一種溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及激光雷達(dá)標(biāo)定，具體涉及一種溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法，確定需要標(biāo)定的標(biāo)定常數(shù)；將探測獲得的回波信號轉(zhuǎn)換為對溫度敏感的低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值，并獲取對應(yīng)時刻的地面溫度，得到數(shù)據(jù)序列；從數(shù)據(jù)序列中尋找一條適宜標(biāo)定的垂直探測數(shù)據(jù)序列；計算垂直探測數(shù)據(jù)序列對應(yīng)的垂直溫度廓線；通過線性擬合得到標(biāo)定常數(shù)；進(jìn)行誤差分析，并基于誤差分析結(jié)果對標(biāo)定常數(shù)進(jìn)行更新；本發(fā)明專利技術(shù)提供的技術(shù)方案能夠有效克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的過度依賴探空數(shù)據(jù)，以及標(biāo)定精度較低的缺陷。度較低的缺陷。度較低的缺陷。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法


[0001]本專利技術(shù)涉及激光雷達(dá)標(biāo)定，具體涉及一種溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法。

技術(shù)介紹

[0002]對流層以下的大氣溫度變化與人類的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，特別是近年來探討最多的溫室效應(yīng)及熱島效應(yīng)，溫度還是很多大氣模式的重要參量，被廣泛應(yīng)用于大氣動力學(xué)和氣候變化的研究中。同時，大量的研究和實驗表明，大氣氣溶膠濃度等參數(shù)主要受到大氣溫度和相對濕度的影響，因此，地面垂直高度的大氣溫度廓線的探測對于研究氣候環(huán)境和人類健康具有重要意義。
[0003]目前，探測大氣溫度的手段包括微波輻射計、探空氣球和溫度激光雷達(dá)等。微波輻射計作為一種被動遙感設(shè)備，通過接收太陽在特定頻率的輻射可以反演出大氣溫度、濕度及液態(tài)水含量等數(shù)據(jù)，具有時間分辨率高、可全天工作等優(yōu)點。但是，微波輻射計基于被動遙感所得到的信息量有限，反演方法過分依賴以往的探空數(shù)據(jù)，在實時探空信息量不足的條件下，反演精度會受到較大影響，并且由于探測能力的限制，距離分辨率和反演精度均會隨高度的上升而下降。
[0004]探空氣球是探測大氣溫濕度廓線的重要工具，其配備了無線電探空儀，可以高精度直接測量大氣中的各種參數(shù)，包括氣壓、高度、溫度、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等，同時可以無線傳輸數(shù)據(jù)返回地面氣象站。但是，探空氣球費用昂貴，需要耗費大量人力物力，并且會受到使用時間和空間的限制，由于受到高空漂移的影響，氣球上升時間和運動軌跡對觀測精度影響較大，不能滿足中小尺度災(zāi)害監(jiān)測以及大城市和城市群垂直精細(xì)化探測的需求。
[0005]溫度拉曼激光雷達(dá)結(jié)合傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)和激光遙感技術(shù)，其向大氣中發(fā)射一束高能激光，通過提取回波信號中對溫度敏感的轉(zhuǎn)動拉曼散射信號實現(xiàn)溫度廓線探測的目的。相對于探空氣球，溫度拉曼激光雷達(dá)在保持米級距離分辨率的前提下，指向性強，探測路徑固定，具備更高的時間分辨率（分鐘級），并且可以做到無人值守全天自動觀測，溫度探測精度能夠達(dá)到
±
1℃。相對于微波輻射計，溫度拉曼激光雷達(dá)探測大氣溫度廓線對歷史探空數(shù)據(jù)不存在依賴性，并且具備恒定的高距離分辨率（米級），觀測更精細(xì)，更容易捕捉逆溫現(xiàn)象。
[0006]在實際的業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備出廠時，溫度拉曼激光雷達(dá)都需要將即時的探空數(shù)據(jù)作為探測真值，對測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。而這一標(biāo)定方法存在明顯的弊端，主要表現(xiàn)為：1）探空數(shù)據(jù)具有空間限制性探空氣球費用昂貴，需要耗費大量人力物力，并且受航空管制，我國僅在部分氣象站點建有探空站，無法在任意地方開展標(biāo)定工作，在沒有探空數(shù)據(jù)的區(qū)域，設(shè)備的出廠標(biāo)定和部署后日常標(biāo)定無法有效開展；2）探空數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在時間上不同步，限制標(biāo)定精度由于受到高空漂移的影響，探空氣球的上升時間和運動軌跡難以受控，基本無法保證和激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)同時刻同路徑，必然會帶來標(biāo)定誤差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺點，本專利技術(shù)提供了一種溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法，能夠有效克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的過度依賴探空數(shù)據(jù)，以及標(biāo)定精度較低的缺陷。
