[發明專利]一種測量大氣風場和溫度的鈉熒光多普勒激光雷達及方法

有效

• 申請號: 201610676685.0
• 申請日: 2016-08-16
• 公開（公告）號: CN106093964B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 閆召愛;胡雄;郭文杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家空間科學中心
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司11472
• 代理人: 王宇楊,王蔚

1.一種測量大氣風場和溫度的鈉熒光多普勒激光雷達，其特征在于，包括：激光發射器(8)、大氣散射信號接收器(9)、鈉熒光散射信號測量器(10)、大氣瑞利散射信號測量器(12)、信號采集器(11)；

所述的激光發射器(8)用于向大氣發射不同頻率的589nm激光，所述的大氣散射信號接收器(9)接收由大氣中間層頂區域產生的鈉熒光散射信號，以及由對流層、平流層產生的大氣瑞利散射信號，并將其輸出端分兩路分別連接鈉熒光散射信號測量器(10)和大氣瑞利散射信號測量器(12)，所述的鈉熒光散射信號測量器(10)接收不同頻率的鈉熒光散射信號，并通過分析獲得中間層頂區域的溫度值和風速值；所述的大氣瑞利散射信號測量器(12)接收不同頻率的大氣瑞利散射信號，并測量各頻率的大氣瑞利散射信號透過該大氣瑞利散射信號測量器(12)中設有的碘分子吸收光譜儀(16)的光強后，計算獲得對流層、平流層的溫度值和風速值，所述的信號采集器(11)用于采集并判讀鈉熒光散射信號測量器(10)和大氣瑞利散射信號測量器(12)輸出的電信號，提取光強數據。

2.根據權利要求1所述的測量大氣風場和溫度的鈉熒光多普勒激光雷達，其特征在于，所述的大氣瑞利散射信號測量器(12)包括：準直鏡(14)、背景光抑制器(15)、碘分子吸收光譜儀(16)、耦合鏡(17)和光電探測器(18)；所述的準直鏡(14)通過光纖(13)與大氣散射信號接收器(9)的輸出端連接，并依次連接背景光抑制器(15)、碘分子吸收光譜儀(16)、耦合鏡(17)和光電探測器(18)；所述的大氣瑞利散射信號依次經準直鏡(14)準直操作、背景光抑制器(15)濾除天空背景光及透過碘分子吸收光譜儀(16)后，由耦合鏡(17)將大氣瑞利散射信號匯聚到光電探測器(18)，并通過該光電探測器(18)測量透過碘分子吸收光譜儀(16)后的信號光強。

3.根據權利要求1所述的測量大氣風場和溫度的鈉熒光多普勒激光雷達，其特征在于，所述的大氣散射信號接收器(9)包括兩個信號接收通道，所述的兩個信號接收通道以兩個不同的方向接收鈉熒光散射信號和大氣瑞利散射信號，且每一個信號接收通道的輸出端均分兩路連接鈉熒光散射信號測量器(10)和大氣瑞利散射信號測量器(12)，使得鈉熒光散射信號測量器(10)以兩路接收來自兩個不同方向上的鈉熒光散射信號，用于測量大氣中間層頂區域的溫度值和水平風場，使得大氣瑞利散射信號測量器(12)以兩路接收來自兩個不同方向上的大氣瑞利散射信號，用于測量對流層、平流層的溫度值和水平風場。

4.一種測量大氣風場和溫度的方法，其特征在于，包括：

步驟1)利用激光發射器(8)依次向大氣發射三個不同頻率的589nm激光；

所述激光發射器(8)向大氣發射三個589nm激光的頻率分別位于鈉原子D_2a飽和熒光光譜處f₀、f₀+630MHz和f₀-630MHz；

步驟2)通過大氣散射信號接收器(9)依次接收由大氣中間層頂區域產生的三個不同頻率的鈉熒光散射信號后，執行步驟3)，通過大氣散射信號接收器(9)依次接收由對流層、平流層產生的三個不同頻率的大氣瑞利散射信號后，執行步驟4)；

步驟3)利用鈉熒光散射信號測量器(10)測量得到的三個不同頻率的鈉熒光散射信號所對應的光強N_0H(V,T)、N_MH(V,T)和N_PH(V,T)，定義激光雷達風速測量比和激光雷達溫度測量比分別為：

RWH=NMH(V,T)-NPH(V,T)N0H(V,T)]]>

RTH=NMH(V,T)+NPH(V,T)N0H(V,T)]]>

則有測量得到的大氣中間層頂區域的風速值和溫度值分別為：

V=RWHSWH=NMH(V,T)-NPH(V,T)N0H(V,T)SWH]]>

T=RTHSTH=NMH(V,T)+NPH(V,T)N0H(V,T)STH]]>

其中，S_WH和S_TH分別表示風速測量靈敏度和溫度測量靈敏度；

所述的風速測量靈敏度為風速變化1m/s所引起的風速測量比的變化量，其表示為：

SWH=∂RWH∂V]]>

所述的溫度測量靈敏度為溫度變化1K引起的溫度測量比的變化量，其表示為：

STH=∂RTH∂T;]]>

步驟4)利用光電探測器(18)測量得到透過碘分子吸收光譜儀(16)的三個不同頻率的大氣瑞利散射信號所對應的光強N_0L(V,T)、N_ML(V,T)和N_PL(V,T)，定義激光雷達風速測量比和激光雷達溫度測量比分別為：

RWL=N0L(V,T)+NPL(V,T)NML(V,T)]]>

RTL=N0L(V,T)+NML(V,T)NPL(V,T)]]>

則有測量得到的大氣對流層、平流層的風速值和溫度值分別為：

V=RWLSWL=N0L(V,T)+NPL(V,T)NML(V,T)SWL]]>

T=RTLSTL=N0L(V,T)+NML(V,T)NPL(V,T)STL]]>

其中，S_WL和S_TL分別表示風速測量靈敏度和溫度測量靈敏度；

所述的風速測量靈敏度為風速變化1m/s所引起的風速測量比的變化量，其表示為：

SWL=∂RWL∂V]]>

所述的溫度測量靈敏度為溫度變化1K引起的溫度測量比的變化量，其表示為：

STL=∂RTL∂T.]]>