CN106093965A

CN106093965A - 一种用于测量大气风速和温度的方法

Info

Publication number: CN106093965A
Application number: CN201610676753.3A
Authority: CN
Inventors: 闫召爱; 胡雄; 郭文杰
Original assignee: National Space Science Center of CAS
Current assignee: National Space Science Center of CAS
Priority date: 2016-08-16
Filing date: 2016-08-16
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2036-08-16
Also published as: CN106093965B

Abstract

本发明提供了一种测量大气风场和温度的方法，所述的方法通过选取一碘分子吸收光谱线上的三个频率点位置，发射相应频率的激光，在这三个频率中，其中至少有一个频率的激光大气散射信号对碘分子吸收光谱仪的透过率变化受风速影响比较大，其中至少有一频率的激光大气散射信号对碘分子吸收光谱仪的透过率变化受温度影响比较大，并根据多普勒频移和展宽引起的大气散射信号在三个频率处强度的变化同时计算得到大气风速和温度，避免了由大气温度不确定性所带来的大气风速反演误差，从而提高了测量大气风速的精度。

Description

一种用于测量大气风速和温度的方法

技术领域

本发明涉及大气探测技术领域，具体涉及一种用于测量大气风速和温度的方法。

背景技术

碘分子具有丰富的吸收谱线，可以作为频率标准用来稳定激光频率，以及测量激光大气散射信号的光谱频率和宽度变化。在基于碘分子吸收光谱仪的532nm的多普勒激光雷达中，碘分子的1109(或者1110，或者1111)号吸收光谱线可以用来稳定532nm激光器激光频率，并测量大气散射光信号的频率变化，根据多普勒频移效应得到风速。碘分子吸收光谱线具有两个吸收强度随频率迅速变化的边缘，可以利用其中一个或者两个边缘进行测量。

在现有技术中，测量风速的方法为：利用532nm多普勒激光雷达将发射的激光频率稳定在碘分子吸收光谱线一个边缘的中间位置，然后测量激光大气散射信号通过碘分子吸收光谱仪的透过率变化，得到多普勒频移量，进而获得风速。为了提高风速的测量精度，532nm多普勒激光雷达将发射的激光频率稳定在碘分子吸收光谱线两个边缘的中间位置，由于两个边缘的光谱吸收强度变化随频率变化的方向不同，增加了测量的灵敏度。

研究表明，在利用大气散射信号的多普勒频移进行大气风速测量时，需要考虑大气温度引起的大气散射信号多普勒展宽影响。以上这些基于碘分子吸收光谱仪的532nm的多普勒激光雷达在工作时，若利用大气瑞利散射信号的多普勒频移进行大气风速测量，必须考虑大气瑞利散射信号的光谱宽度，即大气的温度。目前，基于碘分子吸收光谱仪的532nm多普勒激光雷达在工作时，都是利用其它手段获得大气温度后(例如大气模式、激光雷达拉曼测温方法、激光雷达瑞利信号积分法等)，再进行大气风速的反演。而大气温度的不准确性会影响大气风速的测量精度，若再使用其它测量手段获得大气温度，会影响激光雷达的使用灵活性。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决上述现有的测量大气风场和温度方法存在测量精度低的技术问题，提供一种测量大气风速和温度的方法，利用该方法能够同时测量大气风速和温度，解决目前多普勒激光雷达在测量大气风速时需要的大气温度的问题，并能够提高测量大气风速的精度。

为了实现上述目的，本发明提供的一种测量大气风场和温度的方法，包括：

步骤1)依次向大气发射532nm处碘分子吸收光谱线上的三个不同频率的激光；

步骤2)依次接收三个不同频率激光的大气瑞利散射信号；

步骤3)测量得到透过碘分子吸收光谱仪的三个不同频率的大气瑞利散射信号所对应的光强N₀(V,T)、N_M(V,T)、N_P(V,T)，定义激光雷达风速测量比和激光雷达温度测量比分别为：

