分子散射测风激光雷达中激光频谱测量校准方法

摘要

本发明公开了一种分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法及测量校准方法，解决了现有的测风Rayleigh激光雷达激光频谱校准困难问题；该反演方法主要通过分子散射光经标准具透过率函数N_i(v)与标准具透过率函数F_ei(v)做反卷积运算，运算结果再与Rayleigh-Brillouin谱F_R-B(v)做反卷积运算，得到激光频谱F_l(v)，用高斯函数拟合，得到激光频谱函数。该测量校准方法及系统设置标准具控制器改变标准具腔长，入射至标准具的激光束扫描标准具腔长得到标准具及分子散射光透过率曲线。本发明提高了风场反演的准确性、可靠性及精度。

主权项

一种分子散射测风激光雷达中激光频谱测量校准方法，其特征在于，该测量校准方法的步骤如下：(1)、建立直接探测Rayleigh测风激光雷达激光谱校准系统，该校准系统包括：Nd:YAG脉冲激光器(1A)，窄带滤光片(2)，积分球(3)，第一多模光纤(4)，第二多模光纤(5)，第一光纤分束器(6)，第二光纤分束器(7)，第三光纤分束器(9)，模拟大气分子散射通道(22)，第一会聚透镜(18)，第二会聚透镜(19)，第三会聚透镜(20)，第四会聚透镜(21)，第一准直透镜(11)，第二准直透镜(12)，第三准直透镜(13)，标准具FPI(14)，第一探测器(8)，第二探测器(10)，第三探测器(15)，第四探测器(16)和第五探测器(17)；(2)、激光器(1A)发出的脉冲光经过窄带滤光片(2)滤光后，入射至积分球(3)的输入端，经积分球输出后的均匀光通过传导光纤第一多模光纤(4)和第二多模光纤(5)分别连接到第一光纤分束器(6)和模拟大气分子散射通道(22)；第一光纤分束器(6)将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至能量探测器第一探测器(8)，大部分光通过第一准直透镜(11)准直后经传导光纤连接至FPI(14)锁定通道，锁定通道的输出光经传导光纤连接至第一会聚透镜(18)，会聚光经传导光纤连接至第三探测器(15)，经模拟大气分子散射通道(22)的后向散射光经第四会聚透镜(21)收集，由传导光纤连接至第二光纤分束器(7)将光束分成两路，其中一小部分光经传导光纤连接至第二探测器(10)，大部分光通过第三光纤分束器(9)分成两路，两路光分别经第二准直透镜(12)和第三准直透镜(13)准直后经传导光纤连接至FPI(14)两边缘通道，两边缘通道的输出光分别经传导光纤连接至第二会聚透镜(19)和第三会聚透镜(20)，会聚光经传导光纤连接至第四探测器(16)和第五探测器(17)；(3)、设置FPI(14)控制器逐步改变标准具腔长，入射至FPI(14)锁定通道的出射激光扫描标准具腔长得到锁定通道出射激光透过率曲线，入射至边缘通道的分子散射光扫描标准具腔长得到标准具两个边缘通道分子散射光透过率曲线，经函数拟合后得到分子散射光透过率函数N_i(v)，其中，在大气分子散射通道内放置温度和压强传感器测量通道内温度和压强，利用温度和压强测量数据使用Tenti S6模型得到通道内的Rayleigh‑Brillouin谱函数F_R‑B(v)；另外，分子散射光透过率函数N_i(v)与标准具透过率函数F_ei(v)做反卷积运算，运算结果再与Rayleigh‑Brillouin谱F_R‑B(v)做反卷积运算，得到激光频谱F_l(v)，用高斯函数拟合，得到激光频谱函数，高斯函数如公式(8)所示，$h\left(\nu \right)=\frac{\sqrt{4\ln 2}}{\sqrt{\pi }\sigma }\exp -\left[\frac{4ln2·{(\nu -{\nu }_0)}^2}{{\sigma }^2}\right]---\left(8\right)$其中，σ是激光频谱半高全宽，v₀是中心频率。