一種基于fp標(biāo)準(zhǔn)具的高光譜分辨大氣瑞利測(cè)溫方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于FP標(biāo)準(zhǔn)具的高光譜分辨大氣瑞利測(cè)溫方法。該方法先用FP標(biāo)準(zhǔn)具掃描355nm連續(xù)激光來(lái)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)具，再用標(biāo)定了的FP標(biāo)準(zhǔn)具掃描垂直指向望遠(yuǎn)鏡接收回的大氣后向散射信號(hào)。為了消除米散射的影響，借助同一地點(diǎn)測(cè)量的后向散射比對(duì)透過(guò)率數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。反演時(shí)，對(duì)修正后得到的瑞利后向散射透過(guò)率數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性最小二乘法擬合，根據(jù)擬合得到的溫度項(xiàng)反演大氣溫度。該方法主要用于平流層溫度探測(cè)。在平流層高度，瑞利散射較拉曼散射強(qiáng)，測(cè)量信噪比高；本發(fā)明利用垂直指向的望遠(yuǎn)鏡，垂直方向上風(fēng)速可忽略不計(jì)，風(fēng)速引起的頻率變化因此也可忽略不計(jì)；本發(fā)明利用后向散射比修正透過(guò)率，消除了米散射對(duì)測(cè)量的影響。
【專利說(shuō)明】一種基于FP標(biāo)準(zhǔn)具的高光譜分辨大氣瑞利測(cè)溫方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光雷達(dá)測(cè)溫【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于FP標(biāo)準(zhǔn)具的高光譜分辨大氣瑞利測(cè)溫方法。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度是大氣的關(guān)鍵參數(shù)。溫度數(shù)據(jù)在研究大氣動(dòng)態(tài)變化、氣候氣象等方面扮演著重要角色。此外，大氣溫度數(shù)據(jù)還是許多遙感技術(shù)的必要輸入?yún)?shù)，例如利用拉曼雷達(dá)測(cè)量氣溶膠后向散射系數(shù)和消光系數(shù)；利用差分吸收雷達(dá)測(cè)量追蹤氣體的密度等?，F(xiàn)今，主要有如下三種激光雷達(dá)技術(shù)用于溫度的日常觀測(cè):轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼雷達(dá)技術(shù)，積分技術(shù)和共振熒光技術(shù)，它們的觀測(cè)覆蓋了從地面到熱層底的高度范圍。轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼雷達(dá)技術(shù)覆蓋了地面到平流層頂?shù)母叨葏^(qū)域；積分技術(shù)覆蓋平流層底至中層的高度區(qū)域；共振熒光技術(shù)則覆蓋中層至熱層底的高度區(qū)域。在平流層區(qū)域，轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼技術(shù)由于拉曼散射截面小，溫度反演需滿足激光高功率輸出，復(fù)雜的背景濾光片，長(zhǎng)時(shí)間的累積和夜間操作等要求，盡管如此，反演的溫度誤差仍較大；至于積分技術(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)受大氣氣溶膠成分的影響，溫度誤差不可忽略。
[0003]基于此現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了基于FP標(biāo)準(zhǔn)具的高光譜分辨率的大氣瑞利測(cè)溫方法。大氣后向散射信號(hào)中，既包括了氣溶膠后向散射，又包含了分子后向散射。其中，大氣氣溶膠后向散射信號(hào)(也稱為米后向散射信號(hào))經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率為FP標(biāo)準(zhǔn)具的響應(yīng)函數(shù)與大氣氣溶膠散射譜的卷積；分子后向散射信號(hào)(也稱為瑞利后向散射信號(hào))經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率為FP標(biāo)準(zhǔn)具的響應(yīng)函數(shù)，激光譜函數(shù)和大氣分子后向散射譜的卷積。其中考慮正入射且全發(fā)散角2 Θ ^很小的情況下，F(xiàn)P的響應(yīng)函數(shù)可表示為:
[0004]
【權(quán)利要求】
