專利名稱：一種瑞利多普勒激光雷達(dá)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種瑞利多普勒激光雷達(dá)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，屬于光學(xué)、激光遙感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
瑞利多普勒激光雷達(dá)是目前廣泛應(yīng)用于中高層大氣風(fēng)場觀測的測量系統(tǒng)。它通過發(fā)射激光脈沖、接收大氣散射的回波信號來實現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向信息的高精度反演。風(fēng)場信息是通過反演大氣散射回波信號來獲取的。因此，反演算法直接關(guān)系到多普勒激光雷達(dá)的測量精度。通常的反演算法是通過確定頻率響應(yīng)函數(shù)來求得多普勒頻移，進(jìn)而反演出風(fēng)速和風(fēng)向信息的。頻率響應(yīng)函數(shù)定義為大氣后向散射信號經(jīng)過兩個標(biāo)準(zhǔn)具的 透過率之比，是多普勒頻移和溫度的函數(shù)。后向散射信號經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具的透過率是發(fā)射激光脈沖頻譜函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)具邊緣函數(shù)以及大氣分子后向散射譜的卷積。在風(fēng)速測量之前，用窄帶脈沖光掃描標(biāo)準(zhǔn)具，可以得到標(biāo)準(zhǔn)具的邊緣函數(shù)。發(fā)射激光脈沖的頻譜函數(shù)也可以通過實驗測得。而對于大氣后向分子散射譜，通常選擇在氣溶膠后向散射信號相對于分子后向散射信號很小的情況下把它忽略，即用瑞利散射增寬譜線代替大氣后項散射信號的頻譜函數(shù)，從而可以確定頻率響應(yīng)函數(shù)。瑞利散射頻譜函數(shù)有如下形式fE(v) = (41η2/ η Δ νΕ2) 1/2exp (-v241n2/ Δ vE2)其中大氣分子頻譜的半高寬Λ νΕ = (32kTaln2/ λ 2M)1/2, k是波爾茲曼常數(shù)，Ta是大氣溫度，M是大氣平均分子質(zhì)量。觀測地的大氣溫度可以根據(jù)大氣理論模式的結(jié)果得到。這樣，頻率響應(yīng)函數(shù)就成了與多普勒頻移相對應(yīng)的單值函數(shù)，可以用來直接反演風(fēng)場。雖然在精度要求不太高的情況下，這種反演方法也能夠得到相對精確的風(fēng)場信息。但是，這種反演算法存在著明顯的缺陷。首先，這種反演算法并沒有考慮布里淵散射對反演精度的影響。對于直接檢測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)，如果假定散射頻譜函數(shù)為高斯型而忽略布里淵散射的影響，那么其反演帶來的風(fēng)速誤差在海平面高度會達(dá)到10%，在IOKm高度也會達(dá)到3%，這么大的誤差對于高精度測量是不容許忽略的。圖I給出了布里淵散射在不同高度處對散射頻譜影響變化的趨勢。其中y是用來衡量線型隨壓力和溫度變化的參量。其次，在低空氣溶膠含量比較高的區(qū)域，如果考慮了布里淵散射的影響，那么頻率響應(yīng)函數(shù)與溫度的關(guān)系將不再是一個顯式表達(dá)式，由此在利用大氣模式的溫度反演風(fēng)場時，也必將引入新的系統(tǒng)誤差。因此，在風(fēng)速反演之前，有必要進(jìn)行一個校準(zhǔn)實驗。一方面，在零風(fēng)速下，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)具的透過率曲線反推出瑞利-布里淵散射的頻譜函數(shù)，通過與純分子散射相比較，可以準(zhǔn)確知道布里淵散射對反演算法的影響；另一方面，在進(jìn)行上層風(fēng)場反演時，可以利用地面試驗的結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，從而獲得比較高的測量精度
