一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，具体按照以下步骤：步骤1、读取转动拉曼高量子数和低量子数通道回波信号原始数据，并进行去噪与平滑处理；步骤2、计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C1(z)；步骤3、计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β2(Jlow,T,z)；步骤4、求解大气温度廓线T(z)。本发明专利技术一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，利用高量子数与低量子数转动拉曼散射通道的独立交替求解，最终获得对大气温度的精确反演，其反演结果不受转动拉曼高量子数回波信号强度信噪比低的影响，反演获得的大气温度高度大大提高，算法具有更好的探测信噪比、稳定性及准确性，且与探空数据具有很好的一致性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光雷达大气探测
，具体涉及一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法。
技术介绍
激光雷达是一种主动式的现代光学遥感设备，具有高时空分辨率和高探测灵敏度等优点，广泛应用于1)大气温度、湿度和气压的探测；2)大气光学参数的探测；3)气溶胶和烟羽的探测；4)大气气体成份浓度和分布的探测；5)大气风和湍流的探测。拉曼激光雷达是利用激光与大气介质的拉曼散射作用，通过探测介质的拉曼散射光对介质的密度等信息的作用进行探测的光学探测手段。转动拉曼激光雷达大气温度探测技术是根据大气中氮气或氧气分子的转动拉曼散射强度与温度的依存关系来探测大气温度的。由于氮气分子低量子数和高量子数转动拉曼谱线的强度随温度的升高而分别呈现减弱和增强的趋势，转动拉曼激光雷达正是利用这个效应，通过探测这两个谱线区域内大气后向散射信号而实现对大气温度的高精度探测。因此，转动拉曼激光雷达已成为对流层-平流层内大气温度探测的有效技术之一。目前，国内外利用转动拉曼激光雷达探测技术已发展的较为成熟，但是在对大气温度廓线的反演中多采用传统的大气温度反演算法，即利用高量子数和低量子数转动拉曼回波信号的强度比值函数求解大气温度。由于高与低量子数转动拉曼通道信噪比(SNR)的差异，影响了大气温度拉曼激光雷达的探测距离，同时，在该传统算法中校正常数A，B和C(或A和B)的不稳定解也将给反演结果带来误差。针对此提出了一种大气温度反演的优化算法，利用该算法可大大提高大气温度的反演高度，其结果具有更高的探测信噪比，且探测误差较为稳定，达到了高精度的反演要求，并与同步探空气球数据具有很好的一致性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，解决了现有传统反演算法中存在的受通道信噪比差异以及校正常数不稳定影响的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，利用高量子数与低量子数转动拉曼散射回波信号的独立交替求解，获得对大气温度的精确反演。具体按照以下步骤：步骤1、读取转动拉曼高量子数和低量子数通道回波信号原始数据，并进行去噪与平滑处理；步骤2、计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C1(z)；步骤3、计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β2(Jlow,T,z)；步骤4、求解大气温度廓线T(z)。本专利技术的特点还在于：步骤2计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C1(z)，具体为：步骤2.1、利用大气分子的拉曼精细反演方法或者米散射的klett法和Fernald法，求解获得大气气溶胶消光系数廓线α(z)；步骤2.2、计算高量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β1(Jhigh,t0(z),z)：β1(Jhigh,t0(z),z)=64π415×Ng(Jhigh)hcB0(ν~0+Δν~s(Jhigh))4γ2(2I+1)2kBt0(z)×Jhigh(Jhigh-1)(2Jhigh-1)×exp(-E(Jhigh)kBt0(z));---(1)]]>其中，EJhigh=[B0Jhigh(Jhigh+1)-D0Jhigh2(Jhigh+1)2]hc,]]>g为核自转的统计权重，h为普朗克常数，B0为分子转动常数，为入射光的频率，γ为分子各向异性，kB为玻尔兹曼常数，I为核自转，T为求解的温度变量，t0(z)为同步探空数据所得高度z处的已知大气温度，为拉曼频移，E(Jhigh)为与转动高量子数Jhigh、振动基态离心扭曲常量D0以及分子转动常数B0有关的转动能量；步骤2.3、求解高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C1(z)：C1(z)=P1(Jhigh,t0(z),z)×z2β1(Jhigh,t0(z),z)×exp[-2∫0zα(z)dz];---(2)]]>其中，z为高度，P1(Jhigh,t0(z),z)为高量子数转动拉曼散射回波信号强度，该伪通道常数项C与温度T无关，包括激光器发射装置参数、望远镜接收装置参数，几何重叠因子以及光电探测器效率和光路的光学效率等。