[发明专利]一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达大气探测技术领域，具体涉及一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法。

背景技术

激光雷达是一种主动式的现代光学遥感设备，具有高时空分辨率和高探测灵敏度等优点，广泛应用于1)大气温度、湿度和气压的探测；2)大气光学参数的探测；3)气溶胶和烟羽的探测；4)大气气体成份浓度和分布的探测；5)大气风和湍流的探测。

拉曼激光雷达是利用激光与大气介质的拉曼散射作用，通过探测介质的拉曼散射光对介质的密度等信息的作用进行探测的光学探测手段。转动拉曼激光雷达大气温度探测技术是根据大气中氮气或氧气分子的转动拉曼散射强度与温度的依存关系来探测大气温度的。由于氮气分子低量子数和高量子数转动拉曼谱线的强度随温度的升高而分别呈现减弱和增强的趋势，转动拉曼激光雷达正是利用这个效应，通过探测这两个谱线区域内大气后向散射信号而实现对大气温度的高精度探测。因此，转动拉曼激光雷达已成为对流层-平流层内大气温度探测的有效技术之一。

目前，国内外利用转动拉曼激光雷达探测技术已发展的较为成熟，但是在对大气温度廓线的反演中多采用传统的大气温度反演算法，即利用高量子数和低量子数转动拉曼回波信号的强度比值函数求解大气温度。由于高与低 量子数转动拉曼通道信噪比(SNR)的差异，影响了大气温度拉曼激光雷达的探测距离，同时，在该传统算法中校正常数A，B和C(或A和B)的不稳定解也将给反演结果带来误差。针对此提出了一种大气温度反演的优化算法，利用该算法可大大提高大气温度的反演高度，其结果具有更高的探测信噪比，且探测误差较为稳定，达到了高精度的反演要求，并与同步探空气球数据具有很好的一致性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，解决了现有传统反演算法中存在的受通道信噪比差异以及校正常数不稳定影响的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，利用高量子数与低量子数转动拉曼散射回波信号的独立交替求解，获得对大气温度的精确反演。具体按照以下步骤：

步骤1、读取转动拉曼高量子数和低量子数通道回波信号原始数据，并进行去噪与平滑处理；

步骤2、计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C₁(z)；

步骤3、计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β₂(J_low,T,z)；

步骤4、求解大气温度廓线T(z)。

本发明的特点还在于：

步骤2计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C₁(z)，具体为：

步骤2.1、利用大气分子的拉曼精细反演方法或者米散射的klett法和Fernald法，求解获得大气气溶胶消光系数廓线α(z)；

步骤2.2、计算高量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数 β₁(J_high,t₀(z),z)：

其中，g为核自转的统计权重，h为普朗克常数，B₀为分子转动常数，为入射光的频率，γ为分子各向异性，k_B为玻尔兹曼常数，I为核自转，T为求解的温度变量，t₀(z)为同步探空数据所得高度z处的已知大气温度，为拉曼频移，E(J_high)为与转动高量子数J_high、振动基态离心扭曲常量D₀以及分子转动常数B₀有关的转动能量；

步骤2.3、求解高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C₁(z)：

其中，z为高度，P₁(J_high,t₀(z),z)为高量子数转动拉曼散射回波信号强度，该伪通道常数项C与温度T无关，包括激光器发射装置参数、望远镜接收装置参数，几何重叠因子以及光电探测器效率和光路的光学效率等。

步骤3计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β₂(J_low,T,z)，具体为：