CN102508222B - 一种中高层大气风场反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中高层大气风场反演方法，包括：确定三个探测方向，所述三个探测方向包括第一探测方向、第二探测方向和第三探测方向，所述第一探测方向的天顶角为φ₁、其方位角为θ₁，所述第二探测方向的天顶角为φ₂、其方位角为θ₂，所述第三探测方向的天顶角为0°，所述θ₁和θ₂相差90°，所述φ₁和φ₂相同、大于0°且小于90°；分别反演所述第一探测方向上的径向风速V_r1、第二探测方向上的径向风速V_r2和第三探测方向上的径向风速V_r3；在预先构建的三维坐标系中，根据所述V_r1、V_r2和V_r3计算大气风场的水平风速V_h、以及所述大气风场的方向与所述三维坐标系中X轴正方向之间的角度γ。本发明公开的中高层大气风场反演方法，缩短了测量时间，从而提高了时间分辨率。

Description

一种中高层大气风场反演方法

技术领域

本发明属于激光雷达探测技术领域，尤其涉及一种中高层大气风场反演方法。

背景技术

中高层大气风场参数是空间物理学研究的重要参数之一，结合空间物理的理论探索，能够揭示空间的物理现象以及内含的相互作用和因果关系，同时中高层大气风场参数在气象研究、天气预报、大气环境监测和国防高技术等方面都具有广泛的应用。

激光多普勒遥感测量已经有几十年的发展过程，所采用的多普勒测量技术包括相干(外差)技术和非相干技术。其中，非相干技术对光学***的要求不高、容易实现和加工，其应用范围还扩展到分子散射的探测。非相干***利用大气粒子产生的多普勒频移直接得到径向速度分布，是目前测量大气风场的最有利的工具，并且非相干***具有测量精度高、分辨率高和三维风场信息等特点。目前国际普遍采用直接接收(非相干)激光雷达作为大气风场测量的手段。

多普勒测风激光雷达径向单波束探测得到的是水平风场在该探测方向的径向分量，在适当的扫描方式下，多波束组合即可反演得到三维风场。目前，多普勒测风激光雷达采用具有固定仰角和相同间隔方位角的四个波束的扫描方式，即采用四波束进行风场反演，原理如图1所示。

以正东方向为X轴正方向，正北方向为Y轴正方向，天顶的方向为Z轴正方向建立坐标系，激光的发射仰角为θ，分别探测四个径向的风场，从而反演东西南北四个方向的径向风速，径向风速是指实际风速在激光束指向的这个方向上的分量值。一般规定正北方向为0°，东、南、西按顺时针依次为90°、180°和360°，获得径向风速V_ri。

$V_{\mathrm{ri}}=v_{\mathrm{di}}\frac{\mathrm{\λ}}{2}$ i＝N，S，E，W    (1)

式(1)中：v_di为多普勒频移，λ为激光波长，根据几何关系可得：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{rN}}=V_y\cos \mathrm{\θ}+V_z\sin \mathrm{\θ}\\ V_{\mathrm{rE}}=V_x\cos \mathrm{\θ}+V_z\sin \mathrm{\θ}\\ V_{\mathrm{rS}}=-V_y\cos \mathrm{\θ}+V_z\sin \mathrm{\θ}\\ V_{\mathrm{rW}}=-V_x\cos \mathrm{\θ}+V_z\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

经过推导可得大气风场在x轴、y轴、z轴的各自分量为：

$V_x=\frac{V_{\mathrm{rE}}-V_{\mathrm{rW}}}{2\cos \mathrm{\θ}}$ $V_y=\frac{V_{\mathrm{rN}}-V_{\mathrm{rS}}}{2\cos \mathrm{\θ}}$ $V_z=\frac{V_{\mathrm{rE}}+V_{\mathrm{rW}}+V_{\mathrm{rN}}+V_{\mathrm{rS}}}{4\sin \mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

则水平风速大小V_h和方向γ分别为：

$V_h=\sqrt{{\left(V_x\right)}^2+{\left(V_y\right)}^2}=\frac{1}{2\cos \mathrm{\θ}}{[{(V_{\mathrm{rE}}-V_{\mathrm{rW}})}^2+{(V_{\mathrm{rN}}-V_{\mathrm{rS}})}^2]}^{1/2}$ (4)

