[發明專利]分子散射測風激光雷達中激光頻譜反演方法及測量校準方法

有效

• 申請號: 201310655715.6
• 申請日: 2013-12-08
• 公開（公告）號: CN103630908A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 韓燕;竇賢康;孫東松;夏海云;舒志峰;薛向輝;陳廷娣
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/497
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;孟卜娟

技術領域

本發明涉及激光大氣遙感的技術領域，涉及激光大氣遙感、激光雷達、分子散射測風激光雷達、頻率反演等技術，具體涉及一種分子散射測風激光雷達中激光頻譜反演方法及測量校準方法。分子散射，也稱為瑞利散射，即Rayleigh散射。

背景技術

自上世紀80年代早期，直接探測Rayleigh激光雷達就已經廣泛用于中高層大氣風場探測，中高層大氣中氣溶膠含量較低，因此氣溶膠后向散射信號與大氣分子后向散射信號相比可以忽略，直接探測Rayleigh激光雷達就是通過探測大氣分子后向散射信號來探測中高層大氣風場的，國際上開展直接探測瑞利測風激光雷達研究比較早，1989年法國Chanin研究小組首次報道了直接探測Rayleigh激光雷達對中層大氣平均風場的測量，該測風激光雷達系統采用Fabry-Perot標準具的雙邊緣技術，利用分子后向散射信號反演大氣水平風速的一維分量，其工作波長為532nm，測量高度為25-60km，1993年Souprayen等人改進了系統，建立了第二代Rayleigh-Mie多普勒激光雷達，探測范圍擴展為8-50km，并于1995年在法國OHP進行常規觀測，NASA?Goddard航天中心從1995年開始論證和開展測風激光雷達研究，隨后Flesia和Korb研究小組研制成功車載直接探測測風激光雷達-GLOW。目的是科學測量地面至平流層的風廓線，同時為NPOESS星載雷達做前期的技術支撐。此系統采用雙邊緣直接探測技術，包含355nm分子接收通道和1064nm氣溶膠接收通道。測量范圍1.8-35km。同時期，美國的密歇根宇航公司在NOAA等機構的支持下也進行了直接探測激光雷達的研究，并且建立了系統（GroundWinds）。此系統采用了干涉條紋成像技術，利用圓變線的光學系統（CLIO）充分利用米和瑞利散射信號，采用CCD進行探測。現在有兩臺地基全天候工作系統GWHI和第二代GWNH分別位于美國的夏威夷和新罕布什爾州，兩個系統工作波長分別為355nm和532nm。1994年北極中層大氣研究氣象臺（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）激光雷達系統，主要用于探測北極地區的中層大氣的風場、溫度、氣溶膠的濃度分布以及夜光云粒子氣象參數。經過幾次改造之后，該系統能夠測量18-80公里之間的溫度和風場。并于2009年1月對中高層大氣風場進行了探測，該測風激光雷達系統采用Fabry-Perot標準具的雙邊緣技術，利用分子后向散射信號反演大氣風場，在國內，中國科學技術大學孫東松研究小組率先于2006年開展了直接探測Rayleigh測風激光雷達方面的研究工作。2009年該小組成功研制了車載對流層平流層風場探測激光雷達系統，此系統采用國際上先進的Fabry-Perot雙邊緣鑒頻技術，探測距離在5-40km，距離分辨率為100m，速度精度10km處小于1m/s。

在直接探測Rayleigh測風激光雷達的探測方法的研究中，Korb等人于1992年提出了單邊緣探測技術，1998年Chanin等人首次提出了雙邊緣探測技術，邊緣技術是將激光出射頻率鎖定在鑒頻器陡峭邊緣上，因而較小的頻移將導致較大的信號強度變化，雙邊緣技術是在邊緣技術上的有效改進，是將激光出射頻率鎖定在兩個頻譜分布相同而中心分離的鑒頻器譜峰值透過率為50%的交疊處,如果接收的散射光信號相對于發射激光頻率存在一個頻移,這時兩個鑒頻器的輸出光信號不同,根據其差異的大小可以確定多普勒頻移量，雙邊緣技術一方面承襲了單邊緣技術的優點，另一方面提高了測量靈敏度并且可以分別反演回波信號中的瑞利和氣溶膠成分,從而能夠消除氣溶膠背景噪聲的影響。直接探測Rayleigh測風激光雷達目前主要采用雙邊緣技術，即采用兩個標準具（Fabry–Perot?interferometer–FPI）作為鑒頻器，是雷達接收系統核心部件，兩個標準具輸出光信號的比率用于測量大氣分子后向散射信號的多普勒頻移，稱為Rayleigh響應函數，孫東松研究小組將Rayleigh響應函數R定義為：