[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

摘要

本发明涉及一种使用纯转动拉曼激光雷达测量大气温度的方法，属于测量技术领域。本发明方法首先获取纯转动拉曼激光雷达的原始高低阶回波信号，并得到去除背景的高低阶通道回波信号；然后判断是否出现近地面光子数饱和现象，如果出现，则通过采用选取不同倍增系统的电子鉴别水平μ值，来实现对近地面光子数饱和的修正，这样就能够从光子计数非线性的深层次原因，即脉冲高度分布和电子鉴别水平，来分析出现近地面饱和现象的原因，利用修正后的高低阶通道回波信号进行温度反演过程，提高纯转动拉曼激光雷达测量大气温度廓线的精度。

主权项

一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法，其特征在于：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P₁和原始低阶回波信号P₂；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P₀₁；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P₀₂；步骤3：用原始高阶回波信号P₁减去高阶通道的背景噪声P₀₁，得到去除背景的高阶通道回波信号P₁₀，即P₁₀＝P₁‑P₀₁；用原始低阶回波信号P₂减去低阶通道的背景噪声P₀₂，得到去除背景的低阶通道回波信号P₂₀，即P₂₀＝P₂‑P₀₂；步骤4：判断是否出现近地面光子数饱和现象，如果出现，则进行步骤5的操作；否则，进行步骤6的操作；步骤5：考虑系统几何因子对于系统采集回波信号的影响，对于1.5‑12公里内，去除背景的高阶通道回波信号P₁₀和去除背景的低阶通道回波信号P₂₀进行修正，具体过程为：步骤5.1：得到修正高度范围内高阶通道的最大回波光子数N_max和低阶通道的最大回波光子数N′_max；步骤5.2：通过公式(1)修正预设高度范围内高阶通道的回波信号，得到修正后的去除背景高阶通道回波信号P′₁₀；$P_{10}^{\′}=(1-\mathrm{\μ})P_{10}\exp [-\frac{P_{10}}{N_{\max }}]+(\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{2!})\frac{P_{10}^2}{N_{\max }}\exp [-\frac{P_{10}}{N_{\max }}]---\left(1\right)$其中，μ为电子鉴别水平参数，μ∈[0,1]；exp[·]表示以自然常数e为底的指数函数；步骤5.3：通过公式(2)修正高度范围内低阶通道的回波信号，得到修正后的去除背景低阶通道回波信号P′₂₀；$P_{20}^{\′}=(1-\mathrm{\μ})P_{20}\exp [-\frac{P_{20}}{N_{\max }^{\′}}]+(\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{2!})\frac{P_{20}^2}{N_{\max }^{\′}}\exp [-\frac{P_{20}}{N_{\max }^{\′}}]---\left(2\right)$步骤6：利用小波分析方法对修正后的去除背景高阶通道的回波信号P′₁₀进行滤波操作后，得到去噪后的高阶通道回波信号P″₁₀，利用小波分析方法对修正后的去除背景低阶通道的回波信号P′₂₀进行滤波操作后，得到去噪后的低阶通道回波信号P″₂₀步骤7：选取3至9公里范围内的高度层作为定标高度层，将定标高度层内无线电探空仪测得的温度廓线与定标高度层内的去噪后的高低阶回波信号比值曲线，通过公式(3)在定标高度层内进行二次项式拟合；$A{\left[\ln \left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\right]}^2+B\left[\ln \left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\right]+C=\frac{1}{T_{\mathrm{cli}}}---\left(3\right)$其中，A、B和C为3个定标系数值，可通过公式(3)拟合得到；Tcli为定标高度层内无线电探空仪测得的温度；步骤8：利用步骤7得到的A、B和C定标系数值，通过公式(4)对K公里以下高度内进行温度廓线的反演计算，K∈[9,12]；$T=\frac{1}{A{\left[\ln \left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\right]}^2+B\left[\ln \left(\frac{P_{10}^{\′\′}}{P_{20}^{\′\′}}\right)\right]+C}---\left(4\right)$其中，T为0至K公里范围内的反演温度；经过上述步骤的操作，即可得到纯转动拉曼激光雷达测量温度经过修正后的温度廓线。