[发明专利]一种基于布里渊激光雷达系统的大气温度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大气温度测量领域，具体涉及一种基于布里渊激光雷达系统的大气温度测量方法。

背景技术

大气垂直高度的温度监测一直是气象、环保和空间工程领域的重要研究工作，也是激光雷达应用的重要领域，其中通过频谱信号检测拉曼散射回波信号在低空大气中得到广泛应用。

但是从散射机理上来说，拉曼散射截面要比瑞利布里渊小很多，回波信号十分微弱，这将需要大功率激光发射设备和高灵敏度接收设备，成本比较高，大规模布网开销大。同时拉曼散射回波信号信噪比较低，需要更多的积分时间积累或者多次测量去平均才能获得较好的效果，不利于短时间极端天气的快速监测。

现有的大气温度可以通过Tenti S6气体瑞利布里渊廓线模型进行测量获得。该模型通过温度、压强、热导率、内部比热容、体粘滞系数和剪切粘滞系数等6个参数来描述微观波动而建立，Tenti S6的气体瑞利布里渊廓线模型与真实实验数据之间的误差较小，目前被认为是描述气体瑞利布里渊谱最好的模型。但是，该模型没有解析形式，数学计算过于复杂，而且真实遥感测量中环境参数都是未知的，这会对温度的反演带来很大的不稳定性，导致其测量精度以及应用受到较大约束。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的以上缺陷或不足，提供一种基于布里渊激光雷达系统的大气温度测量方法，其主要利用大气温度与压强和瑞利布里渊线宽之间的联系，从而能够简单直接地测量得到大气温度，满足了真实遥感实时监控大气温度的需要能够及时有效地从频谱线宽信息中得到大气温度。

为实现上述目的，按照本发明一个方面，提出了一种利用布里渊激光雷达系统测量大气温度的方法，所述方法包括：

S1利用Tenti S6气体瑞利布里渊廓线模型计算得到不同温度和压强下的谱线线宽；

S2根据步骤S1中的温度、压强和谱线线宽数据，利用莱温伯格-麦夸特(Levenberg-Marquardt)拟合算法对线宽与大气温度和压强之间的关系进行拟合得到相对应的关系式：

T＝c₀+c₁l+c2p+c₃l²+c₄p²+c₅lp+c₆l³+c₇p³+c₈lp²+c₉l²p

其中，l表示线宽，p表示压强，c_i表示系数，i＝1,2,…,9；

S3对由激光器向空中发射激光并经大气后向散射后形成的激光回波信号进行处理，得到激光回波频谱信号，并对该激光回波频谱信号进行处理，去除其中的米氏散射，从而得到频谱线宽；

S4，计算获得当前条件下的压强，并利用获得的压强和及步骤S3中得到的线宽，通过步骤S2中的关系式即可得到大气温度信息。

作为本发明的进一步改进，所述激光回波频谱信号光谱由瑞利散射谱，米氏散射谱，布里渊散射谱叠加而成，步骤S3中对所述激光回波频谱信号进行处理具体包括：

S301采用高斯函数(Guassian)对激光回波频谱信号中的瑞利布里渊散射谱建模，所建模型为：

式中V_RB(v)表示瑞利布里渊散射谱，V_Rayl(v)表示瑞利散射谱，表示正向布里渊散射谱，表示反向布里渊散射谱，A表示瑞利散射谱的强度。

S302激光回波信号建模，其中采用狄尔克函数对米氏散射建模，得到

式中V表示激光回波信号，I_Mie·δ(v)表示米氏散射谱，f(v)表示FP标准具相对应的器件函数，表示卷积；

S303使用莱温伯格-麦夸特(Levenberg-Marquardt)最小二乘拟合算法和步骤S302中的激光回波信号模型对激光回波信号进行曲线拟合，得到相对应的瑞利布里渊谱线，即可测得频谱线宽。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中得到激光回波频谱信号的具体过程为：

S311激光发射系统向大气发射脉冲激光；

S312激光接收系统接收经大气后向散射后形成的激光回波信号，并将其转换为激光准直回波信号，经过光学滤波器并利用多光束干涉原理得到一组等倾干涉条纹；