一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光雷达大气探测技术领域，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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003]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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 本发明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：
[0007] 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；
[0008] 步骤2、计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数&(ζ);
[0009] 步骤3、计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数i32(Jlciw，T，z);
[0010] 步骤4、求解大气温度廓线T(z)。
[0011] 本发明的特点还在于：
[0012] 步骤2计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数&( ζ )，具体为：
[0013]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(ζ);
[0014] 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&(九_，如(2)，2):
[0015]
[0016] 其中
'〃·，g为核自转的统计权重，h为普 朗克常数，B〇为分子转动常数，％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，tQ(z)为同步探空数据所得高度z处的已知大气温度，ΔΑ为 拉曼频移，E(J high)为与转动高量子数Jhigh、振动基态离心扭曲常量Do以及分子转动常数B〇 有关的转动能量；
[0017]步骤2.3、求解高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数&( z):
[0018]
[0019] 其中，z为高度，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。
[0020] 步骤3计算低量子数转动拉曼散射通道的后向散射系数
[0021] 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&(ζ)近似相等，即C 2(z) ?&(Ζ)，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 (Ji?，Τ，ζ):
[0022]
[0023] 其中，P2(JlOT，T，z)为低量子数转动拉曼散射回波信号强度。[0024] 步骤4求解大气温度廓线T(z)，具体为：[0025] 步骤4.1、通过分离变量，寻求大气后向散射系数i32(Jlciw，T，z)与温度Τ的函数关 系，表不为：
[0028] 1，[巧人"(^+1)-私名"(/,。《+丨):]如，飞(11。,)为与转动高量子数乃。,、振动基态离心扭曲常量Do以及分子转动常数B〇有关的转动能量；[0029]步骤4.2、以1/T为自变量精确求解大气温度廓线T(z):
[0026]
[0027]
[0030]
[0031 ]本发明的有益效果是:本发明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：
[0032] 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；
[0033] 2)其反演过程避免了校正常数的不稳定性；
[0034] 3)反演获得的大气温度高度大大提高；
[0035] 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】
[0036] 图1是本发明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；
[0037]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；
[0038]图3是实施例1的利用传统算法和本发明方法反演获得的温度廓线比较；
[0039]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；
[0040] 图5是实施例2的利用传统算法和本发明方法反演获得的温度廓线比较。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0042] 本发明一种基于转动拉曼激光雷达反演大气温度的方法，流程如图1所示，具体按 照以下步骤：
[0043] 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；
[0044] 步骤2、计算高量子数转动拉曼散射通道的伪通道常数&(z)，具体为：
[0045]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(ζ);
[0046] 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&(九_，如(2)，2):
[0047]
[0048] 其中，
；，g为核自转的统计权重，h为普 朗克常数，B〇为分子转动常数，％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，tQ(z)为同步探空数据所得高度z处的已知大气温度，Ail为 拉曼频移，E(J high)为与转动高量子数Jhigh、振动