γ＝arctan(V_x/V_y)+π{1-sign[(V_y+|V_y|)·V_x]}V_y≠0

在传统的大气风场反演方法中，需要通过多普勒测风激光雷达反演大气层中四个方向的径向风速，在反演径向风速的过程中，首先向大气层某一预设方向发射激光信号，激光信号遇到大气分子产生瑞利后向散射，瑞利后向散射大气回波信号被接收，之后根据该方向的瑞利后向散射大气回波信号确定该方向上的多普勒频移，根据公式(1)确定大气层中该方向的径向风速，在获取大气层中四个预设方向的径向风速后，根据公式(3)和(4)计算水平风速大小和方向。

在实施过程中，要借助于一台多普勒测风激光雷达依次探测大气层中四个预设方向的径向风速，这导致大气风场测量时间较长，降低了时间分辨率，时间分辨率是指在同一区域进行的相邻两次风场观测或预报结果的最小时间间隔。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种中高层大气风场反演方法，可以缩短大气风场测试时间，提高时间分辨率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种中高层大气风场反演方法，包括：

确定三个探测方向，三个探测方向包括第一探测方向、第二探测方向和第三探测方向，所述第一探测方向的天顶角为φ₁、其方位角为θ₁，所述第二探测方向的天顶角为φ₂、其方位角为θ₂，所述第三探测方向的天顶角为0°，其中，所述θ₁和θ₂相差90°，所述φ₁和φ₂相同、大于0°且小于90°；

分别反演所述第一探测方向上的径向风速V_r1、第二探测方向上的径向风速V_r2和第三探测方向上的径向风速V_r3；

在预先构建的三维坐标系中，根据所述V_r1、V_r2和V_r3计算大气风场的水平风速V_h、以及所述大气风场的方向与所述三维坐标系中X轴正方向之间的角度γ。

优选的，在上述方法中，所述预先构建的三维坐标系，以正东方向为X轴正方向、以正北方向为Y轴正方向、以指向天顶方向为Z轴正方向，则

$V_h=\sqrt{V_x^2+V_y^2},$

γ＝arctan(V_x/V_y)+π{1-sign[(V_y+|V_y|)·V_x]}，其中，

$V_x=\frac{V_{r2}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1}\cos {\mathrm{\φ}}_2}{\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}-\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}{\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}$

$\×\frac{(V_{r3}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1})(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)+(V_{r2}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1}\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}{\left({\sin \mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\right)(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)-(\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}$

$V_y=\frac{(V_{r3}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1})(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)+(V_{r2}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1}\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}{\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\right)(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)-(\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}.$

优选的，在上述方法中，反演任意一个探测方向的径向风速的过程，包括：

向大气层中一个探测方向发射激光信号；

接收瑞利后向散射大气回波信号；

计算所述探测方向的多普勒频移v_d，v_d＝[R^-1(v₀+v_d，T_a)-T_L ^-1(v₀)]，其中，R^-1(v₀+v_d，T_a)为频率响应函数R(v₀+v_d，T_a)的反函数，T_L ^-1(v₀)为T_L(v₀)的反函数，

R(v₀+v_d，T_a)＝T_R1(v₀+v_d，T_a)/T_R2(v₀+v_d，T_a)，其中，T_R1(v₀+v_d，T_a)为瑞利后向散射大气回波信号经过F-P标准具第一信号通道的透过率，T_R2(v₀+v_d，T_a)为瑞利后向散射大气回波信号经过F-P标准具第二信号通道的透过率，

T_L(v₀)＝a₅I_Ls/(a₄I_Le)，其中，a₅为多普勒测风激光雷达接收机中第五探测器的校准常数，I_Le为所述第五探测器探测到的光强，a₄为所述多普勒测风激光雷达接收机中第四探测器的校准常数，I_Ls为所述第四探测器探测到的光强；

