[发明专利]非相干多普勒激光雷达灵敏度的直接测量方法

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及基于碘分子滤波器的非相干测风激光雷达中对灵敏度的一种精确的直接测量方法——非相干多普勒激光雷达灵敏度的直接测量方法。

背景技术

多普勒激光雷达进行风速测量时，根据多普勒原理，表征风速的大气分子或气溶胶粒子的整体运动，会使后向散射激光的频率发生偏移，即多普勒频移。径向风速为V_LOS时，大气后向散射光产生的多普勒频移为Δν＝–2V_LOS/λ(其中λ为激光波长)。非相干多普勒激光雷达的频率检测器件(如碘分子吸收滤波器)具有陡峭的吸收边缘(图1)，其吸收强度随频率的变化而迅速变化。因此，大气后向散射光通过碘分子吸收器时，随着径向风速V_LOS引起的多普勒频移Δν的不同，后向散射光的透过率发生相应的变化。非相干多普勒激光雷达通过探测后向散射光的透过率，根据透过率与径向风速的关系，反演出径向风速，进而得到水平风速。

非相干多普勒激光雷达的测量值是大气后向散射光通过碘分子吸收器时的透过率，即测量通道与参考通道的比值，定义为风速比R_W。为了从测量值(风速比R_W)反演出径向风速，必须首先得到测量值与径向风速V_LOS的关系，即灵敏度。

灵敏度是指测量仪器对一个单位的被测值的响应率，它是描述一个测量仪器的重要指标，通常用来表示一个测量仪器的测量能力。对于非相干多普勒激光雷达来说，通过测量两个通道的比值，即风速比，来得到径向风速。因此，我们将测风激光雷达的灵敏度S定义为，单位径向风速引起的风速比的变化率：

S=1r0dRWdVLOS=-2λ1r0dRWdv---(1)]]>

其中，r₀是径向风速V_LOS＝0时的风速比，即零风速比值，ν是激光频率，系数k＝–2/λ是单位径向风速(V_LOS＝1m/s)引起的Doppler频移，激光波长λ＝532nm时，k＝–3.76MHz/(m/s)。

原有的风速反演方法通过理论计算得到灵敏度，首先利用标准大气模型中大气温度的垂直分布数据，根据大气分子散射模型(高斯模型)，计算出大气分子的后向散射光谱，再根据计算得到的大气分子散射光谱和碘分子吸收线的光谱，计算得到零风速比值r₀以及不同径向风速V_LOS对应的风速比R_W，从而得到灵敏度S。由于该方法是先通过测量其他相关参数，然后通过理论计算而得到灵敏度的，实际上不是一种直接测量的方法。

另外，根据专利文献200510029675.X瑞利测风激光雷达的标定装置及其标定方法，在假设大气分子散射光谱已知的情况下，也可以得到风速比与径向风速的关系，即灵敏度。该方法仍然属于非直接测量方法中的一种。

总之以上方法都不是直接测量方法，也没有考虑大气温度的偏差和大气分子散射模型本身的误差。比如在大气分子散射为主的情况下，由于标准大气模型的温度与实际温度的偏差，以及大气分子散射模型(高斯模型)本身的误差，引入的径向风速测量误差约为1m/s，由此引入的水平风速的反演误差约为3m/s。

发明内容