瑞利散射多普勒激光雷达风场反演方法

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vol．60，No．6(2011)060704*瑞利散射多普勒激光雷达风场反演方法1)2)3)1)3)沈法华舒志峰孙东松王忠纯薛向辉3)3)陈廷娣窦贤康1)(盐城师范学院物理系，盐城224002)2)(中国科学院安徽光学精密机械研究所，合肥230031)3)(中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥230026)(2010年8月13日收到;2010年9月24日收到修改稿)介绍了瑞利散射多普勒激光雷达的风场探测原理和系统结构．给出了Fabry-Perot(FP)标准具透过率曲线的校准方法．指出对透过率采用Lo

2、rentz或Voigt拟合会产生较大误差，特别是采用Lorentz拟合最大将引起8%的误差．提出了采用非线性最小二乘法拟合标准具的透过率函数，该方法可以有效消除拟合误差，提高风速测量精度．考虑到温度不确定度在风场反演过程中的主导影响，提出了同时反演风速和大气温度的非线性迭代算法．风场反演仿真试验结果表明:在不考虑米散射信号的影响下，该反演算法与传统的反演方法相比能够有效提高风场反演精度;在考虑了米散射信号的影响下，该方法反演精度会降低，但仍优于传统的风速反演方法．关键词:激光雷达，瑞利散射，多普勒，风PACS:07．07．Df，42．68．W

3、t，42．79．Qx，92．60．Gn渊散射，这使得瑞利散射测风激光雷达的风速反演［9］1.引言变得较为复杂，选择合适的风速反演方法对提高风速测量精度具有重要的意义．瑞利-布里渊散射的高精度、高分辨率的全球大气风场观测在气象谱线形状与大气温度和压强有关，它通常采用Tenti［10］研究、天气预报、大气环境监测等方面都具有广泛S6模型描述．模型中的参量y为激光波长与平的应用．目前，直接探测多普勒测风激光雷达是能均自由程的比，y越小瑞利-布里渊散射谱线形状越够实现全球范围3维风场测量的最有效工具．直接接近瑞利高斯线形．图1是利用TentiS6模型

4、得到探测测风激光雷达对大气风场的测量主要利用了的355nm瑞利-布里渊散射归一化谱线．可以看出，气溶胶或分子作为后向散射目标．在气溶胶散射较在10km以上该谱线与瑞利-高斯谱线在测风所用强的区域，一般在低对流层或边界层附近，米散射到的区域已基本重合，此时布里渊散射的影响可以测风激光雷达提供了高频谱分辨率和高灵敏度测忽略．而本文瑞利散射多普勒测风激光雷达的探测［1—3］量的可能性．但是在对流层上端至平流层顶区指标为10—40km，故分析中不考虑布里渊散射的域以及南半球的大部分地区和海洋中部地区的自影响．由对流层内，气溶胶浓度一般很低，此时就需要

5、利用瑞利散射测风激光雷达．虽然较宽的分子后向散2.测量原理及系统结构射频谱限制了风速测量的灵敏度，但是分子散射提供了一个全球范围内相对稳定可靠的散射源，这对如图2所示，利用频谱分布相同而中心频率分于高层大气风速测量以及星载风场测量是特别重开的两个FP标准具(标准具1和标准具2)作为边［4—8］要的．缘滤波器，它们的透过率位于瑞利散射谱的两翼．然而，瑞利散射谱宽与温度有关，同时激光与假定输入光强相同并且发射激光频率严格位于透大气分子相互作用时还存在着与压强有关的布里过率的交点处，若大气后向散射信号由于风场作用*江苏省高校自然科学研究基金(批准号

6、:10KJB170012)和安徽省国际科技合作计划(批准号:09080703032)资助的课题．通讯联系人．E-mail:shuzhif@mail．ustc．edu．cn2011中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb．iphy．ac．cn060704-1物理学报ActaPhys．Sin．Vol．60，No．6(2011)060704收，然后通过多模光纤耦合进入接收机．进入接收机的信号光经过准直镜和窄带宽滤光片之后，被分束片分为3束，其中两束入射到三通道FP标准具的两个边缘通道，另一束作为能量检测

7、通道，分别由PerkinElmer公司生产的3个CPM光子计数探测器接收．激光在扩束前，分出一小部分耦合至1×2光纤一端，进入200m的散射光纤，利用光纤后向散射将脉冲光展宽成准连续光作为参考光，然后从1×2光纤另一端耦合进入接收机．进入接收机的参考光经过准直镜、滤光片之后，被分束片分为两束，其中一束入射到三通道FP标准具的锁定通道，另一束图1参数y取不同值时的瑞利布里渊归一化谱线作为能量检测通道，分别由Hamamatus公司生产的的两个PMT模拟探测器接收．光子探测器和模拟探测器的输出信号分别进入到光子计数卡和进行模数转换，再由计算机进行数

8、据处理、存储以及风速反演和结果显示．雷达系统的激光器、扫描仪、探测器、FP标准具的PZT等均通过RS232串口由计算机控制．其中双通道标准具的设计考虑了测量误差最小