根据所述探测方向的多普勒频移，计算所述探测方向的径向风速。

优选的，在上述方法中，计算所述测量方向的多普勒频移过程中，所述温度T_a为模式温度。

优选的，在上述方法中，计算所述测量方向的多普勒频移过程中，所述温度T_a为实测温度；

确定所述实测温度的过程包括：

测量接收到的来自于所述第三探测方向的瑞利后向散射大气回波信号的光子数N(z)；

根据所述光子数计算所述大气层的大气密度ρ(z)，

其中，z₀为参考高度，ρ(z₀)为所述大气层中参考高度处的密度，N(z₀)为所述大气层中参考高度处的光子数；

根据所述大气密度计算所述大气层中被探测高度处的实际温度T(z)，

$T\left(z\right)=T\left(z_0\right)\frac{\mathrm{\ρ}\left(z_0\right)}{\mathrm{\ρ}\left(z\right)}\frac{M\left(z\right)}{M\left(z_0\right)}+\frac{M\left(z\right)}{R}{\∫}_z^{z_0}\frac{\mathrm{\ρ}\left(z^{\′}\right)g\left(z^{\′}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}^{\′},$ 其中，T(z₀)为所述参考高度处大气层的温度，M(z₀)为所述大气层中参考高度处的摩尔质量，M(z)为所述大气层中被探测高度处的摩尔质量，R为气体常数，g(z)为重力加速度。

优选的，在上述方法中，所述φ₁和φ₂为30°。

由此可见，本发明的有益效果为：本发明公开的中高层大气风场反演方法中，在对大气风场进行反演过程中，仅通过多普勒测风激光雷达对三个测量方向进行多普勒频移测试，之后分别计算各个方向的径向风速，最终根据三个测试方向的径向风速确定大气风场的水平风速和方向，由于整个大气风场反演过程中只需要测量三个测量方向的多普勒频移，与现有技术中测量四个测量方向的多普勒频移相比，缩短了测量时间，从而提高了时间分辨率。

另外，本发明在反演径向风速的过程中，采用被探测大气层的实测温度来计算多普勒频移，可以进一步提高大气风场数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的四波束扫描示意图；

图2为本发明公开的一种中高层大气风场反演方法的流程图；

图3为本发明公开的三波束扫描示意图；

图4为本发明公开的反演一个探测方向的径向风速的方法的流程图；

图5为现有的多普勒测风激光雷达接收机的结构示意图；

图6为本发明公开的一种三维坐标系中激光束的分解图；

图7为本发明中确定被探测大气层实测温度的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种中高层大气风场反演方法，可以缩短大气风场测试时间，提高时间分辨率。其基本原理为：在对大气风场进行反演过程中，仅通过多普勒测风激光雷达对三个测量方向进行多普勒频移测试，之后分别计算各个方向的径向风速，最终根据三个测试方向的径向风速确定大气风场的水平风速和方向，由于整个大气风场反演过程中只需要测量三个测量方向的多普勒频移，与现有技术中测量四个测量方向的多普勒频移相比，缩短了测量时间，从而提高了时间分辨率。

参见图2，图2为本发明公开的一种中高层大气风场反演方法的流程图。包括：

步骤S1：确定三个探测方向。

三个探测方向包括第一探测方向、第二探测方向和第三探测方向。其中，第一探测方向的天顶角为φ₁、其方位角为θ₁，第二探测方向的天顶角为φ₂、其方位角为θ₂，第三探测方向的天顶角φ₃为0°。并且，θ₁和θ₂相差90°，φ₁和φ₂相同、大于0°且小于90°。即第三探测方向为垂直向上，第一探测方向和第二探测方向为斜向上，并且第一探测方向在水平面上的投影与第二探测方向在水平面上的投影正交。该三波束的示意图请参见图3。

步骤S2：分别反演三个探测方向的径向风速。

利用多普勒测风激光雷达对三个探测方向进行径向风速反演的过程基本一致。其中，反演一个探测方向的径向风速的过程如图4所示，包括：

步骤S21：向大气层中一个探测方向发射激光信号。

步骤S22：接收瑞利后向散射大气回波信号。

当激光信号遇到大气分子后会产生瑞利后向散射，多普勒测风激光雷达可以接收该瑞利后向散射大气回波信号。

步骤S23：计算该探测方向的多普勒频移v_d。

v_d＝[R^-1(v₀+v_d，T_a)-T_L ^-1(v₀)]，其中，v₀为多普勒频移，v₀为激光发射频率，R^-1(v₀+v_d，T_a)为频率响应函数R(v₀+v_d，T_a)的反函数，T_L ^-1(v₀)为T_L(v₀)的反函数。

