷达系统，该激光雷达系统包括发射系统、接收系统及主控系统；发射系统包括激光器、扩束镜、 45°全反镜；接收系统包括望远镜、小孔板、45°全反镜、滤光片、FP干涉仪、缩束镜、汇聚透镜、光电探测器、信号采集模块；激光器发射激光，经扩束镜、 45°全反镜垂直进入大气；望远镜接收大气后向散射信号后，依次经小孔板上的小孔、45°全反镜、滤光片、FP干涉仪、缩束镜、汇聚透镜后进入光电探测器；光电探测器通过信号采集模块与主控系统相连。
[0021] 作为本发明的一种优选方案，所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm。
[0022] 作为本发明的一种优选方案，所述光电探测器采用Hamamatsu R5900-0-L16 型号的16通道的光电倍增管(PMT)阵列。
[0023] 作为本发明的一种优选方案，所述信号采集模块采用16通道的Gage高速数据采集卡。
[0024] 本发明中FP干涉仪是一极其重要的元件，现将其使用作以下介绍：
[0025] 在本发明中，FP干涉仪涉及到的参数主要有自由光谱范围以及精细度。定义条纹的精细度为条纹间距与条纹半宽之比，用FR表示，R表示干涉仪的反射率，则：
[0026]
[0027] 定义自由光谱范围表示不同级次谱线间不发生重叠的光谱范围，用FSR表示，则FP干涉仪的自由光谱范围表示为：
[0028]
[0029] 其中，n为两平板间折射率，一般n＝1；d为平板间距。自由光谱范围FSR 由干涉仪的平板间隔和腔内折射率决定，一般腔内为空气或者抽成真空，因此 FSR只与腔长相关。干涉仪的精细度与反射率R密切相关，相同条件下反射率越高光谱宽度越窄，分辨率越高，因此精细度越高。
[0030] 假定在0-20km温度变化范围是300K-210K，大气单个分子运动速度偏差在 250-300m/s，因此分子散射光谱很宽，半高全宽(FWHM)约为3.3-4GHz。为了能将分子的整个瑞利散射光谱包含在FP干涉仪透射光谱范围内，本发明中选定FP干涉仪的自由光谱范围为
12GHz。
12GHz。
[0031] 本发明中FP干涉仪的工作原理如下：
[0032] 当激光器发出的信号经过扩束镜后再经45°全反镜直接进入大气，激光与气溶胶及大气分子相互作用，由于气溶胶进行布朗运动，运动速度慢，则气溶胶散射回来的激光光谱加宽可以忽略，而分子散射回来的光信号由于多普勒展宽其光谱会加宽。FP干涉仪的透射光谱分布和入射角有直接关系，当入射角改变时其透射光谱的位置会发生平移并且其透过光强度也会发生改变。当雷达接收系统接收到的大气分子散射回波信号到达FP干涉仪后，其激光谱线展宽能够被测出，通过测量得到的激光光谱的半高全宽便能得到某一高度处的大气温度。
[0033] 本发明相比现有技术具有以下优点：
[0034] 本发明基于多普勒展宽测量大气温度的方法操作简单，计算量小。可以实现从低空到高空的温度测量，回波信号稳定，测量结果较精确。与传统的测量大气温度的激光雷达相比，本发明的雷达系统结构更简单，运行更加便捷，适宜大范围空间观测。附图说明
[0035] 图1为激光雷达系统结构图；
[0036] 图2为-60℃和60℃下的多普勒谱线展宽；
[0037] 图3为一个周期内的FP干涉仪透过率光谱；
[0038] 图4为多普勒展宽谱线与FP干涉仪透过率谱线的卷积；
[0039] 图5为归一化的多普勒展宽谱线与FP干涉仪透过率谱线的卷积；
[0040] 图6为卷积后的谱线的半高全宽随温度的变化。
具体实施方式
