基于频谱特征信号的多气象参数同步测量方法及激光雷达

摘要

本发明提出了一种基于频谱特征信号的多气象参数同步测量方法及激光雷达，从检测到的激光回波信号频谱提取各种散射频谱特征信息，进而通过检测谱信号中频率的偏移反演大气风场，通过检测瑞利散射频谱能量实现对气体密度的检测，通过检测布里渊散射谱的半高宽或布里渊频移实现对大气温度的检测，通过检测米氏散射谱能量实现气溶胶浓度及光学厚度等特性的检测，这样解决了传统时域激光雷达功能单一的缺陷，达到多参数同步测量，降低运行成本的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光雷达领域，具体涉及一种基于频谱特征信号检测的多气象参数同步测量激光雷达，用于检测低空(0-30km)大气风场、气体密度、大气温度、气溶胶浓度、光学厚度。 

背景技术

大气温度、风速以及气溶胶和气体分子散射的光学特性对天气数值预报、通量传输研究和和动力气象研究都是至关重要的。数十年来，激光技术、信号探测和数据采集及其控制技术的发展使激光雷达在对大气气象参数的探测高度、垂直跨度、空间分辨率、时间上的连续监测、测量精度等方面具有全面的优势，是其它探测手段很难比拟的。 

目前主要是采用多普勒激光雷达测量大气风场，采用米氏散射激光雷达测量气溶胶光学特性，采用瑞利布里渊雷达或基于频域滤波的拉曼雷达测量大气温度。以上激光雷达都是通过测量光散射回波信号能量的方法进行气象参数测量的。由于在时域上不能够区分各种散射回波信号，所以在需要获得多个气象参数时，往往需要多个雷达联合进行测量，这样就使得整体测量成本较为昂贵，此外在低空测量时由于米氏散射能量过大，除气溶胶光学特性外无法测量其它气象参数，使得每个单独体制的激光雷达功能受限。 

发明内容

本发明的目的是提出一种基于频谱特征信号检测的多气象参数同步测量激光雷达，通过获取回波信号频谱的检测手段从而提取各种散射频谱特征信息，进而实现对多参数的同步测量。 

基于频谱特征信号的多气象参数同步测量方法，具体为： 

(1)向空中发射准直脉冲激光，经过大气后向散射后形成激光回波信号； 

(2)激光回波信号经过法布里珀罗标准具后发生等倾干涉形成同心干涉圆环； 

(3)检测同心干涉圆环的光强度，对其作去卷积运算还原得到激光回波信号光谱； 

(4)去除激光回波信号光谱中的米氏散射谱，得到瑞利布里渊散射谱V_RB； 

(5)选用目标函数 对瑞利布里渊散射谱V_RB进行曲线拟合，得到正布里渊散射谱 反布里渊散射谱 和瑞利散射谱V_Rayl(v)，其中$\hat{V}=\left(\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Rayl}}\left(v\right)\\ V_{\mathrm{Brill}}^{+}\left(v\right)\\ V_{\mathrm{Brill}}^{-}\left(v\right)\end{array}\right),$v为频率，$C_0=\left(\begin{array}{c}A\\ B\\ B\end{array}\right),$A为瑞利权重系数，B为布里渊权重系数，T表示转置； 

(6)依据正布里渊散射谱、反布里渊散射谱和瑞利散射谱计算得到中心频率偏移、瑞利散射频谱能量、布里渊散射谱的半高宽以及布里渊频移，并依据米氏散射谱获取米氏散射谱能量； 

(7)依据中心频率偏移、瑞利散射频谱能量、布里渊散射谱的半高宽、布里渊频移和米氏散射谱能量计算出大气风场、气体密度、大 气温度、气溶胶浓度及光学厚度。 

进一步地，所述 V_Rayl(v)为佛克脱Voigt或类佛克脱pseudo-Voigt或高斯函数或洛伦兹函数。 

实现所述多气象参数同步测量方法的激光雷达，包括激光发射系统1、激光接收系统2和信号采集和处理系统3， 

激光发射系统1包括激光器101、倍频器102、分光器103、扩束镜104和光学发射器105，激光器101产生的激光依次通过倍频器102、分光器103、扩束镜104和光学发射器105后向空中发射准直激光脉冲，经过大气后向散射形成激光回波信号； 

