基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统及方法

本发明涉及激光雷达探测波长监测，尤其涉及一种基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统及方法，也可以用于全天时中高层大气多普勒探测激光雷达探测波长实时监测。

背景技术：

1、目前中高层大气多普勒探测激光雷达多以钠原子为示踪物，除了可以得到高空钠层的密度廓线及其演化过程，更重要的是可以实现中层顶区域温度及风场的探测。其探测原理是通过对高空钠原子多普勒增宽和多普勒频移的高分辨探测，通过发射三个可以快速切换的特定激光的频率，分别探测各个高度上这三个不同频率处的回波信号强度，在结合钠原子光谱结构的谱线函数，就可以反推出各个高度上的大气风场、温度。

2、发射激光波长的定标和波长长期稳定对风温激光雷达来说至关重要，它会直接影响到回波信号质量以及大气探测风场、温度探测的精度。目前，发射激光波长的锁定一般采用的是饱和吸收稳频技术，将激光波长锁定在钠原子d2线超精细结构峰上，以满足精确大气风场探测的要求。但是在实际运行的激光雷达系统中，经常会存在一些异常化情况，比如由于进入饱和吸收稳频系统的连续激光功率不稳定，就会使得d2线超精细结构精细度不高，导致稳频单元并没有将其锁在超精细结构峰上；或者是由于进入饱和吸收稳频系统的激光波长漂移或突变，会存在稳频单元短时间内无法找到超精细结构峰而脱锁的现象；这些情况会使稳频单元无法重新锁定d2线超精细结构峰，而导致频率偏移。如果此时不能及时纠正发射激光波长，那么探测数据不但会产生较大误差，甚至是采集数据无效。

3、并且根据已有文献结果(krueger，joe she al.,applied optics，p9469-9489，2015；徐丽等，地球物理学报，2010)可知，风温误差正比于频率误差，对于激光频率误差导致的风温结果误差，1mhz产生的误差，将会产生0.2k温度和0.67m/s的风场误差。

4、目前，激光雷达也包括中高层风温激光雷达，波长实时监测多采用波长计实现。利用波长计监测有如下几个点需要注意：首先，波长计实时监测波长的方法是根据多光束干涉法获取激光波长，这个测量结果与入射激光的状态是相关的，使得测试的结果存在不准确的因素；其次，波长计测量波长精度是否能达到原子离子共振峰要求波长的精度？再次，波长计在工作时需要定时校准，这将增加实验工作量；最后，高精度波长计价格昂贵，将大大增加实验成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种中高层大气多普勒激光雷达探测波长的实时监测系统和方法，可以实时判定激光雷达探测波长的准确性，提高风场、温度或者速度探测结果的精度。

2、为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。

3、本发明提出了一种基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，所述系统包括：回波信号采集子系统和回波信号分析子系统；其中，

4、所述回波信号采集子系统，用于采集中高层大气多普勒探测激光雷达接收到的不同方向上不同频率的金属成分共振产生的回波信号；

5、所述回波信号分析子系统，用于分别对每个方向上不同频率的回波信号进行处理和分析，并根据分析结果判断激光雷达探测波长是否准确。

6、作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括：数据预处理子系统，用于对采集到的不同方向、不同频率的回波信号进行预处理，所述预处理包括：对回波信号进行分类整理存储、对回波信号进行质量检测以及根据质量检测结果对回波信号进行剔除。

7、作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括：中央控制子系统，用于根据回波信号分析子系统给出的激光雷达发射波长判断信息，向激光雷达发射相应命令，将激光雷达发射波长调整至相应正确探测波长。

8、作为上述技术方案的改进之一，所述回波信号采集子系统，包括至少三个不同方向的数据采集装置；所述三个不同方向包括天顶、天顶偏东或偏西和天顶偏北或偏南；

9、每个方向的数据采集装置，用于采集各自方向上至少三个不同频率的金属成分共振产生的回波信号；所述三个不同频率包括f0、f+＝f0+δf、f-＝f0-δf，其中f0为峰值工作频率，δf为激光雷达设定的频移量。

10、作为上述技术方案的改进之一，所述回波信号分析子系统的处理过程具体包括：

11、获取每个方向的至少三个频率的各个频率回波光子信号计数值na；

12、对na进行非线性校正，获得每个方向至少三个频率的回波光子信号计数值nb；

13、对nb进行高度和时间积分，得到回波信号nc；

14、对nc进行扣除背景噪声，获得扣除背景噪声后的回波信号ne；

15、对ne进行参考高度瑞利信号归一化，得到每个方向至少三个频率的各个频率归一化回波信号，其中，f0的归一化回波信号nf0，f-的归一化回波信号nf-，f+的归一化回波信号nf+；

16、比较nf0、nf-和nf+，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确。

17、作为上述技术方案的改进之一，所述背景噪声为170-190km的回波信号平均。

18、作为上述技术方案的改进之一，所述比较nf0、nf-和nf+，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确，具体包括：

19、如果nf0最大，且nf-和nf+在示踪金属成分探测的高度范围内重合，则判定激光雷达探测波长正确无误；

20、如果nf0不是最大，或nf-和nf+未在示踪金属成分探测的高度范围内重合，则判定激光雷达探测波长偏移。

21、作为上述技术方案的改进之一，所述比较nf0、nf-和nf+，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确，具体包括：

22、如果光子数比值nf+/nf-等于示踪金属成分探测的高度设定的温度的三频相对谱线强度比值，则判定激光雷达探测波长正确无误；

23、如果光子数比值nf+/nf-不等于示踪金属成分探测的高度设定的温度的三频相对谱线强度比值，则判定激光雷达探测波长偏移。

24、作为上述技术方案的改进之一，所述回波信号分析子系统包括：白天回波信号分析装置和/或夜间回波信号分析装置，分别用于对白天和/或夜间采集的每个方向上不同频率的回波信号进行分析，并根据分析结果判断中激光雷达探测波长是否准确；其中，所述白天回波信号分析装置还用于对非线性校正完后的回波光子信号进一步进行透射率的修正处理。

25、本发明还提出了一种基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的方法，基于上述之一所述系统实现，所述方法包括：

26、采集中高层大气多普勒探测激光雷达接收到的不同方向上不同频率的金属成分共振产生的回波信号；

27、利用回波信号分析子系统分别对每个方向上不同频率的回波信号进行处理和分析，并根据分析结果判断激光雷达探测波长是否准确。

28、本发明与现有技术相比优点在于：

29、1、本发明提出利用中高层大气多普勒激光雷达的回波信号来判断探测波长的准确性，避免了由于锁频系统失锁导致的探测波长不准导致探测结果不准确；

30、2、相较于已有的的波长计探测方法，参照背景技术中所述的可能产生的不准确因素以及成本问题，本方法利用原子的共振产生的后向回波信号判断监测，准确性在原子量级，判断结果真实可信，并且节约了成本；

31、3、本发明可以实时直观的判断中高层大气多普勒激光雷达探测波长的准确性，提高了风温探测结果的精度。