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

摘要

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Ni(v)与标准具透过率函数Fei(v)做反卷积运算，运算结果再与Rayleigh-Brillouin谱FR-B(v)做反卷积运算，得到激光频谱Fl(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

1.一种分子散射测风激光雷达中激光频谱反演方法，其特征在于：该反演方法步骤如下：步骤一：设计实验校准标准具透过率曲线，采用理想的标准具透过率函数Airy函数进行拟合得到标准具透过率函数F_ei(v)，Airy函数如公式（1）所示：$T^{\prime }\left(\tilde{v}\right)={(1-\frac{L}{1-R_M})}^2\frac{{(1-R_M)}^2}{1-2R_M\cos \left(2\pi \tilde{v}{n}_{1}d\cos {\theta }_1\right)+R_M^2}---\left(1\right)$其中,R_M标准具平面玻璃反射率，L是标准具平面玻璃吸收或散射损失，是入射光波长，d是标准具两平面玻璃间距，n₁是两平面玻璃间充满介质的折射率，θ₁是入射角；步骤二：设计实验测量分子散射光经标准具透过率曲线，采用理想的标准具透过率函数Airy函数进行拟合得到分子散射光经标准具透过率函数N_i(v)，Airy函数如公式（1）所示；步骤三：在实验测量分子散射光经标准具透过率曲线的同时，测量分子散射路径上的温度和压强，将测量温度和压强带入描述瑞利-布里渊谱（Rayleigh-Brillouin）的Tenti S6模型（Tenti S6 model）计算出ｙ值，如公式（2）所示：$x=\frac{\omega }{\sqrt{2}k{\upsilon }_0},$$y=\frac{n_2{k}_{B}T}{\sqrt{2}k{\upsilon }_0\eta }=\frac{p}{\sqrt{2}k{\upsilon }_0\eta }---\left(2\right)$其中，ω是散射光较入射光的角频移，n₂是大气分子数密度，p和T是大气压强和温度，η是大气粘滞系数，k=k_s-k₀=4π/λsin(θ/2)是入射光波数和散射光波数之差，λ是入射光波长，θ₂是散射角，υ₀=(2k_BT)/m)^1/2是大气分子无规则运动速度，k_B是玻尔兹曼常数，m是大气分子量，x是光学频移，y是碰撞频率展宽，将计算所得ｙ值带入公式（3）至（6）计算得到如下参数：A(y)＝0.18526·exp[-1.31255y]+0.07103·exp[-18.26117y]+0.74421   (3)σ_R(y)＝0.70813+0.16366y²+0.19132y³-0.07217y⁴   (4)σ_B(y)＝0.07845·exp[-4.88663y]+0.80400·exp[-0.15003y]-0.45142   5)x_B(y)＝0.80893-0.30208·0.10898^y   (6)将计算所得参数A,σ_R,σ_B和x_B带入公式（7）得到瑞利-布里渊（Rayleigh-Brillouin）实测谱F_R-B(v)，$\begin{array}{c}S(x,y)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }{\sigma }_R}\mathrm{Aexp}[-\frac{1}{2}{\left(\frac{x}{{\sigma }_R}\right)}^2]+\frac{1-A}{2\sqrt{2\pi }{\sigma }_B}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{x+x_B}{{\sigma }_B}\right)}^2]\\ +\frac{1-A}{2\sqrt{2\pi }{\sigma }_B}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{x-x_B}{{\sigma }_B}\right)}^2]\end{array}---\left(7\right)$其中，S(x,y)是3个高斯函数的重叠形式，其中中心高斯线的标准差是σ_R，总强度A代表瑞利峰值，两个变化的高斯线在±x_B时的标准差是σ_B，总强度(1-A)/2代表布里渊对；步骤四：分子散射光经标准具透过率函数N_i(v)与标准具透过率函数F_ei(v)做反卷积运算，运算结果再与Rayleigh-Brillouin谱F_R-B(v)做反卷积运算，得到激光频谱F_l(v)，用高斯函数拟合，得到激光频谱函数，高斯函数如公式（8）所示：$h\left(\nu \right)=\frac{\sqrt{4\ln 2}}{\sqrt{\pi }\sigma }\exp -\left[\frac{4\ln 2·{(\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。