1.一種基于FP標(biāo)準(zhǔn)具的高光譜分辨大氣瑞利測(cè)溫方法，其特征在于:包括355nm連續(xù)激光器(11)，第一 FP標(biāo)準(zhǔn)具(12),第一標(biāo)準(zhǔn)具控制器(13),第一米集卡(14),355nm脈沖激光器(15)，擴(kuò)束器(16)，垂直指向望遠(yuǎn)鏡(17)，第二標(biāo)準(zhǔn)具(18)，第二 FP標(biāo)準(zhǔn)具控制器(19),第二米集卡(20),第一光纖分束器(31),第二光纖分束器(32),第一探測(cè)器(41),第二探測(cè)器(42)，第三探測(cè)器(43)，第四探測(cè)器(44);具體步驟如下: 步驟(I)、FP標(biāo)準(zhǔn)具掃描355nm連續(xù)激光 FP標(biāo)準(zhǔn)具掃描355連續(xù)激光時(shí)，355nm連續(xù)激光器(11)出射的激光進(jìn)入第一光纖分束器(20);激光入射到第一光纖分束器(20)后，以4/1的分束比，一路通過(guò)第一 FP標(biāo)準(zhǔn)具(12)后由第一探測(cè)器(41)探測(cè)，另外一路由第二探測(cè)器(42)探測(cè)；第一探測(cè)器(41)和第二探測(cè)器(42)分別通過(guò)兩根信號(hào)線同第一采集卡(14)相連接；如此，獲得FP標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率曲線及FP標(biāo)準(zhǔn)具的參數(shù):有效反射率Re ;峰值透過(guò)率Tpe ;每走一步所對(duì)應(yīng)的頻率Λ f ； 步驟(2)、用標(biāo)定了的FP標(biāo)準(zhǔn)具掃描瑞利后向散射信號(hào) FP標(biāo)準(zhǔn)具掃描瑞利后向散射信號(hào)時(shí)，355nm脈沖激光器(15)出射的激光經(jīng)擴(kuò)束器(16)擴(kuò)束和壓縮發(fā)散角之后，指向探測(cè)區(qū)域；瑞利后向散射信號(hào)由垂直指向望遠(yuǎn)鏡(17)收集；收集到的信號(hào)I禹合進(jìn)入第二光纖分束器(32);第二光纖分束器(32)出射的激光，以4/1的分束比，一路通過(guò)第二標(biāo)準(zhǔn)具(18)后由第三探測(cè)器(43)探測(cè)，另外一路經(jīng)由第四探測(cè)器(44)探測(cè)；第三探測(cè)器(43)和第四探測(cè)器(44)分別通過(guò)兩根信號(hào)線同第二采集卡(20)相連接；如此，獲得大氣后向散射信號(hào)經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率數(shù)據(jù)； 步驟(3)、利用同一地點(diǎn)測(cè)量的后向散射比對(duì)大氣后向散射信號(hào)經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以消除氣溶膠后向散射而獲得瑞利后向散射信號(hào)經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率數(shù)據(jù)；利用第四探測(cè)器(44)探測(cè)到的總能量I2，其包含氣溶膠后向散射信號(hào)Imie與瑞利后向散射信號(hào)Inrol，及利用后向散射比Re = (βΑ+βΜ)/βΜ，βΑ為氣溶膠后向散射系數(shù)，βΜ為大氣分子后向散射系數(shù)；求得氣溶膠后向散射信號(hào)1-;再利用步驟(I)所得的FP標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)率曲線及經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具的大氣后向散射信號(hào)I2求得瑞利后向散射信號(hào)的透過(guò)率；反演時(shí)，利用瑞利后向散射信號(hào)經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具的的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)修正后得到的瑞利后向散射經(jīng)FP標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性最小二乘法擬合，根據(jù)擬合得到的溫度項(xiàng)反演大氣溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FP標(biāo)準(zhǔn)具的高光譜分辨大氣瑞利測(cè)溫方法，其特征在于:包括垂直指向望遠(yuǎn)鏡的使用，由于在垂直方向上風(fēng)速很小，風(fēng)速引起的接收頻率的改變忽略不計(jì)；此外，通過(guò)改變采集到的平流層區(qū)域的瑞利后向散射信號(hào)的距離分辨率，從而獲得平流層區(qū)域的溫度廓線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FP標(biāo)準(zhǔn)具的高光譜分辨大氣瑞利測(cè)溫方法，其特征在于:對(duì)掃描得到的透過(guò)率數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；垂直指向望遠(yuǎn)鏡接收回的大氣后向散射信號(hào)中，既包含瑞利散射信號(hào)也可能包含米散射信號(hào)，為消除米散射信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響，利用同一地點(diǎn)測(cè)量得到的后向散射比，將透過(guò)率數(shù)據(jù)中的米散射成分減去，從而得到瑞利散射后向散射信號(hào)的透過(guò)率。
【文檔編號(hào)】G01K11/30GK103983374SQ201410172341
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】夏海云, 上官明佳, 竇賢康, 孫東松, 趙若燦, 舒志峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)