[发明专利]分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法及测量校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光大气遥感的技术领域，涉及激光大气遥感、激光雷达、分子散射测风激光雷达、频率反演等技术，具体涉及一种分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法及测量校准方法。分子散射，也称为瑞利散射，即Rayleigh散射。

背景技术

自上世纪80年代早期，直接探测Rayleigh激光雷达就已经广泛用于中高层大气风场探测，中高层大气中气溶胶含量较低，因此气溶胶后向散射信号与大气分子后向散射信号相比可以忽略，直接探测Rayleigh激光雷达就是通过探测大气分子后向散射信号来探测中高层大气风场的，国际上开展直接探测瑞利测风激光雷达研究比较早，1989年法国Chanin研究小组首次报道了直接探测Rayleigh激光雷达对中层大气平均风场的测量，该测风激光雷达系统采用Fabry-Perot标准具的双边缘技术，利用分子后向散射信号反演大气水平风速的一维分量，其工作波长为532nm，测量高度为25-60km，1993年Souprayen等人改进了系统，建立了第二代Rayleigh-Mie多普勒激光雷达，探测范围扩展为8-50km，并于1995年在法国OHP进行常规观测，NASA Goddard航天中心从1995年开始论证和开展测风激光雷达研究，随后Flesia和Korb研究小组研制成功车载直接探测测风激光雷达-GLOW。目的是科学测量地面至平流层的风廓线，同时为NPOESS星载雷达做前期的技术支撑。此系统采用双边缘直接探测技术，包含355nm分子接收通道和1064nm气溶胶接收通道。测量范围1.8-35km。同时期，美国的密歇根宇航公司在NOAA等机构的支持下也进行了直接探测激光雷达的研究，并且建立了系统（GroundWinds）。此系统采用了干涉条纹成像技术，利用圆变线的光学系统（CLIO）充分利用米和瑞利散射信号，采用CCD进行探测。现在有两台地基全天候工作系统GWHI和第二代GWNH分别位于美国的夏威夷和新罕布什尔州，两个系统工作波长分别为355nm和532nm。1994年北极中层大气研究气象台（ALOMAR）在挪威（69°N and 16°E）建立了瑞利散射/米散射/拉曼散射（Rayleigh-Mie-Raman，RMR）激光雷达系统，主要用于探测北极地区的中层大气的风场、温度、气溶胶的浓度分布以及夜光云粒子气象参数。经过几次改造之后，该系统能够测量18-80公里之间的温度和风场。并于2009年1月对中高层大气风场进行了探测，该测风激光雷达系统采用Fabry-Perot标准具的双边缘技术，利用分子后向散射信号反演大气风场，在国内，中国科学技术大学孙东松研究小组率先于2006年开展了直接探测Rayleigh测风激光雷达方面的研究工作。2009年该小组成功研制了车载对流层平流层风场探测激光雷达系统，此系统采用国际上先进的Fabry-Perot双边缘鉴频技术，探测距离在5-40km，距离分辨率为100m，速度精度10km处小于1m/s。

在直接探测Rayleigh测风激光雷达的探测方法的研究中，Korb等人于1992年提出了单边缘探测技术，1998年Chanin等人首次提出了双边缘探测技术，边缘技术是将激光出射频率锁定在鉴频器陡峭边缘上，因而较小的频移将导致较大的信号强度变化，双边缘技术是在边缘技术上的有效改进，是将激光出射频率锁定在两个频谱分布相同而中心分离的鉴频器谱峰值透过率为50%的交叠处,如果接收的散射光信号相对于发射激光频率存在一个频移,这时两个鉴频器的输出光信号不同,根据其差异的大小可以确定多普勒频移量，双边缘技术一方面承袭了单边缘技术的优点，另一方面提高了测量灵敏度并且可以分别反演回波信号中的瑞利和气溶胶成分,从而能够消除气溶胶背景噪声的影响。直接探测Rayleigh测风激光雷达目前主要采用双边缘技术，即采用两个标准具（Fabry–Perot interferometer–FPI）作为鉴频器，是雷达接收系统核心部件，两个标准具输出光信号的比率用于测量大气分子后向散射信号的多普勒频移，称为Rayleigh响应函数，孙东松研究小组将Rayleigh响应函数R定义为：