[0008]為實現(xiàn)以上目的，本專利技術(shù)通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法，包括以下步驟：S1、確定需要標(biāo)定的標(biāo)定常數(shù)；S2、將探測獲得的回波信號轉(zhuǎn)換為對溫度敏感的低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值，并獲取對應(yīng)時刻的地面溫度，得到數(shù)據(jù)序列；S3、從數(shù)據(jù)序列中尋找一條適宜標(biāo)定的垂直探測數(shù)據(jù)序列；S4、計算垂直探測數(shù)據(jù)序列對應(yīng)的垂直溫度廓線；S5、通過線性擬合得到標(biāo)定常數(shù)；S6、進(jìn)行誤差分析，并基于誤差分析結(jié)果對標(biāo)定常數(shù)進(jìn)行更新。
[0009]優(yōu)選地，S1中確定需要標(biāo)定的標(biāo)定常數(shù)，包括：在溫度拉曼激光雷達(dá)中，低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值Q(z,T)和溫度T(z)之間的關(guān)系采用下式表示：，上式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為，令a=A/B，b=－1/B，則有：，其中，z為距離地面的高度，單位為km，T(z)為高度z處的絕對溫度，單位為K，a、b為需要標(biāo)定的標(biāo)定常數(shù)。
[0010]優(yōu)選地，S2中將探測獲得的回波信號轉(zhuǎn)換為對溫度敏感的低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值，并獲取對應(yīng)時刻的地面溫度，得到數(shù)據(jù)序列，包括：將探測獲得的回波信號轉(zhuǎn)換為對溫度敏感的低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值Q(z,T)，并獲取對應(yīng)時刻t的地面溫度T0，得到數(shù)據(jù)序列[t,Q(z,T),T0]。
[0011]優(yōu)選地，所述將探測獲得的回波信號轉(zhuǎn)換為對溫度敏感的低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值Q(z,T)，包括：以355nm波長為原始激發(fā)激光的溫度拉曼激光雷達(dá)為例，采用下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：Q(z,T)=P
353
(z)/P
354
(z)其中，P
353
(z)、P
354
(z)分別為去除背景后的353nm通道、354nm通道在高度z處的回波信號電壓或電流值。
[0012]優(yōu)選地，S3中從數(shù)據(jù)序列中尋找一條適宜標(biāo)定的垂直探測數(shù)據(jù)序列，包括：在高信噪比環(huán)境下探測得到的數(shù)據(jù)序列[t,Q(z,T),T0]中，尋找一條高度z在0.1~3km范圍內(nèi)，lnQ(z,T)隨高度z呈線性變化的垂直探測數(shù)據(jù)序列[t
b
,Q
b
(z,T),T0
b
]。
[0013]優(yōu)選地，所述適宜標(biāo)定的垂直探測數(shù)據(jù)序列的獲取方法，包括：以高度z為橫坐標(biāo)，lnQ(z,T)為縱坐標(biāo)，采用下式計算相關(guān)系數(shù)R：
，其中，X
i
為高度z，X
i
的取值范圍為0.1~3km，以雷達(dá)的實際距離分辨率步進(jìn)，為高度z的平均值，Y
i
為lnQ(z,T)的真實觀測值，為lnQ(z,T)的平均值；若數(shù)據(jù)序列[t,Q(z,T),T0]的相關(guān)系數(shù)R大于0.99，則認(rèn)為lnQ(z,T)隨高度z呈線性變化，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)序列作為垂直探測數(shù)據(jù)序列[t
b
,Q
b
(z,T),T0
b
]。
[0014]優(yōu)選地，S4中計算垂直探測數(shù)據(jù)序列對應(yīng)的垂直溫度廓線，包括：假設(shè)海拔每升高1km溫度下降=4℃，在垂直探測數(shù)據(jù)序列[t
b
,Q
b
(z,T),T0
b
]中，以對應(yīng)的地面溫度T0
b