频率响应函数R(v₀+v_d，T_a)＝T_R1(v₀+v_d，T_a)/T_R2(v₀+v_d，T_a)，其中，T_R1(v₀+v_d，T_a)为瑞利后向散射大气回波信号经过F-P标准具第一信号通道的透过率，T_R2(v₀+v_d，T_a)为瑞利后向散射大气回波信号经过F-P标准具第二信号通道的透过率。F-P标准具两个信号通道的透过率可以表示为：

$T_{\mathrm{Ri}}(v_0+v_d,T_a)=h_i(v_0+v_d)\⊗f_L(v_0+v_d)\⊗f_{\mathrm{Ray}}(v_0+v_d,T_a)$

其中，f_L(v₀+v_d)为激光发射谱线，h_i(v₀+v_d)为F-P标准具透过率函数，f_Ray(v₀+v_d，T)为瑞利后向散射增宽谱线，T_a为温度，i＝1，2为两个信号通道，

表示卷积。

T_L(v₀)＝a₅I_Ls/(a₄I_Le)，其中，a₅为多普勒测风激光接收机中第五探测器的校准常数，I_Le为该第五探测器探测到的光强，a₄为多普勒测风激光雷达的接收机中第四探测器的校准常数，I_Ls为该第四探测器探测到的光强。多普勒测风激光雷达接收机的结构如图5所示，主要包括第一感测器101、第二探测器102、第三探测器103、第四探测器104和第五探测器105，其中，第五探测器105用于检测参考光的光强I_le，第四探测器104用于检测参考光透过F-P标准具后的光强I_Ls。

步骤S24：根据该探测方向的多普勒频移计算径向风速。

某个探测方向的径向风速由该探测方向的多普勒频移确定，径向风速与多普勒频移的关系为：

i＝1，2，3，其中，i表示三个探测方向，λ为激光波长。即某个探测方向的径向风速为该探测方向的多普勒频移与激光波长的乘积的1/2。

对每个探测方向分别执行步骤S21至S24的步骤后，就可以确定三个探测方向上的径向风速。

步骤S3：在预先构建的三维坐标系中，根据三个探测方向的径向风速计算大气风场的水平风速、以及大气风场的方向与三维坐标系中X轴正方向之间的角度。

确定三个探测方向的径向风速后，将其以向量的形式分别在预先建立的三维坐标系中进行表示，其中，向量的大小表示径向风速的大小、向量的方向表示探测方向。之后，基于三角函数公式计算大气风场的水平风速、以及大气风场的方向与该三维坐标系中X轴正半轴之间的角度。实施中，还可以进一步根据X轴正半轴所代表的实际方向和角度γ确定大气风场的方向。

图6为本发明公开的一种三维坐标系中激光束的示意图，该三维坐标系中，以正东方向为X轴正方向、以正北方向为Y轴正方向、以指向天顶方向为Z轴正方向。

第一探测方向r₁的单位矢量为： ${\stackrel{\→}{r}}_1={\sin \mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\·\stackrel{\→}{i}+\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\·\stackrel{\→}{j}+{\cos \mathrm{\φ}}_1\·\stackrel{\→}{k}.$ 式中，θ₁为第一探测方向r₁的方位角，φ₁为第一探测方向r₁的天顶角，

为x方向的单位矢量，

为y方向的单位矢量，为z方向的单位矢量。

以此类推，

第二探测方向r₂的单位矢量为： ${\stackrel{\→}{r}}_2={\sin \mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\·\stackrel{\→}{i}+\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\·\stackrel{\→}{j}+\cos {\mathrm{\φ}}_2\·\stackrel{\→}{k}.$ 其中，θ₂为第二探测方向r₂的方位角，φ₂为第二探测方向r₂的天顶角。