R_{W} = \frac{N_{P} (V, T) - N_{M} (V, T)}{N_{0} (V, T)}

R_{T} = \frac{N_{0} (V, T)}{N_{P} (V, T) + N_{M} (V, T)}

则有测量得到的大气的风速值和温度值分别为：

V = \frac{R_{W}}{S_{W}} = \frac{N_{P} (V, T) - N_{M} (V, T)}{N_{0} (V, T) S_{W}}

T = \frac{R_{T}}{S_{T}} = \frac{N_{0} (V, T)}{(N_{P} (V, T) + N_{M} (V, T)) S_{T}}

其中，S_W和S_T分别表示风速测量灵敏度和温度测量灵敏度。

所述的风速测量灵敏度为风速变化1m/s所引起的风速测量比的变化量，其表示为：

S_{W} = \frac{\partial R_{W}}{\partial V}

所述的温度测量灵敏度为温度变化1K引起的温度测量比的变化量，其表示为：

S_{T} = \frac{\partial R_{T}}{\partial T} .

作为上述技术方案的进一步改进，所述的三个激光的频率分别位于：碘分子吸收光谱线的中心频率附近、距中心频率以前1GHz处、距中心频率以后1GHz处。

本发明的一种测量大气风速和温度的方法优点在于：

本发明的方法通过选取一碘分子吸收光谱线上的三个频率点位置，发射相应频率的激光，在这三个频率中，其中至少有一个频率的激光大气散射信号对碘分子吸收光谱仪的透过率变化受风速影响比较大，其中至少有一频率的激光大气散射信号对碘分子吸收光谱仪的透过率变化受温度影响比较大，并根据多普勒频移和展宽引起的大气散射信号在三个频率处强度的变化同时计算得到大气风速和温度，避免了由大气温度不确定性所带来的大气风速反演误差，从而提高了测量大气风速的精度。

附图说明

图1为本发明中的一种测量大气风速和温度的方法流程图。

图2是碘分子吸收光谱线与不同温度下的大气瑞利散射信号透过率曲线的关系视图。

图3是碘分子吸收光谱线与不同风速下的大气瑞利散射信号透过率曲线的关系视图。

图4是不同大气风速和温度下的大气瑞利散射信号的风速测量比值和温度测量比值。

附图标记

1、碘分子吸收光谱线 2、相对激光频率-1.0GHz位置

3、相对激光频率0GHz位置 4、相对激光频率1.0GHz位置

5、碘分子吸收光谱仪对300K温度，0m/s风速大气状态下的532nm大气瑞利散射光谱的透过曲线

6、碘分子吸收光谱仪对250K温度，0m/s大气风速状态下的532nm大气瑞利散射光谱的透过曲线

7、碘分子吸收光谱仪对200K温度，0m/s大气风速状态下的532nm大气瑞利散射光谱的透过曲线

8、碘分子吸收光谱仪对250K温度，-100m/s大气风速状态下的532nm大气瑞利散射光谱的透过曲线

9、碘分子吸收光谱仪对250K温度，100m/s大气风速状态下的532nm大气瑞利散射光谱的透过曲线

10、在180K温度状态下，风速从-100m/s到100m/s变化时的风速测量比值与温度测量比值的关系曲线

11、在280K温度状态下，风速从-100m/s到100m/s变化时的风速测量比值与温度测量比值的关系曲线

12、在-100m/s风速状态下，温度从180K到280K变化时的风速测量比值与温度测量比值的关系曲线

13.在100m/s风速状态下，温度从180K到280K变化时的风速测量比值与温度测量比值的关系曲线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种测量大气风速和温度的方法进行详细说明。

由于碘分子具有丰富的光谱结构，当入射光子能量与碘分子的跃迁能级相近时，将会与碘分子相互作用而被吸收。而光通过碘分子吸收光谱仪，根据光信号频率的不同，碘分子会对光信号有不同程度的吸收。基于上述原理，为了更好地解决基于碘分子吸收光谱仪的多普勒激光雷达测量大气风速精度受大气温度影响的问题，使该激光雷达能够同时测量大气风速和温度，本发明提供一种同时检测大气风速和温度的方法。如图1所示，本发明的方法具体内容包括：

