[發明專利]差分光柱像運動與閃爍激光雷達實時測量湍流廓線的方法

在審

• 申請號: 201710277386.4
• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN107121712A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 靖旭;王英儉;何楓;譚逢富;秦來安;張巳龍;張守川;侯再紅;吳毅
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01W1/08
• 分類號: G01W1/08;G01S17/95
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及湍流廓線測量方法領域，具體是一種差分光柱像運動與閃爍激光雷達實時測量湍流廓線的方法。

背景技術

目前實時獲取整層湍流廓線的一種先進方法是將差分光柱像運動激光雷達與等暈角測量儀配合使用，通過差分光柱像運動激光雷達對幾千米高度范圍的激光光柱成像、提取光柱的差分抖動信息獲取大氣相干長度廓線，通過等暈角測量儀測量恒星經過大氣后的閃爍效應獲取等暈角，結合湍流強度高度分布的三指數模型反演得到折射率結構常數廓線。由于該方法綜合了光波經過大氣后的光束抖動與光強閃爍效應，因此該方法能夠實時獲取整層的湍流強度分布廓線。但是其不足或需要改進之處也較為明顯：首先，現有的差分光柱雷達需要對較大高度范圍的激光光柱成像，必須采用旁軸結構設計，因此雷達的發射和接收系統間距較大、儀器過于龐大。其次，現有的差分光柱像運動雷達僅提取了激光光柱經過大氣后湍流效應的光束抖動信息，光束抖動對低空湍流敏感對高空湍流不敏感，直接利用抖動數據反演湍流廓線的誤差較大；為提高測量精度，系統中對高空湍流敏感的光強閃爍效應是通過等暈角測量儀觀測恒星得到的，因此該測量方法需要兩套設備配合，設計復雜、使用不便捷。最后，如果天空有薄云等暈角測量儀不能工作時該系統不能有效的給出有限距離的湍流廓線，不能開展有云天氣湍流強度廓線變化規律的研究工作，限制了雷達系統的應用。

發明內容

本發明目的是針對已有技術在使用和在有限高度湍流廓線測量方面的不足，提供一種差分光柱像運動與閃爍激光雷達實時測量湍流廓線的方法。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

差分光柱像運動與閃爍激光雷達實時測量湍流廓線的方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)布置同軸方式安裝的激光發射系統和望遠鏡接收系統，以及用于接收望遠鏡接收系統輸出光信號的探測器，激光發射系統發射的激光沿望遠鏡的光軸入射至大氣中形成指定高度的激光光柱信標，望遠鏡上端具有一對入光口，望遠鏡下端具有出光口，望遠鏡的入光口中分別設有光闌，光闌上分別設有楔鏡，激光光柱信標的回波信號經望遠鏡入光口的楔鏡、光闌后進入望遠鏡，最后從望遠鏡出光口入射至探測器上，由于兩楔鏡的偏折作用，回波信號最終在探測器上成像為兩個具有一定間距的雙像；

(2)、進行差分光束抖動的基本數據處理：

首先根據光斑形態特征計算雙像的成像位置，成像位置用光斑的質心來描述；獲取雙像的成像位置后，根據湍流隨機理論計算雙像質心的結構函數，完成了雙像成像位置的差分運算，以消除激光上行傳播湍流引起的光束抖動、發射和接收系統之間機械振動引起的雙像抖動和激光器光束固有抖動對測量的干擾；根據湍流基本理論，光束抖動用到達角起伏方差描述時，直接測量量即到達角的結構函數與湍流強度的理論關系式如下所示：

其中D_α(d)表示有一定中心間距d的子孔徑所探測到的到達角結構函數，該量是直接測量量；

為大氣相干長度；其他參數：L為信標高度、k＝2π/λ為波數、d表示兩子孔徑即光闌的中心間距、D表示兩子孔徑的直徑即光闌的直徑、γ＝1-z/L是波形因子；

(3)、進行差分光強閃爍的基本數據處理：

在完成雙像成像位置計算后，首先根據光斑成像區域大小獲取每個子光斑的閃爍統計區域，然后分別計算兩個光斑的成像區域信號強度和鄰域的背景信號強度；得到信號強度和背景強度后，根據成像信號與背景信號是統計獨立的規律扣除背景對統計閃爍的影響；最后計算信號強度的結構函數并按照均值進行歸一化；計算雙像的成像信號強度的結構函數和歸一化過程完成了對光強閃爍的差分操作，并消除了激光回波信號隨高度變化對數據處理的干擾；根據湍流基本理論，光強閃爍的歸一化結構函數與湍流強度的理論關系式如下式所示，

其中為光強閃爍的歸一化結構函數是直接可測量量，<S>表示成像信號的平均強度，為湍流強度廓線是最終獲取量；其他參數，W'(z,L)為湍流強度的積分權重、J₀、J₁分別為0階和1階貝塞爾函數、a為信標直徑；

(4)、進行依據湍流模式實時獲取湍流廓線的基本數據處理：

首先采用湍流高度分布的指數模型描述湍流強度的高度分布，如下式所示：