第三探测方向r₃的单位矢量为： ${\stackrel{\→}{r}}_3={\sin \mathrm{\φ}}_3\cos {\mathrm{\θ}}_3\·\stackrel{\→}{i}+\sin {\mathrm{\φ}}_3\sin {\mathrm{\θ}}_3\·\stackrel{\→}{j}+\cos {\mathrm{\φ}}_3\·\stackrel{\→}{k}.$ 其中θ₃为第三探测方向r₃的方位角，φ₃为第三探测方向r₃的天顶角。由于第三探测方向r₃为垂直向上，因此，θ₂和φ₃均为0°。

假定水平风矢量为： $\stackrel{\→}{V}=V_x\·\stackrel{\→}{i}+V_y\·\stackrel{\→}{j}+V_z\·\stackrel{\→}{k},$ 则三个径向风速为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{r1}=V_x\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+V_y\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1+V_z\cos {\mathrm{\φ}}_1\\ V_{r2}=V_x\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2+V_y\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2+V_z\cos {\mathrm{\φ}}_2\\ V_{r3}=V_x\sin {\mathrm{\φ}}_3\cos {\mathrm{\θ}}_3+V_y\sin {\mathrm{\φ}}_3\sin {\mathrm{\θ}}_3+V_z\cos {\mathrm{\φ}}_3\end{array}\right.$

可求得：

$V_x=\frac{V_{r2}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1}\cos {\mathrm{\φ}}_2}{\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}-\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}{\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}$

$\×\frac{(V_{r3}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1})(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)+(V_{r2}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1}\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}{\left({\sin \mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\right)(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)-(\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}$

$V_y=\frac{(V_{r3}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1})(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)+(V_{r2}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1}\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}{\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\right)(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)-(\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}.$

大气层风场的水平风速大小、以及风场方向与三维坐标系中X轴正半轴之间的夹角分别为：

$V_h=\sqrt{V_x^2+V_y^2}$

γ＝arctan(V_x/V_y)+π{1-sign[(V_y+|V_y|)·V_x]}  V_y≠0

当然，三维坐标系可以采用多种形式，而并不限于上述公开的形式。优选的，以指向天顶的方向为Z轴的正半轴，以正南、正北、正东和正西四个方向中相邻的两个方向作为X轴的正半轴和Y轴的正半轴，此时，可以降低确定V_x和V_y的计算量。

本发明上述公开的中高层大气风场反演方法中，在对大气风场进行反演过程中，仅通过多普勒测风激光雷达对三个测量方向进行多普勒频移测试，之后分别计算各个方向的径向风速，最终根据三个测试方向的径向风速确定大气风场的水平风速和方向，由于整个大气风场反演过程中只需要测量三个测量方向的多普勒频移，与现有技术中测量四个测量方向的多普勒频移相比，缩短了测量时间，从而提高了时间分辨率。

实施中，在计算某个探测方向的多普勒频移的过程中，温度T_a可以采用模式温度，该模式温度由本领域技术人员惯用的标准温度，但是大气层的温度受到很多因素的影响，因此模式温度与被探测大气层的实际温度可能存在一定差异。为了进一步提高大气风场数据的准确性，本发明中优选被探测大气层的实测温度作为计算多普勒频移的参量。

参见图7，图7为本发明中确定被探测大气层实测温度的方法的流程图。包括：

步骤S101：测量接收到的来自于第三探测方向的瑞利后向散射大气回波信号的光子数N(z)。

在多普勒测风激光雷达接收到来自于第三探测方法的瑞利后向散射大气回波信号之后，通过光子计数探测器测量该回波信号的光子数，记为N(z)。

步骤S102：根据该光子数计算所述大气层的大气密度ρ(z)。

激光雷达方程为：

$N\left(z\right)=\frac{c_q\mathrm{\ρ}\left(z\right)}{z^2}\exp [-2\underset{0}{\overset{z}{\∫}}\mathrm{\σ}\left(z^{\′}\right)\mathrm{dz}]---\left(5\right)$