[0042] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0043] 一种测量大气温度廓线的激光雷达系统，主要包括激光雷达发射系统，激光雷达接收系统以及主控系统。其中，激光雷达发射系统包括激光器1、扩束镜2、 45°全反镜3；激光雷达接收系统包括望远镜4、小孔板5、45°全反镜6、滤光片 7、FP干涉仪8、缩束镜9、汇聚透镜10、16通道光电探测器11、信号采集模块和主控系统；光电探测器与信号采集模块连接，信号采集模块和主控系统连接；激光雷达的工作原理是激光器1发射出激光依次经扩束镜2、45°全反镜3后垂直进入大气；望远镜4接收大气后向散射信号后，再依次经小孔板5上的小孔、 45°全反镜6后到达滤光片7，滤光片透过信号依次经FP干涉仪8、缩束镜9和汇聚透镜10后进入16通道光电探测器11；光电探测器11通过信号采集模块与主控系统相连，光电探测器11将光子信号转化为电信号并传输至信号采集模块，信号采集模块将采集到的电信号传输至主控系统。整个激光雷达系统的结构如图 1所示。其中，扩束镜的作用是扩大激光光束同时减小激光的发散角，45°全反镜用来改变激光的传输方向，望远镜用以接收大气分子的后向散射光子，小孔板的小孔用来限制视场角的大小以减小噪声，提高系统的信噪比，滤光片可以滤除 355nm波长之外的其他波段的信号，提高系统的信噪比，FP干涉仪用来测量激光谱线展宽，16通道光电探测器把接收到的光子信号转化成电信号，传输到信号采集模块，进行数据采集分析。
[0044] 作为本发明的一种优选方案，所述激光器采用单纵模种子注入Nd：YAG激光器，并进行三倍频，获得单频355nm脉冲输出。
[0045] 作为本发明的一种优选方案，所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜，其焦距为2032mm。
[0046] 作为本发明的一种优选方案，所述光电探测器采用Hamamatsu R5900-0-L16 型号的16通道的光电倍增管(PMT)阵列。
[0047] 作为本发明的一种优选方案，所述信号采集模块采用16通道的Gage高速数据采集卡。
[0048] 本发明中FP干涉仪是一极其重要的元件，现将其使用作以下介绍：
[0049] 在本发明中，FP干涉仪涉及到的参数主要有自由光谱范围以及精细度。定义条纹的精细度为条纹间距与条纹半宽之比，用FR表示，R表示干涉仪的反射率，则：
[0050]
[0051] 定义自由光谱范围表示不同级次谱线间不发生重叠的光谱范围，用FSR表示，则FP干涉仪的自由光谱范围表示为：
[0052]
[0053] 其中，n为两平板间折射率，一般n＝1；d为平板间距。自由光谱范围FSR由干涉仪的平板间隔和腔内折射率决定，一般腔内为空气或者抽成真空，因此FSR 只与腔长(即平板间距d)相关。干涉仪的精细度与反射率R密切相关，相同条件下反射率越高光谱宽度越窄，分辨率越高，因此精细度越高。
[0054] 假定在0-20km温度变化范围是300K-210K，大气单个分子运动速度偏差在 250-300m/s，因此分子散射光谱很宽，半高全宽(FWHM)约为3.3－4GHz。为了能将分子的整个瑞利散射光谱包含在FP干涉仪透射光谱范围内，本发明中选定FP干涉仪的自由光谱范围为
12GHz。
12GHz。
[0055] 本发明中FP干涉仪的工作原理如下：
[0056] 当激光器发出的信号经过扩束镜后再经45°全反镜直接进入大气，激光与气溶胶及大气分子相互作用，由于气溶胶进行布朗运动，运动速度慢，则气溶胶散射回来的激光光谱加宽可以忽略，而分子散射回来的光信号由于多普勒展宽其光谱会加宽。FP干涉仪的透射光谱分布和入射角有直接关系，当入射角改变时其透射光谱的位置会发生平移并且其透过光强度也会发生改变。当雷达接收系统接收到的大气分子散射回波信号到达FP干涉仪后，其激光谱线展宽能够被测出，通过测量得到的激光光谱的半高全宽便能得到某一高度处的大气温度。
[0057] 工作步骤：
[0058] 本发明激光雷达系统在工作中将按照以下八个步骤进行工作：
[0059] 步骤一：给系统各个仪器上电，系统开始工作。YAG固体激光器产生激光，激光进入扩束镜；
[0060] 步骤二：经扩束镜扩束及减小了发散角的激光到达45°全反镜后直接进入大气；
