[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

摘要

本发明公开了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，根据光强闪烁对信标端大气湍流强度敏感、光束抖动对接收端湍流敏感的物理规律，采用同时统计激光信标经过大气后的光强闪烁与光束抖动信息的方法，利用差分运算得到一对分别对信标端湍流和接收端湍流敏感的参数，可扣除激光上行、仪器抖动或激光固有闪烁对测量影响，以及降低湍流随机性对测量的干扰。在此基础上，采用湍流强度的双指数模型来描述有限高度的湍流强度高度分布，根据模型中各指数项的物理含义采用一项指数项的系数用经验统计值、实时反演另一项指数项系数的方法，利用实时测量的差分抖动与差分闪烁反演指数项系数的方法能够实时得到湍流强度高度分布数据。

主权项

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：Dα(d)=2λ2r0-5/3[0.179D-1/3-0.0968d-1/3]]]>其中Dα(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；r0=[0.423k2∫0LCn2(z)(1-γ)5/3dz]-3/5]]>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，DS(d)<S>2=∫0LdzCn2(z)W′(z,L)]]>W′(z,L)=32π2k2∫0∞κdκΦ(κ,z)[1-J0(κγd)]]]>sin2[κ2(1-γ)z2k][2J1[κ(1-γ)a][κ(1-γ)a]]2[2J1(κγD/2)κγD/2]2]]>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：Cn2(z)=Ae-z/H1+Be-z/H2]]>其中为折射率结构常数廓线即湍流强度廓线，两项指数项分别表示近地面、对流层大气和其他层的大气本底对湍流强度的贡献，系数A、B表示了各层对湍流强度的最大贡献，系数H1、H2分别表示了近地面、对流层大气和大气本底对湍流强度的贡献量随高度增加的衰减快慢；由于湍流强度主要受近地面、对流层大气的影响，大气本底对湍流强度的贡献非常小，为此各系数获取方法为：对于系数B、H2，如果仪器使用区域有历史上利用探空数据或其他方式建立的本地湍流强度统计模型，利用本地模式数据确定该两系数；如果没有，两系数采用广泛应用的HV湍流模型中的系数代替；对于系数A、H1，由于近地面、对流层湍流强度在一天中的日变化较大，需要根据实测的光强闪烁和光束抖动的结构函数通过数值计算得到。