步骤1)利用基于碘分子吸收光谱仪的多普勒激光雷达依次发射三个不同频率(ν₀、ν_P、ν_M)的激光，这三个激光频率ν₀、ν_P、ν_M分别位于碘分子吸收光谱线的三个不同位置(一般情况为碘分子吸收光谱线的中心、右翼、左翼)。在这三个频率中，其中至少有一个频率的激光大气瑞利散射信号对碘分子吸收光谱仪的透过率变化受风速影响比较大；其中至少有一频率的激光大气瑞利散射信号对碘分子吸收光谱仪的透过率变化受温度影响比较大。从图2所示的透过率曲线5、6、7可知，当激光的频率位于碘分子吸收光谱线的相对激光频率0GHz位置3(中心频率附近)时，碘分子吸收光谱仪对不同温度下的大气瑞利散射信号透过率变化最大；从图3所示的透过率曲线6、8、9可知，当激光的频率位于碘分子吸收光谱线的相对激光频率-1.0GHz位置2和相对激光频率1.0GHz位置4时，碘分子吸收光谱仪对不同风速下的大气瑞利散射信号透过率变化最大。

如图4所示，在不同温度、风速状态下的大气瑞利散射光信号经过碘分子吸收光谱仪的透过率也不同，如关系曲线10、11、12、13的位置所示。大气瑞利散射光谱经过碘分子吸收光谱仪的透过率曲线如5、6、7、8、9所示。此时选定位置2、3、4分别作为532nm多普勒激光雷达发射激光频率ν_M、ν₀、ν_P的位置。

步骤2)在这三个激光频率工作状态下，依次接收三个不同频率激光的大气瑞利散射信号；

步骤3)测量得到经过碘分子吸收光谱仪的三个不同频率的大气瑞利散射信号所对应的光强可以表示为：N₀(V,T)、N_M(V,T)、N_P(V,T)。它们与大气的风速V和温度T有关。

定义激光雷达风速测量比值(Wind Ratio)和激光雷达温度测量比(TemperatureRatio)值分别为：

R_{W} = \frac{N_{P} (V, T) - N_{M} (V, T)}{N_{0} (V, T)}

R_{T} = \frac{N_{0} (V, T)}{N_{P} (V, T) + N_{M} (V, T)}

则有测量得到的大气的风速值和温度值分别为：

V = \frac{R_{W}}{S_{W}} = \frac{N_{P} (V, T) - N_{M} (V, T)}{N_{0} (V, T) S_{W}}

T = \frac{R_{T}}{S_{T}} = \frac{N_{0} (V, T)}{(N_{P} (V, T) + N_{M} (V, T)) S_{T}}

其中，S_W和S_T分别表示风速测量灵敏度和温度测量灵敏度。

S_{W} = \frac{\partial R_{W}}{\partial V}

S_{T} = \frac{\partial R_{T}}{\partial T} .

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种测量大气风场和温度的方法，其特征在于，包括：

步骤2)依次接收三个不同频率激光的大气瑞利散射信号；

R_{W} = \frac{N_{P} (V, T) - N_{M} (V, T)}{N_{0} (V, T)}

R_{T} = \frac{N_{0} (V, T)}{N_{P} (V, T) + N_{M} (V, T)}

则有测量得到的大气的风速值和温度值分别为：

V = \frac{R_{W}}{S_{W}} = \frac{N_{P} (V, T) - N_{M} (V, T)}{N_{0} (V, T) S_{W}}

T = \frac{R_{T}}{S_{T}} = \frac{N_{0} (V, T)}{(N_{P} (V, T) + N_{M} (V, T)) S_{T}}

其中，S_W和S_T分别表示风速测量灵敏度和温度测量灵敏度；

S_{W} = \frac{\partial R_{W}}{\partial V}

S_{T} = \frac{\partial R_{T}}{\partial T} .

2.根据权利要求1所述的测量大气风场和温度的方法，其特征在于，所述的三个激光的频率分别位于：碘分子吸收光谱线底部中心频率附近、距中心频率以前1GHz处、距中心频率以后1GHz处。