激光接收系统2包括望远镜201、扩束镜202和光学滤波器203，望远镜201接收的激光回波信号依次通过扩束镜202和光学滤波器203形成同心干涉圆环，所述光学滤波器为法布里珀罗标准具； 

信号采集和处理系统3包括光电探测器301和控制和处理单元302，光电探测器301将同心干涉圆环从光信号转换为电信号传送给控制和处理单元302，控制和处理单元302对同心干涉圆环进行处理得到气象参数。 

本发明的技术效果体现在： 

本发明与传统基于时域回波信号雷达不同，该激光雷达通过获取回波信号频谱的检测手段从而提取各种散射频谱特征信息，进而实现对多参数的同步测量。具体来说，通过检测谱信号中频率的偏移反演大气风场，通过检测瑞利散射频谱能量实现对气体密度的检测，通过布里渊散射谱的半高宽或布里渊频移实现对大气温度的检测，通过米 氏散射谱能量实现气溶胶浓度及光学厚度等特性的检测，这样解决了传统时域激光雷达功能单一的缺陷，达到多参数同步测量，降低运行成本的目的。本发明的优点在于： 

1、通过获取整个频谱，从而可以同步测量大气风场、气体密度、大气温度、气溶胶浓度、光学厚度，无需多个雷达联合测量，降低了成本。基于频谱特征信号检测方法还具备有高灵敏度、高信噪比和可靠性高的特点。 

2、能够测量低空(0-30km)的大气参数，相较于普通时域激光雷达，无测量低空气象参数的限制，扩大了激光雷达的应用范围。 

3、结构简单。相比普通激光雷达无需多路鉴频单元，发射和接收光学系统器件少。 

附图说明

图1是激光雷达系统结构图； 

图2是激光发射系统结构图； 

图3是激光接收系统结构图； 

图4是信号采集和处理系统结构图； 

图5是发射激光光谱、回波信号光谱及其分解示意图； 

图6是瑞利布里渊散射谱示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行进一步的说明。 

参照附图1，本发明由激光发射系统1、激光接收系统2、信号采集和处理系统3三个子系统组成。激光发射系统1向大气发射波长为532nm的脉冲激光。激光与大气发生各种散射作用(米氏散射、瑞利 散射、布里渊散射)后形成激光回波信号；激光接收系统2接收激光回波信号，经过光学滤波器202后发生等倾干涉，形成同心干涉圆环；信号采集和处理系统3中的光电探测器301完成光电转换并得到同心干涉圆环光强度信息，控制和处理单元302利用这些强度信息还原回波信号的完整光谱，提取其中的中心频率偏移、瑞利散射频谱能量、布里渊散射谱的半高宽或布里渊频移、米氏散射谱能量，从而对应的计算出大气风场、气体密度、大气温度、气溶胶浓度及光学厚度等气象参数。 

参照附图2，激光发射系统1由钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器101、倍频器102、分光器103、扩束镜104、光学发射器105组成。钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器101发射出1.064μm波长的脉冲激光经倍频器102倍频后得到532nm波长的脉冲激光，通过分光器103分离1.064μm波长和532nm波长的脉冲激光，把532nm波长的脉冲激光经扩束镜后得到准直532nm脉冲激光再由光学发射器向空中发射，脉冲激光的发射方向与激光接收系统2中望远镜201的主光轴平行。 

参照附图3，激光接收系统2由望远镜201、扩束镜202、光学滤波器203组成。532nm波长的激光回波信号在望远镜的远场焦点处，经望远镜201接收后，扩束镜202将回波信号转换为激光准直回波信号，最后通过光学滤波器202滤波后输出同心干涉圆环到信号采集和处理系统3。 

