[发明专利]一种基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法

说明书

本发明公开了一种基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法，包括以下步骤：通过相干多普勒激光雷达向大气中发射激光脉冲，并接收反射回来的回波信号；对相干多普勒激光雷达的回波信号载噪比进行距离、聚焦函数和系统常数的修正，得到衰减后向散射系数；对衰减后向散射系数进行反演，得到气溶胶的消光系数和后向散射系数。本发明实现对大气气溶胶回波信号强度的绝对标定，以及气溶胶后向散射系数和消光系数的反演。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，涉及一种基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法。

背景技术

通过分析运动目标(大气气溶胶、云、硬目标)回波信号的多普勒频移，相干多普勒激光雷达可以实现其运动速度的探测。目前已被广泛用于航空安全保障、风力发电、大气污染监测预报等领域。

在一些研究或应用场景中，气溶胶浓度的信息受到与大气风速同样的关注。当前气溶胶信息一般直接通过多模探测方式工作的气溶胶激光雷达获取，而现有气溶胶激光雷达需要的脉冲能量、系统功耗和体积都较大，白天容易受到太阳背景辐射噪声干扰。同时，常用工作波长(可见光或近红外)对人眼安全构成威胁。相干激光雷达采用人眼安全的中红外波段，全光纤系统可以保证较高的稳定性和集成度。但本质上是一种单模探测，探测效率容易受到激光光束焦距和湍流等因素的影响，导致反演出气溶胶消光系数和后向散射系数等大气参数比较困难，相干激光雷达回波信号的强度较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法，实现对大气气溶胶回波信号强度的绝对标定，以及气溶胶后向散射系数和消光系数的反演。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法，其特征在于，包括：

接收回波信号；其中，回波信号为相干多普勒激光雷达向大气发射激光脉冲的反射信号；

对回波信号的载噪比分别进行距离、聚焦函数和系统常数的修正，得到衰减后向散射系数；

对衰减后向散射系数进行反演，得到气溶胶的消光系数和后向散射系数。

可选的，回波信号的载噪比表达式为：

其中，CNR(R)为回波信号的载噪比，E_T为相干多普勒激光雷达发射激光的单脉冲能量，R为气溶胶与相干多普勒激光雷达的距离，σ(r)为大气消光系数，包含大气分子消光和气溶胶消光，β(R)为气溶胶后向散射系数，A_r为相干多普勒激光雷达有效接收面积，c为空气中的光速，η_h(R)为聚焦函数，η_o为相干多普勒激光雷达系统效率，hν为光子能量，B_w为相干多普勒激光雷达的带宽。

可选的，衰减后向散射系数的表达式为：

其中，β'(R)为衰减后向散射系数，cons.为与相干多普勒激光雷达系统常数相关的常数因子，η_h(R)为聚焦函数，R为气溶胶与相干多普勒激光雷达的距离，CNR(R)为回波信号的载噪比。

可选的，在无截断高斯光束条件下，聚焦函数的表达式为：

其中，η_h(R)为聚焦函数，ω_T为发射激光脉冲在相干多普勒激光雷达处的e^-2辐照度半径，λ为激光脉冲波长，R_f为发射激光脉冲的等相面曲率半径，ρ₀为与湍流相关的横向相干长度，R为气溶胶与相干多普勒激光雷达的距离。