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種瑞利多普勒激光雷達(dá)的地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，通過向地面密閉容器內(nèi)發(fā)射激光信號、接收和處理回波信號來獲得精確的瑞利-布里淵散射頻譜函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)對溫度的依賴關(guān)系，為反演算法提供校準(zhǔn)，提高了測量精度。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種瑞利多普勒激光雷達(dá)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于包括激光器I、分束器2、擴(kuò)束器3、第一反射鏡4、第二反射鏡5、密閉管道6、望遠(yuǎn)鏡7、準(zhǔn)直器9、標(biāo)準(zhǔn)具10、會聚透鏡11、探測器12和計算機(jī)14 ;激光器I產(chǎn)生的光束經(jīng)過分束器2分成兩束，其中一小部分直接經(jīng)過第一多模光纖13送到準(zhǔn)直器9作為參考信號，從而得到激光器I發(fā)出脈沖的頻譜函數(shù)GJv)，并送至計算機(jī)14中；而絕大部分則通過擴(kuò)束器3擴(kuò)束后再由第一反射鏡4和第反射鏡5導(dǎo)入密閉管道6，激光在密閉管道6內(nèi)傳播的過程中由管道內(nèi)的空氣分子散射得到后向散射信號，該后向散射信號被望遠(yuǎn)鏡7接收，然后經(jīng)過第二多模光纖8和準(zhǔn)直器9送到標(biāo)準(zhǔn)具10，標(biāo)準(zhǔn)具10作為鑒頻器對不同頻率的光具有選擇透過性，標(biāo)準(zhǔn)具10的透過率函數(shù)H(V)為
r ， TT/、 rr, (I-足 I i,(2πην I + cos θη I · f 2ην I - cos θη \\樸H(V) = Tpe ^ 1 + 2JXCOS--—^ Sinc ---—^ ， 其
Ke JM=IV vFSR2 J 、vFSR 2 Jj
中，C為峰值透過率，Re為入射光對應(yīng)波長的有效反射率，
' 、\ 一 K J I - Ke I + K
Vfse為自由譜間隔，R為對應(yīng)波長的反射率，Θ。為入射光束發(fā)散角，透過標(biāo)準(zhǔn)具(10)
的信號由會聚透鏡(11)送到探測器(12)進(jìn)行光強(qiáng)檢測，即得到不同頻率的實測透過
率TKay_BH11()Uin(V)，最終探測器(12)將檢測結(jié)果送至計算機(jī)(14)，計算機(jī)(14)利用公式
rRuy—Br-,,m (v) = H[V) Gl {v) GRa}._BM, (v)，通過反卷積得到在零風(fēng)速情況下得到的后向
瑞利-布里淵散射信號頻譜GKay_M11()Uin(V);此外，計算機(jī)(14)還控制和監(jiān)測激光器(I)的
工作狀態(tài)；控制標(biāo)準(zhǔn)具(10)的腔長。所述密閉管道(6)內(nèi)部有若干溫度傳感器，溫度傳感器固定在管道內(nèi)壁，呈等間距排列。所述放置溫度傳感器為6-8個，每個傳感器分辨率為O. Ol0C。所述密閉管道(6)為一個長為58-62m，直徑為10-12cm的圓柱形管道，管道要保證密閉，以確保零風(fēng)速的實驗條件。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明可以極大程度上的降低布里淵散射對整個系統(tǒng)測量結(jié)果的影響，。相比較以往的采用的校準(zhǔn)方法，本發(fā)明放棄了采用理論模型估計大氣散射頻譜的方式，取而代之以實測的方法，這樣更貼近實驗當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，因而會提高測量精度。(2)本發(fā)明采用的密閉實驗管道，可以保證實驗條件的絕對零風(fēng)速。并以此作為校準(zhǔn)的參照點，保證了不會出現(xiàn)新的系統(tǒng)誤差。(3)本發(fā)明使用的溫度傳感器，靈敏度高，分辨率可以達(dá)到O. 01°C，采集速度快，每秒鐘采集并記錄一個數(shù)據(jù)點，在整個校準(zhǔn)實驗過程中，提供溫度對布里淵散射影響結(jié)果。(4)本發(fā)明操作簡單、易于實現(xiàn)且工程造價成本低。


圖I給出了布里淵散射在不同高度處對散射頻譜影響變化的趨勢圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖2、3所示，一種瑞利多普勒激光雷達(dá)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于包括激光器
I、分束器2、擴(kuò)束器3、第一反射鏡4、第二反射鏡5、密閉管道6、望遠(yuǎn)鏡7、準(zhǔn)直器9、標(biāo)準(zhǔn)具