[0061] 步骤三：望远镜接收大气分子后向散射回波信号，通过放置在望远镜焦平面上的小孔，然后经45°全反镜将垂直方向传输的光信号改变成水平传输方向；
[0062] 步骤四：水平传输的光信号经滤光片滤掉其他波段的光后到达FP干涉仪；
[0063] 步骤五：通过FP干涉仪的光信号再经过缩束镜和汇聚透镜直接进入光电探测器；
[0064] 步骤六：16通道的光电倍增管阵列将接收到的光子信号转化成电信号并输送至采集模块；
[0065] 步骤七：16通道的高速采集卡采集接收到的回波信号；
[0066] 步骤八：计算机接收所采集到的数据，最后进行数据反演。
[0067] 上述数据反演方法如下：
[0068] 本发明提供了一种基于大气对激光光谱的多普勒展宽测量大气温度的探测方法，该探测方法采用YAG激光器产生激光，经扩束镜和45°全反镜后垂直向大气发射，雷达接收系统接收大气的后散射光信号，再经FP干涉仪进行光谱宽度测量，得到激光光谱的半高全宽，进而得到某一高度处的大气温度。
[0069] 大气辐射理论中，大气气溶胶的光谱宽度是由于大气气溶胶粒子的布朗运动造成的多普勒展宽，而大气分子散射光谱是由于大气分子的热运动造成的多普勒展宽，相比而言，大气分子瑞利散射光谱要比大气气溶胶米散射光谱宽很多。这说明分子散射光谱谱线展宽与温度有关，因此，本发明主要利用大气分子造成的瑞利散射光谱谱线展宽来计算大气温度。
[0070] 进一步的，上述利用FP干涉仪测量激光谱线展宽来获取温度廓线的计算方法如下：
[0071] 多普勒展宽线型函数：
[0072]
[0073] 其半高全宽ΔfD为：
[0074]
[0075] 称为多普勒展宽。式中M为原子(分子)量，f0为激光中心频率，k为玻耳兹曼常数，c为真空中光速，m为分子质量，m＝1.66×10-27M[kg]。对于355nm 的激光，ΔfD＝0.11236(T)1/2GHz。多普勒展宽线型函数也可以改写为以下形式：
[0076]
[0077] 后向散射激光信号通过FP干涉仪时，FP干涉仪本身会对激光展宽。普通 FP干涉仪的透过率函数是自由光谱范围内的周期性函数，理想情况下，其透过率可以用Airy函数来表示：
[0078]
[0079] 其中，A为干涉仪平板间的吸收和散射损失，R为平板反射率，m为干涉级数， mλ＝2nd，n为两平板间折射率，一般n＝1；d为平板间距，d＝1.25cm。且 m＝2ndf/c，取A＝
0，R＝0.75，式(6)改为：
0，R＝0.75，式(6)改为：
[0080]
[0081] FP干涉仪实际上测得的光谱是瑞利散射光谱与仪器自身透过率光谱的卷积，根据FP干涉仪测得的谱线展宽求得半高全宽，最终得到大气温度的值。
[0082] 如图2所示，当发射的激光照射到大气中的分子时，分子会对激光进行散射，分子对激光的散射为瑞利散射，后向散射部分被激光雷达接收系统所接收。理论上，大气分子瑞利散射光谱在一确定频率处应是一条没有宽度的几何线，但实际上，由于大气分子的热运动，会造成大气分子散射光谱的多普勒展宽，温度不同，谱线的多普勒展宽也不同。
[0083] 如图3所示，后向散射光谱到达雷达接收系统，通过FP干涉仪时，FP干涉仪本身对光谱有所展宽，图2为一个周期范围内的FP干涉仪透过率光谱。
[0084] 如图4所示，FP干涉仪呈现的谱线实际上是散射光谱的多普勒展宽谱线与 FP透过率光谱的卷积。卷积后谱线的半高全宽与温度相关，根据FP干涉仪测得半高全宽，最后得到气温。
[0085] 图5是归一化的散射光谱多普勒展宽谱线与FP透过率光谱的卷积。
[0086] 如图6所示，卷积后的谱线半高全宽也是温度的函数，不同气温下的半高全宽不同。利用FP干涉仪测量得到谱线的半高全宽，根据半高全宽与温度的关系就可以得到某一高度处的气温。
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