上述光学滤波器202采用的是法布里珀罗(Fabry-Pérot(F-P))标准具，可以采用如美国CVI激光公司(CVI laser)固体F-P标准具系 列产品及其达到性能指标的其它公司产品。性能指标要求：自由光谱范围在4GHz到10GHz为最佳，可适当扩展，最小不小于2GHz；中心波长为532nm；反射率大于90％(越大越好)。 

参照附图4，信号采集和处理系统3由光电探测器301、控制和处理单元302组成。光电探测器301将激光接收系统2输出的同心干涉圆环经光电转换，然后送至控制和处理单元302进行处理。控制和处理单元302还对光电探测器301和整个测量过程进行控制。 

上述光电探测器301可采用增强型电耦合器件(ICCD)、光电倍增管序列(PMT)，用于检测同心干涉圆环的光强度。ICCD具体可以选用美国普林斯顿仪器PI(Princeton Instruments)产生的PI-MAX2：512系列或类似的其它公司ICCD产品；PMT管可采用滨淞光子(HAMAMATSU)R6060-02系列PMT管或类似的其它公司产品。 

控制和处理单元301可采用个人计算机(PC)或嵌入式系统实现，其处理过程为分析光电探测器301检测到的同心干涉圆环的光强度，还原激光回波信号的完整光谱。图5中所示回波信号光谱402为所得完整光谱的示意图。回波信号光谱402由正布里渊散射谱403和布里渊散射谱404、米氏散射谱406、瑞利散射谱405叠加而成。 

所述分析光电探测器301检测到的同心干涉圆环的光强度，还原激光回波信号的完整光谱的过程如下： 

①同心干涉圆环光强度为所述光学滤波器202法布里珀罗(Fabry-Pérot(F-P))标准具透过率函数Airy函数与激光回波信号光 谱卷积的结果，其中Airy函数由所选用法布里珀罗(Fabry-Pérot(F-P))标准具具体型号的技术指标可知，然后采用去卷积算法得到激光回波信号光谱402； 

②步骤①中所得到的激光回波信号光谱中，光谱中心能量高、频带窄的部分即为米氏散射谱406，将其从光谱中去除得到瑞利布里渊谱散射501 

③优选佛克脱(Voigt)或者类佛克脱(pseudo-Voigt)函数对瑞利布里渊散射谱501进行建模，所建模型V_RB为： 

$V_{\mathrm{RB}}=C_0^T·\hat{v}$

其中，$\hat{V}=\left(\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Rayl}}\left(v\right)\\ V_{\mathrm{Brill}}^{+}\left(v\right)\\ V_{\mathrm{Brill}}^{-}\left(v\right)\end{array}\right),$V_Rayl(v)为瑞利散射谱405， 和 分别为正布里渊散射谱403和反布里渊散射谱404，三者都为佛克脱(Voigt)或者类佛克脱(pseudo-Voigt)函数形式，$C_0=\left(\begin{array}{c}A\\ B\\ B\end{array}\right),$A为瑞利权重系数，B为布里渊权重系数； 

④使用莱温伯格-麦夸特(Levenberg-Marquardt)最小二乘拟合算法对步骤③中所建模型与去掉米氏散射后的光谱501进行曲线拟合，得到正布里渊散射谱403和反布里渊散射谱404、瑞利散射谱405。 

中心频率偏移即发射激光的光谱401与米氏散射谱406或瑞利散射谱405的中心频率差；瑞利散射频谱能量可由瑞利散射谱405在频域上积分计算得到；布里渊散射谱的半高宽，即正布里渊散射谱403或反布里渊散射谱404高度为最大处高度的一半时谱带的全宽；布里 渊频移即正正布里渊散射谱403或反布里渊散射谱404中心频率与米氏散射谱406或瑞利散射谱405的中心频率差；米氏散射谱能量可由米氏散射谱406在频域上积分计算得到。中心频率偏移、瑞利散射频谱能量、布里渊散射谱的半高宽或布里渊频移、米氏散射谱能量可以对应的计算出大气风场、气体密度、大气温度、气溶胶浓度及光学厚度。 

上述通过所得数据反演出大气风场、气体密度、大气温度、气溶胶浓度、光学厚度的方法是本专业普通技术人员已知的常识。