10、會聚透鏡11、探測器12和計算機(jī)14。激光器I產(chǎn)生的光束經(jīng)過分束器2分成兩束，其中一小部分直接經(jīng)過第一多模光纖13送到準(zhǔn)直器9作為參考信號，從而得到激光器I發(fā)出脈沖的頻譜函數(shù)GJv)，并送至計算機(jī)14中；而絕大部分則通過擴(kuò)束器3擴(kuò)束后再由第一反射鏡4和第反射鏡5導(dǎo)入密閉管道6，激光在密閉管道6內(nèi)傳播的過程中由管道內(nèi)的空氣分子散射得到后向散射信號，該后向散射信號被望遠(yuǎn)鏡7接收，然后經(jīng)過第二多模光纖8和準(zhǔn)直器9送到標(biāo)準(zhǔn)具10，標(biāo)準(zhǔn)具10作為鑒頻器對不同頻率的光具有選擇透過性，標(biāo)準(zhǔn)具10的透過率函數(shù)H(V)為
權(quán)利要求
1.一種瑞利多普勒激光雷達(dá)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于包括激光器(I)、分束器(2)、擴(kuò)束器(3)、第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5)、密閉管道(6)、望遠(yuǎn)鏡(7)、準(zhǔn)直器(9)、標(biāo)準(zhǔn)具(10)、會聚透鏡(11)、探測器(12)和計算機(jī)(14);激光器(I)產(chǎn)生的光束經(jīng)過分束器(2)分成兩束，其中一小部分直接經(jīng)過第一多模光纖(13)送到準(zhǔn)直器(9)作為參考信號，從而得到激光器(I)發(fā)出脈沖的頻譜函數(shù)GJv)，并送至計算機(jī)(14)中；而絕大部分則通過擴(kuò)束器(3)擴(kuò)束后再由第一反射鏡(4)和第反射鏡(5)導(dǎo)入密閉管道(6)，激光在密閉管道(6)內(nèi)傳播的過程中由管道內(nèi)的空氣分子散射得到后向散射信號，該后向散射信號被望遠(yuǎn)鏡(7)接收，然后經(jīng)過第二多模光纖(8)和準(zhǔn)直器(9)送到標(biāo)準(zhǔn)具(10)，標(biāo)準(zhǔn)具(10)作為鑒頻器對不同頻率的光具有選擇透過性，標(biāo)準(zhǔn)具(10)的透過率函數(shù)H(V)為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的瑞利多普勒激光雷達(dá)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于所述密閉管道(6)內(nèi)部有若干溫度傳感器，溫度傳感器固定在管道內(nèi)壁，呈等間距排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的瑞利多普勒激光雷達(dá)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于所述放置溫度傳感器為6-8個，每個傳感器分辨率為0. 01°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的瑞利多普勒激光雷達(dá)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于所述密閉管道(6)為一個長為58-62m，直徑為10-12cm的圓柱形管道，管道要保證密閉，以確保零風(fēng)速的實驗條件。
全文摘要
一種瑞利多普勒激光雷達(dá)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，由激光器產(chǎn)生的光束經(jīng)過分束器分成兩束，其中一小部分直接經(jīng)過多模光纖送到第一探測器作為參考信號；絕大部分則通過擴(kuò)束器擴(kuò)束后再由反射鏡導(dǎo)入密閉管道，激光被密閉管道內(nèi)的空氣散射后，散射信號被望遠(yuǎn)鏡接收，然后通過多模光纖導(dǎo)入，送到標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行信號處理，透過標(biāo)準(zhǔn)具的信號由會聚透鏡送到探測器進(jìn)行進(jìn)一步信號分析處理，最終探測器將信號處理的結(jié)果送至計算機(jī)。本發(fā)明通過向地面密閉容器內(nèi)發(fā)射激光信號、接收和處理回波信號來獲得精確的瑞利-布里淵散射頻譜函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)對溫度的依賴關(guān)系，為反演算法提供校準(zhǔn)，提高了測量精度。
文檔編號G01S7/497GK102798850SQ201210294809
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者竇賢康, 韓於利, 孫東松, 夏海云, 舒志峰, 薛向輝, 陳廷娣 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)