[发明专利]一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法，属于测量技术领域。

背景技术

当前对大气温度探测的激光雷达方法主要有瑞利散射密度法、差分吸收光谱法、振动拉曼光谱法和纯转动拉曼光谱法等。瑞利散射密度法是基于瑞利散射强度与大气分子密度之间的依存关系来反演大气分子密度，其适用条件是洁净的空气，认为大气透过率函数近似为1，低层大气中较高浓度的气溶胶使得其适用范围为30公里以上的高层大气。差分吸收光谱法是基于氧气的吸收光谱，要求高稳定性的两束激光不同的频率，通过探测氧气吸收光谱内和吸收谱外的信号来反演大气分子溶度，其要求激光器参数较高而忽视了大气中各种散射的影响。振动拉曼光谱法是基于振动拉曼散射强度与温度的依存关系，其信号较弱，信噪比较低，对后续的接收设备有很高的要求。同时低层大气气溶胶分布的剧烈变化会给大气透过率校正带来影响，也导致其不能很好的测量大气温度。转动拉曼光谱法是基于转动拉曼散射强度与温度之间的关系，通过检测散射光中心频率一定偏移处的回波信号来反演大气温度。回波信号为光子量级，使得此种方法适用于低层大气。气溶胶和分子消光项除了影响回波信号的强度外，对测量精度基本没有影响，能够很好的测量低层大气温度。

1972年，Cooney提出了利用转动拉曼激光雷达测量大气温度，其基本原理是基于转动拉曼谱线强度与温度之间的关系来进行大气温度廓线的反演。在对于对流层中的温度进行反演的激光雷达中，转动拉曼激光雷达已经成为可靠性最高的。同时，在测量对流层温度廓线时，其仍然有较高的空间分辨率。现今，测量对流层内大气温度廓线的光源波长主要是532nm和355nm波长，前者主要是由于其高的激光能量和接收效率而被接受，而后者主要是因为转动拉曼后向散射系数与波长的四次方成反比而被大家所推崇，同时紫外波段的光源对于眼睛的伤害更小。

对于大气温度廓线的反演过程主要是有两种方法，即一次项式拟合和二次项式拟合，在拟合的过程中，都会采用一定高度区间的回波数据与无线电探空仪测得的探空温度曲线或者是已经定标的卤素灯来完成定标过程，求解出相应的参数来完成温度廓线的反演过程。在修正技术中，主要是从几何因子和反演温度与探空温度之间差异来实现。对于近地面的强回波信号在经过倍增系统后，考虑到脉冲高度分布和电子鉴别水平的选择这两个因素，会出现光子计数器计数非线性的情况(饱和现象)。德国的RAMSES雷达系统考虑采用的是在高度层进行分层采集的形式来避免饱和现象的产生，对近地面层和高层采用不同的采集系统，同时采用不同的衰减片，这样在保证信号信噪比的同时，能够有效的降低饱和现象的发生率，但该方法的缺陷是对近地面的大气温度测量不准确。另外，美国NASA的GSFC和CNRS两个雷达系统采用的是饱和修正的方式，GSFC系统依靠的是系统的时间分辨率，而CNRS系统依靠的是探测系统的计数速率的最大值，而这两项参数在实际的实验中很难能够准确的得到，因此对近地面大气温度的测量误差较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于纯转动拉曼激光雷达测量温度时近地面光子数饱和的修正方法，本方法能够在近地面出现光子数饱和的情况下，通过修正高阶回波信号廓线和低阶回波信号廓线，提高纯转动拉曼激光雷达测量大气温度廓线的精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法，其操作步骤为：

步骤1：获取纯转动拉曼激光雷达的原始高阶回波信号(用符号P₁表示)和原始低阶回波信号(用符号P₂表示)；

步骤2：将纯转动拉曼激光雷达获得的原始高阶回波信号P₁的后5公里回波信号的平均值作为高阶通道的背景噪声(用符号P₀₁表示)；将纯转动拉曼激光雷达获得的原始低阶回波信号P₂的后5公里回波信号的平均值作为低阶通道的背景噪声(用符号P₀₂表示)；