[发明专利]大气折射率剖面的反演方法

说明书

大气折射率剖面的反演方法：对大气层分层；发射信标激光，将探空设备垂直升至各大气分层的探测高度，测量探空设备中的反射镜截获信标激光并使信标激光返回至激光接收器且接收到的光强最大时反射镜偏转的角度；计算反射镜在每一层大气分层的地心角及信标激光在每一层大气分层的入射角；计算每一层大气分层的全折射角及大气折射率随高度变化的梯度；以高度为X轴，以大气折射率为Y轴，每段以各层大气分层的大气折射率为起点、各层大气折射率随高度变化的梯度为斜率画图，得到大气折射率剖面。本发明可实时实地地反演出大气折射率剖面，为激光应用于以精准相位信息为基础的卫星高精密定轨、空间高精密测量等众多工程领域将提供技术支持和理论支撑。

技术领域

本发明属于激光大气应用技术领域，特别涉及一种基于激光探测技术、精密仪器控制技术、电波折射理论协同、实时实地反演大气折射率剖面的方法。

背景技术

以“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的光”著称的激光，具有单色性好、相干性强和方向性好等优良特性，广泛地应用于通信、雷达、测距、遥感等领域。以激光为载波凭借精准相位信息为基础的星地链路激光测距技术可满足毫米级测距精度需求，例如航空飞行器精密定轨以及航空器对接的需求。

星地链路激光测距的精度深受对流层大气折射和对流层大气湍流的影响。湍流介质中大气折射率存在随机不均匀性，激光光束在大气湍流中传输时，不同光程的光线随机干涉，会引起激光光束相位在空间和时间上的随机变化，导致星地链路激光测距产生误差，大气湍流相位起伏引起的测距误差为微米量级。而电磁参数特性的不均匀性所形成的大气分层结构，使激光以弯曲路径而非直线路径传播，从而产生大气折射效应。弯曲路径的相位滞后与直线路径的相位滞后，两者的相位差即为大气折射所引起的附加相移，大气折射附加相移引起的测距误差为米量级。由此可见，大气折射是影响星地激光测距误差的最主要原因。为了满足测距领域毫米级测距精度的要求，有必要针对大气折射效应进行误差补偿。

大气折射引起测距误差的本质是大气折射率的不均匀分布引起的传播路径的弯曲，从而在接收端得到的相位滞后值和直线传输路径的相位滞后值存在一定的相位差，因此补偿大气折射引起的测距误差需已知实际传输路径，星地激光实际传输路径根据传输环境的不同可以分为两段，以上行链路为例，低层大气不均匀时因折射效应激光传输路径发生弯曲，当到达一定高度时大气折射率近似为1，传输环境近似为真空，激光以一定的出射角斜程直线传输。对于具体的测量区域、一定时间内分层大气中折射效应带来的相位差引起的测距误差为定值，只需在接收端进行数字信号处理即可得到实际的星地之间的距离。因此，有效的补偿星地激光链路测距误差的充要条件为：

(1)大气折射率剖面：在低层不均匀大气中折射效应引起激光传输路径的弯曲，折射效应和大气折射率剖面有直接的关系，因此要得到激光在低层大气的弯曲传输路径需已知大气折射率剖面，若已知大气折射率剖面模型，即可根据射线追迹法求得低层大气的弯曲传输路径；同时，已知测量环境一定时间内的大气折射率剖面，则大气折射率经验模型非完全拟合真实测量大气环境引起的误差可以直接补偿；

(2)大气折射率近似为1的高度：确定大气折射率为1的高度，并结合大气折射率剖面模型即可得到在真空部分的出射角，激光在真空中以直线传输。在接收端，接收到的相位滞后为实际传输路径的相位滞后，已知大气折射率剖面和大气折射率为1的高度即可得到第一段路径的相位滞后，第二段的相位滞后为总的相位滞后减去第一段路径的相位滞后，根据第二段的相位滞后和出射角即可得到第二段的传输距离，从而得出真实的传输路径，得到星地激光直接的距离，从而得出真实传输路径和星地之间距离在接收端引起的相位差，通过数字信号处理补偿即可。

由此可见，如何实时实地获取大气折射率剖面以及确定大气折射率为1的高度将成为补偿的关键问题。目前，有关大气折射率剖面的模型有一般经验公式、Barrell&Sears公式、新的Edlen公式、Owens测量公式、Downs&Birch修正公式和IAG大气折射率公式。不同学者给出的大气折射率的时空分布只能代表特定时间和空间范围内获得数据的统计结果，不能实时实地的反应大气折射率的真实剖面情况。