[发明专利]差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及湍流廓线测量方法领域，具体是一种差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法。

背景技术

目前实时获取整层湍流廓线的一种先进方法是将差分光柱像运动激光雷达与等晕角测量仪配合使用，通过差分光柱像运动激光雷达对几千米高度范围的激光光柱成像、提取光柱的差分抖动信息获取大气相干长度廓线，通过等晕角测量仪测量恒星经过大气后的闪烁效应获取等晕角，结合湍流强度高度分布的三指数模型反演得到折射率结构常数廓线。由于该方法综合了光波经过大气后的光束抖动与光强闪烁效应，因此该方法能够实时获取整层的湍流强度分布廓线。但是其不足或需要改进之处也较为明显：首先，现有的差分光柱雷达需要对较大高度范围的激光光柱成像，必须采用旁轴结构设计，因此雷达的发射和接收系统间距较大、仪器过于庞大。其次，现有的差分光柱像运动雷达仅提取了激光光柱经过大气后湍流效应的光束抖动信息，光束抖动对低空湍流敏感对高空湍流不敏感，直接利用抖动数据反演湍流廓线的误差较大；为提高测量精度，系统中对高空湍流敏感的光强闪烁效应是通过等晕角测量仪观测恒星得到的，因此该测量方法需要两套设备配合，设计复杂、使用不便捷。最后，如果天空有薄云等晕角测量仪不能工作时该系统不能有效的给出有限距离的湍流廓线，不能开展有云天气湍流强度廓线变化规律的研究工作，限制了雷达系统的应用。

发明内容

本发明目的是针对已有技术在使用和在有限高度湍流廓线测量方面的不足，提供一种差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

差分光柱像运动与闪烁激光雷达实时测量湍流廓线的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)布置同轴方式安装的激光发射系统和望远镜接收系统，以及用于接收望远镜接收系统输出光信号的探测器，激光发射系统发射的激光沿望远镜的光轴入射至大气中形成指定高度的激光光柱信标，望远镜上端具有一对入光口，望远镜下端具有出光口，望远镜的入光口中分别设有光阑，光阑上分别设有楔镜，激光光柱信标的回波信号经望远镜入光口的楔镜、光阑后进入望远镜，最后从望远镜出光口入射至探测器上，由于两楔镜的偏折作用，回波信号最终在探测器上成像为两个具有一定间距的双像；

(2)、进行差分光束抖动的基本数据处理：

首先根据光斑形态特征计算双像的成像位置，成像位置用光斑的质心来描述；获取双像的成像位置后，根据湍流随机理论计算双像质心的结构函数，完成了双像成像位置的差分运算，以消除激光上行传播湍流引起的光束抖动、发射和接收系统之间机械振动引起的双像抖动和激光器光束固有抖动对测量的干扰；根据湍流基本理论，光束抖动用到达角起伏方差描述时，直接测量量即到达角的结构函数与湍流强度的理论关系式如下所示：

其中D_α(d)表示有一定中心间距d的子孔径所探测到的到达角结构函数，该量是直接测量量；

为大气相干长度；其他参数：L为信标高度、k＝2π/λ为波数、d表示两子孔径即光阑的中心间距、D表示两子孔径的直径即光阑的直径、γ＝1-z/L是波形因子；

(3)、进行差分光强闪烁的基本数据处理：

在完成双像成像位置计算后，首先根据光斑成像区域大小获取每个子光斑的闪烁统计区域，然后分别计算两个光斑的成像区域信号强度和邻域的背景信号强度；得到信号强度和背景强度后，根据成像信号与背景信号是统计独立的规律扣除背景对统计闪烁的影响；最后计算信号强度的结构函数并按照均值进行归一化；计算双像的成像信号强度的结构函数和归一化过程完成了对光强闪烁的差分操作，并消除了激光回波信号随高度变化对数据处理的干扰；根据湍流基本理论，光强闪烁的归一化结构函数与湍流强度的理论关系式如下式所示，

其中为光强闪烁的归一化结构函数是直接可测量量，<S>表示成像信号的平均强度，为湍流强度廓线是最终获取量；其他参数，W'(z,L)为湍流强度的积分权重、J₀、J₁分别为0阶和1阶贝塞尔函数、a为信标直径；

(4)、进行依据湍流模式实时获取湍流廓线的基本数据处理：

首先采用湍流高度分布的指数模型描述湍流强度的高度分布，如下式所示：