[发明专利]一种激光雷达的校准系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及拉曼雷达校准米散射激光雷达的系统和方法。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮于大气中的固体和液体颗粒，气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球长波辐射影响天气和气候的变化。由于自然因素和人为因素,气溶胶属性在时间和空间上都有很大的变动性,基于全球气象变化以及环境保护方面研究的需要,对气溶胶的观测包括对气溶胶垂直分布的研究需要不断加强。

激光雷达通过向大气发射激光束，利用大气中的气溶胶为媒介，进行大气遥感探测。由于激光波长较短以及脉冲宽度很窄，因而可以实现大气层内高精度高时空分辨率探测。

激光在大气介质中传输时，会产生分子和小尺度大气气溶胶粒子的瑞利(Rayleigh)散射、大尺度大气气溶胶粒子的米(Mie)散射、非球形粒子的退偏振(Depolarization)散射、散射频率发生变化的喇曼(Raman)散射以及散射强度比分子瑞利散射大好几个数量级的共振荧光(Resonance Fluorescence)散射等多种散射过程。

米散射是散射波长与入射波长相同的一种弹性散射过程与其他散射放式相比，米散射具有较大的散射截面，使米散射雷达回波信号通常较大，因而成为探测大气气溶胶分布的有效工具。

拉曼散射是大气分子对激光的非弹性散射，在散射过程中，大气分子和激光光子进行能量交换，使散射波长发生改变。拉曼散射与分子本身的振动，转动密切相关，不同大气分子对应着不同的拉曼散射频移，因此可以利用反射光波长区分不同的大气分子。大气中含量最多的分子为氮分子，其含量在大气中相对稳定，可以利用氮气分子的拉曼散射信号作为基准反演大气中其它分子或气溶胶的空间分布。

当一个激光脉冲发射到大气中时，在传播路径上激光脉冲被大气气溶胶粒子和云粒子散射和消光，不同高度(距离)的后向散射光的大小与此高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的散射特性有关，其后向散射光强度由激光雷达探测，通过求解激光雷达方程就可以反演相对应高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的消光系数。

米散射激光雷达的回波方程为

P(z)为接受距离z处的大气后向散射回波信号，P₀为发射光功率，C为系统常数，α(z)和β(z)分别为大气消光系数和后向散射系数。

Fernald方法是气溶胶消光系数反演算法中最成熟，最具代表性的一种，它的正确性已经被大量的探测和广泛的应用所证实。Fernald方法将空气分子和大气气溶胶粒子的消光加以区别。激光雷达方程改写为

β_a(z)和β_m(z)为距离z处的大气气溶胶粒子和空气分子后向散射系数，α_m(z)和α_a(z)为距离z处的大气气溶胶和空气分子的消光系数。空气分子的后向散射系数和消光系数利用美国标准大气模型并通过瑞利散射理论可以得到精确值：

s_a＝σ_a(r)/β_a(r)是大气气溶胶消光后向散射比，Fernald法假设其为常数，若已知某参考高度r_m的气溶胶后向散射系数，则参考高度以下的气溶胶后向散射系数可通过激光雷达方程得出

大气气溶胶消光后向散射比依赖于入射的激光波长，气溶胶粒子的尺度分布和化学组成，假定其为常数则意味着假定大气气溶胶粒子的尺度和化学组成不随高度变化，因此这影响了米散射激光雷达的测量准确性。拉曼激光雷达方程为：

λ_L为激光出射波长，λ_x为经气体分子X拉曼散射后的波长，P(λ_X，r)为Raman散射后向回波信号，P₀(λ_L)为激光发射功率，C为与探测距离无关的系统常数，ε(r)为几何重叠因子，σ_x为气体X的后向散射截面，n_x(r)为气体X的分子数密度，α_mol(λ_L，r)和α_mol(λ_x，r)为大气分子对波长λ_L和λ_x的消光系数，α_aer(λ_L，r)和α_aer(λ_x，r)为气溶胶对波长λ_L和λ_x的消光系数。