[发明专利]一种基于相干多普勒激光雷达的雨滴谱获取方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于相干多普勒激光雷达的雨滴谱获取方法及装置。本发明采用迭代解卷积方法获得真实的雨滴反射率光谱，通过使用考虑了窗效应的气溶胶信号模型，通过构造气溶胶信号谱S'_air(v)使得只进行一次去卷积运算便可以求解降雨反射率谱；同时，本发明创造性地将雨滴对激光波段的理论后向散射截面应用在相干多普勒激光雷达获取雨滴谱分布中，提高了雨滴谱计算的准确性和稳健性。本发明在仅使用一台相干多普勒激光雷达的基础上，根据激光雷达功率谱，获取降雨雨滴谱分布。本发明对于大气气象模式和航空安全等具有重要意义。

技术领域

本发明涉及测风激光雷达和大气探测领域，特别涉及一种基于相干多普勒激光雷达的雨滴谱获取方法及装置。

背景技术

雨滴的大小分布是降水的基本微观物理性质。它的垂直剖面有助于揭示降水的形成和演化过程，例如碰撞，聚结，融化，破裂和蒸发。此外，在气象雷达应用中，雨滴大小分布(简称DSD)上的信息可用于校准降雨率(R)估计，该估算是基于通常称为Z-R关系的公式从雷达反射率(Z)得出的。

地面雨滴谱仪只能提供DSD的点测量。使用垂直入射的多普勒雷达通过雨滴终端速度和其尺寸之间的关系可以得到DSD垂直分布。在零垂直风的假设下开发了K波段微雨雷达。使用UHF和VHF雷达风廓线仪可以同时测量由大气折射率不均匀性引起的布拉格散射和由水凝物引起的瑞利散射回波。背景空气的运动信息可以通过反卷积过程消除垂直风速和湍流对导出的DSD廓线的影响。

本发明的发明人研究后发现：UHF，VHF风廓线雷达可以同时探测来自布拉格散射的湍流信号和来自瑞利散射的降雨信号；微波天气雷达只对降雨粒子敏感。多普勒激光雷达对气溶胶粒子敏感，同时在降雨时可以探测来自雨滴的反射信号。借助于风廓线雷达中的方法，利用多普勒激光雷达的多普勒速度谱可以反演降雨的雨滴谱分布信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相干多普勒激光雷达的雨滴谱获取方法及装置。在仅使用一台相干多普勒激光雷达的基础上，根据激光雷达功率谱，获取降雨雨滴谱分布。对于大气气象模式和航空安全等具有重要意义。

本发明是这样实现的：一种基于相干多普勒激光雷达的雨滴谱获取方法，其特征在于：所述方法包括：

获取降雨条件下相干多普勒激光雷达的原始回波数据；

对所述原始回波数据进行快速傅里叶变换，以得到功率谱S(v)；其中，

S(v)＝S′_air(v)+S′_air(v)*S_rain(v)；

式中，S′_air(v)为气溶胶信号谱，v为多普勒速度，S_rain(v)为降雨反射率谱，*表示卷积运算；

计算气溶胶信号谱S′_air(v)，其中，

S′_air(v)＝S_air(v)*W(v)；

式中，S_air(v)为大气湍流谱，W(v)为窗函数的频谱，I_air是强度，v₀是平均风速,σ_air是谱宽，*表示卷积运算；

根据S_rain,i＝0＝S-S′_air计算降雨反射率谱的迭代初始值S_rain,i＝0；其中，S为S(v)的简写；