在式(5)中，c_q为***常数，ρ(z)为大气密度，σ(z)为大气消光系数，N(z)为光子数。

在中高空，大气的消光系数很小，则式(5)可以简化为

取某高度z₀为参考高度，可得：

$N\left(z_0\right)=\frac{c_q\mathrm{\ρ}\left(z_0\right)}{z^2}---\left(6\right)$

联立式(5)和式(6)可求得大气密度廓线：

$\mathrm{\ρ}\left(z\right)=\frac{N\left(z\right)z^2\mathrm{\ρ}\left(z_0\right)}{N\left(z_0\right){z_0}^2}---\left(7\right)$

在式(7)中，z为要探测的高度，z₀为设定的参考高度，ρ(z₀)为大气层中参考高度处的密度，N(z₀)为从参考高度处接收的光子数，N(z)为从要探测高度处接收的光子数。

步骤S103：根据大气密度计算大气层中被探测高度处的实际温度T(z)。

理想气体方程为：

pV＝mRT/M＝nRT    (8)

在式(8)中，p为状态参量压强，V为体积，m为质量，M为摩尔质量，R为气体常量，T为绝对温度，n为物质的量。

$P\left(z\right)=\underset{z}{\overset{\∝}{\∫}}\mathrm{\ρgdz}---\left(9\right)$

式(9)表示高度z处的气压等于从该高度到大气上界的单位面积气柱所受的重力。

将式(7)代入式(8)和式(9)，可以求得大气温度廓线T(z)：

$T\left(z\right)=T\left(z_0\right)\frac{\mathrm{\ρ}\left(z_0\right)}{\mathrm{\ρ}\left(z\right)}\frac{M\left(z\right)}{M\left(z_0\right)}+\frac{M\left(z\right)}{R}{\∫}_z^{z_0}\frac{\mathrm{\ρ}\left(z^{\′}\right)g\left(z^{\′}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}^{\′}---\left(10\right)$

其中，T(z₀)为参考高度处大气层的温度，M(z₀)为大气层中参考高度处的摩尔质量，M(z)为大气层中被探测高度处的摩尔质量，R为气体常数，g(z)为重力加速度。

执行上述步骤S101至S103后，可以确定大气层被探测高度处的实测温度，将该实测温度用于计算多普勒频移的过程，可以提高多普勒频移的精度，最终提高大气风场反演数据的准确性。

实施中，当第一探测方向的天顶角φ₁和第二探测方向的天顶角φ₂很小时，会增大多普勒测风激光雷达中望远镜的安装难度，当第一探测方向的天顶角φ₁和第二探测方向的天顶角φ₂很大时，对多普勒测风激光雷达中激光器的能量要求较高。因此，本发明中可以设置φ₁和φ₂位于30°～60°之间，一方面降低了望远镜的安装难度，另一方面也降低了对激光器能量的要求。

优选的，将φ₁和φ₂设置为30°。

另外，可以调整第一探测方向和第二探测方向，使得第一探测方向和第二探测方向在水平面的投影为正南、正北、正东和正西中相邻的两个，此时，V_x和V_y的计算公式被简化，从而为了降低计算大气风场的水平风速和方向的运算量。

例如，在图3中，在三维坐标系以正南方向为X轴正方向、以正东方向为Y轴正方向、以指向天顶的方向为Z轴正方向，同时，第一探测方向的方位角θ₁为0°、天顶角φ₁为30°，第二探测方向的方位角θ₂为90°、天顶角φ₂为30°，第三探测方向的方位角θ₃为0°、天顶角φ₃为0°。

求得， $\left\{\begin{array}{c}{V}_x=2V_{r1}-\sqrt{3}{V}_{r3}\\ V_y=2V_{r2}-\sqrt{3}{V}_{r3}\\ V_z=V_{r3}\end{array}\right.$

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种中高层大气风场反演方法，其特征在于，包括：

确定三个探测方向，所述三个探测方向包括第一探测方向、第二探测方向和第三探测方向，所述第一探测方向的天顶角为φ₁、其方位角为θ₁，所述第二探测方向的天顶角为φ₂、其方位角为θ₂，所述第三探测方向的天顶角为0°，其中，所述θ₁和θ₂相差90°，所述φ₁和φ₂相同、大于0°且小于90°；

