[发明专利]一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统，属于光学、激光遥感技术领域。

背景技术

瑞利多普勒激光雷达是目前广泛应用于中高层大气风场观测的测量系统。它通过发射激光脉冲、接收大气散射的回波信号来实现风速和风向信息的高精度反演。

风场信息是通过反演大气散射回波信号来获取的。因此，反演算法直接关系到多普勒激光雷达的测量精度。通常的反演算法是通过确定频率响应函数来求得多普勒频移，进而反演出风速和风向信息的。频率响应函数定义为大气后向散射信号经过两个标准具的透过率之比，是多普勒频移和温度的函数。后向散射信号经过标准具的透过率是发射激光脉冲频谱函数和标准具边缘函数以及大气分子后向散射谱的卷积。在风速测量之前，用窄带脉冲光扫描标准具，可以得到标准具的边缘函数。发射激光脉冲的频谱函数也可以通过实验测得。而对于大气后向分子散射谱，通常选择在气溶胶后向散射信号相对于分子后向散射信号很小的情况下把它忽略，即用瑞利散射增宽谱线代替大气后项散射信号的频谱函数，从而可以确定频率响应函数。瑞利散射频谱函数有如下形式：

f_R(v)＝(4ln2/π△v_R²)^1/2exp(-v²4ln2/△v_R²)

其中大气分子频谱的半高宽△v_R＝(32kT_aln2/λ²M)^1/2，k是波尔兹曼常数，T_a是大气温度，M是大气平均分子质量。

观测地的大气温度可以根据大气理论模式的结果得到。这样，频率响应函数就成了与多普勒频移相对应的单值函数，可以用来直接反演风场。

虽然在精度要求不太高的情况下，这种反演方法也能够得到相对精确的风场信息。但是，这种反演算法存在着明显的缺陷。首先，这种反演算法并没有考虑布里渊散射对反演精度的影响。对于直接检测多普勒测风激光雷达，如果假定散射频谱函数为高斯型而忽略布里渊散射的影响，那么其反演带来的风速误差在海平面高度会达到10%，在10Km高度也会达到3%，这么大的误差对于高精度测量是不容许忽略的。图1给出了布里渊散射在不同高度处对散射频谱影响变化的趋势。其中y是用来衡量线型随压力和温度变化的参量。其次，在低空气溶胶含量比较高的区域，如果考虑了布里渊散射的影响，那么频率响应函数与温度的关系将不再是一个显式表达式，由此在利用大气模式的温度反演风场时，也必将引入新的系统误差。

因此，在风速反演之前，有必要进行一个校准实验。一方面，在零风速下，可以根据标准具的透过率曲线反推出瑞利-布里渊散射的频谱函数，通过与纯分子散射相比较，可以准确知道布里渊散射对反演算法的影响；另一方面，在进行上层风场反演时，可以利用地面试验的结果进行校准，从而获得比较高的测量精度。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种瑞利多普勒激光雷达的地面校准系统，通过向地面密闭容器内发射激光信号、接收和处理回波信号来获得精确的瑞利-布里渊散射频谱函数和频率响应函数对温度的依赖关系，为反演算法提供校准，提高了测量精度。

本发明技术解决方案：一种瑞利多普勒激光雷达地面校准系统，其特征在于包括：激光器1、分束器2、扩束器3、第一反射镜4、第二反射镜5、密闭管道6、望远镜7、准直器9、标准具10、会聚透镜11、探测器12和计算机14；激光器1产生的光束经过分束器2分成两束，其中一小部分直接经过第一多模光纤13送到准直器9作为参考信号，从而得到激光器1发出脉冲的频谱函数G_L(v)，并送至计算机14中；而绝大部分则通过扩束器3扩束后再由第一反射镜4和第反射镜5导入密闭管道6，激光在密闭管道6内传播的过程中由管道内的空气分子散射得到后向散射信号，该后向散射信号被望远镜7接收，然后经过第二多模光纤8和准直器9送到标准具10，标准具10作为鉴频器对不同频率的光具有选择透过性，标准具10的透过率函数H(v)为：