步骤3计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β2(Jlow,T,z)，具体为：假设低量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C2(z)与步骤2所得高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C1(z)近似相等，即C2(z)≈C1(z)，利用公式(3)计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β2(Jlow,T,z)：β2(Jlow,T,z)=P2(Jlow,T,z)×z2C2(z)×exp[-2∫ozα(z)dz];---(3)]]>其中，P2(Jlow,T,z)为低量子数转动拉曼散射回波信号强度。步骤4求解大气温度廓线T(z)，具体为：步骤4.1、通过分离变量，寻求大气后向散射系数β2(Jlow,T,z)与温度T的函数关系，表示为：In[β2(Jlow,T,z)]=In[M(Jlow)]+In(1T(z))-E(Jlow)kB(1T(z));---(4)]]>其中，M(Jlow)=64π415×Ng(Jlow)hcB0(v~0+Δv~s)4γ2(2I+1)2×Jlow(Jlow-1)(2Jlow-1),]]>E(Jlow)为与转动高量子数Jlow、振动基态离心扭曲常量D0以及分子转动常数B0有关的转动能量；步骤4.2、以1/T为自变量精确求解大气温度廓线T(z)：ln[β2(Jlow,T,z)]=-121T2(z)+[2-E(Jlow)kB]1T(z)+(InM-32);---(5)]]>本专利技术的有益效果是：本专利技术一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，利用高量子数与低量子数转动拉曼散射通道的独立交替求解，最终获得对大气温度的精确反演：1)其反演结果不受转动拉曼高量子数回波信号强度信噪比低的影响；2)其反演过程避免了校正常数的不稳定性；3)反演获得的大气温度高度大大提高；4)算法具有更好的探测信噪比、稳定性及准确性，且与探空数据具有很好的一致性。附图说明图1是本专利技术一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法的流程图；图2是实施例1的高量子数与低量子数转动拉曼散射回波信号的距离平方校正信号；图3是实施例1的利用传统算法和本专利技术方法反演获得的温度廓线比较；图4是实施例2的高量子数与低量子数转动拉曼散射回波信号的距离平方校正信号；图5是实施例2的利用传统算法和本专利技术方法反演获得的温度廓线比较。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，其特征在于，具体按照以下步骤：步骤1、读取转动拉曼高量子数和低量子数通道回波信号原始数据，并进行去噪与平滑处理；步骤2、计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C1(z)；步骤3、计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β2(Jlow,T,z)；步骤4、求解大气温度廓线T(z)。

【技术特征摘要】
1.一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，其特征在于，具体按照以下步骤：
步骤1、读取转动拉曼高量子数和低量子数通道回波信号原始数据，并进行去噪与平滑处理；
步骤2、计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C1(z)；
步骤3、计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β2(Jlow,T,z)；
步骤4、求解大气温度廓线T(z)。
2.根据权利要求1所述的一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，其特征在于，所述步骤2计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C1(z)，具体按照以下步骤：
步骤2.1、利用大气分子的拉曼精细反演方法，求解获得大气气溶胶消光系数廓线α(z)；
步骤2.2、计算高量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数β1(Jhigh,t0(z),z)：
其中，g为核自转的统计权重，h为普朗克常数，B0为分子转动常数，为入射光的频率，γ为分子各向异性，kB为玻尔兹曼常数，I为核自转，T为求解的温度变量，t0(z)为同步探空数据所得高度z处的已知大气温度，为拉曼频移，E(Jhigh)为与转动高量子数Jhigh、振动基态离心扭曲常量D0以及分子转动常数B0有关的转动能量；
步骤2.3、求解高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数C1(z)：
其中，z为高度，P1(Jhigh,t0(z),z)为高量子数转动拉曼散射回波信号强度。
3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉峰，华灯鑫，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61