分别反演所述第一探测方向上的径向风速V_r1、第二探测方向上的径向风速V_r2和第三探测方向上的径向风速V_r3，包括：

向大气层中一个探测方向发射激光信号；

接收瑞利后向散射大气回波信号；

计算所述探测方向的多普勒频移ν_d，ν_d=[R^-1(ν₀+ν_d,T_a)-T_L ^-1(v₀)],其中，R^-1(ν₀+ν_d,T_a)为频率响应函数R(ν₀+ν_d,T_a)的反函数，T_L ^-1(v₀)为T_L(v₀)的反函数；

R(ν₀+ν_d,T_a)=T_R1(v₀+v_d,T_a)/T_R2(v₀+v_d,T_a),其中，所述F-P标准具包括：第一信号通道、第二信号通道和L信号通道，T_R1(v₀+v_d,T_a)为瑞利后向散射大气回波信号经过F-P标准具第一信号通道的透过率，T_R2(v₀+v_d,T_a)为瑞利后向散射大气回波信号经过F-P标准具第二信号通道的透过率；

T_L(ν₀)=a₅I_Ls/(a₄I_Le)，其中，多普勒测风激光雷达接收机包括第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器和第五探测器，其中，第五探测器用于检测参考光的光强I_le，第四探测器用于检测参考光透过F-P标准具后的光强I_Ls，a₅为多普勒测风激光雷达接收机中第五探测器的校准常数，I_Le为所述第五探测器探测到的光强，a₄为所述多普勒测风激光雷达接收机中第四探测器的校准常数，I_Ls为所述第四探测器探测到的光强；

根据所述探测方向的多普勒频移，计算所述探测方向的径向风速；

所述温度T_a为实测温度；

在预先构建的三维坐标系中，根据所述V_r1、V_r2和V_r3计算大气风场的水平风速V_h、以及所述大气风场的方向与所述三维坐标系中X轴正方向之间的角度γ。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先构建的三维坐标系，以正东方向为X轴正方向、以正北方向为Y轴正方向、以指向天顶方向为Z轴正方向，则

$V_h=\sqrt{V_x^2+V_y^2},$

$\mathrm{\γ}=\arctan (V_x/V_y)+\π\{1-\mathrm{sign}[(V_y+|V_y\left|\right)\·V_x\left]\right\},$ 其中，

$V_x=\frac{V_{r2}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1}\cos {\mathrm{\φ}}_2}{\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}-\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}{\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}$

$\×\frac{(V_{r3}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1})(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)+(V_{r2}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1}\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}{\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\right)(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)-(\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}$

$V_y=\frac{(V_{r3}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1})(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)+(V_{r2}\cos {\mathrm{\φ}}_1-V_{r1}\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}{\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\right)(\sin {\mathrm{\φ}}_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)-(\sin {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-\sin {\mathrm{\φ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\cos {\mathrm{\φ}}_2)\left(\sin {\mathrm{\φ}}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)}.$

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述测量方向的多普勒频移过程中，确定所述实测温度的过程包括：

测量接收到的来自于所述第三探测方向的瑞利后向散射大气回波信号的光子数N(z)；

根据所述光子数计算所述大气层的大气密度ρ(z)，

其中，z₀为参考高度，ρ(z₀)为所述大气层中参考高度处的密度，N(z₀)为所述大气层中参考高度处的光子数；

根据所述大气密度计算所述大气层中被探测高度处的实际温度T(z)，

$T\left(z\right)=T\left(z_0\right)\frac{\mathrm{\ρ}\left(z_0\right)}{\mathrm{\ρ}\left(z\right)}\frac{M\left(z\right)}{M\left(z_0\right)}+\frac{M\left(z\right)}{R}{\∫}_z^{z_0}\frac{\mathrm{\ρ}\left(z^{\′}\right)g\left(z^{\′}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(z\right)}d{z}^{\′},$ 其中，T(z₀)为所述参考高度处大气层的温度，M(z₀)为所述大气层中参考高度处的摩尔质量，M(z)为所述大气层中被探测高度处的摩尔质量，R为气体常数，g(z)为重力加速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述φ₁和φ₂为30°。

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