為基準(zhǔn)，采用下式計算垂直溫度廓線T
b
(z)：，其中，T0
b
為地面溫度，單位為K。
[0015]優(yōu)選地，S5中通過線性擬合得到標(biāo)定常數(shù)，包括：根據(jù)公式，以lnQ
b
(z,T)為橫坐標(biāo)，1/T
b
(z)為縱坐標(biāo)，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，可以獲得下式中的標(biāo)定常數(shù)a、b：。
[0016]優(yōu)選地，S6中進(jìn)行誤差分析，并基于誤差分析結(jié)果對標(biāo)定常數(shù)進(jìn)行更新，包括：S61、在地面溫度變化值大于5K的條件下，獲取S2中記錄的高度z為0.1km處的多個比值Q(0.1,T)，計算得到對應(yīng)lnQ(本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法，其特征在于：包括以下步驟：S1、確定需要標(biāo)定的標(biāo)定常數(shù)；S2、將探測獲得的回波信號轉(zhuǎn)換為對溫度敏感的低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值，并獲取對應(yīng)時刻的地面溫度，得到數(shù)據(jù)序列；S3、從數(shù)據(jù)序列中尋找一條適宜標(biāo)定的垂直探測數(shù)據(jù)序列；S4、計算垂直探測數(shù)據(jù)序列對應(yīng)的垂直溫度廓線；S5、通過線性擬合得到標(biāo)定常數(shù)；S6、進(jìn)行誤差分析，并基于誤差分析結(jié)果對標(biāo)定常數(shù)進(jìn)行更新。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法，其特征在于：S1中確定需要標(biāo)定的標(biāo)定常數(shù)，包括：在溫度拉曼激光雷達(dá)中，低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值Q(z,T)和溫度T(z)之間的關(guān)系采用下式表示：，上式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為，令a=A/B，b=－1/B，則有：，其中，z為距離地面的高度，單位為km，T(z)為高度z處的絕對溫度，單位為K，a、b為需要標(biāo)定的標(biāo)定常數(shù)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法，其特征在于：S2中將探測獲得的回波信號轉(zhuǎn)換為對溫度敏感的低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值，并獲取對應(yīng)時刻的地面溫度，得到數(shù)據(jù)序列，包括：將探測獲得的回波信號轉(zhuǎn)換為對溫度敏感的低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值Q(z,T)，并獲取對應(yīng)時刻t的地面溫度T0，得到數(shù)據(jù)序列[t,Q(z,T),T0]。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法，其特征在于：所述將探測獲得的回波信號轉(zhuǎn)換為對溫度敏感的低量子通道信號強度與高量子通道信號強度的比值Q(z,T)，包括：以355nm波長為原始激發(fā)激光的溫度拉曼激光雷達(dá)為例，采用下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：Q(z,T)=P
353
(z)/P
354
(z)其中，P
353
(z)、P
354
(z)分別為去除背景后的353nm通道、354nm通道在高度z處的回波信號電壓或電流值。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法，其特征在于：S3中從數(shù)據(jù)序列中尋找一條適宜標(biāo)定的垂直探測數(shù)據(jù)序列，包括：在高信噪比環(huán)境下探測得到的數(shù)據(jù)序列[t,Q(z,T),T0]中，尋找一條高度z在0.1~3km范圍內(nèi)，lnQ(z,T)隨高度z呈線性變化的垂直探測數(shù)據(jù)序列[t
b
,Q
b
(z,T),T0
b
]。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的溫度拉曼激光雷達(dá)在線標(biāo)定方法，其特征在于：所述適宜標(biāo)定的垂直探測數(shù)據(jù)序列的獲取方法，包括：以高度z為橫坐標(biāo)，lnQ(z,T)為縱坐標(biāo)，采用下式計算相關(guān)系數(shù)R：
，其中，X
i
為高度z，X
i<...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：施奇兵，王明，王耀東，
申請(專利權(quán))人：合肥中科光博量子科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：