CN114236570B - 一种激光大气数据***及计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光大气数据***及计算方法，涉及大气参数测量领域，***包括紫外激光器、光学窗口、收发天线、接收准直组件、多通道标准具、光电探测组件和数据采集处理组件。本发明利用具有多个通道的标准具精确测量激光频谱在各个特征频率上的强度信息，高精度地拟合原始频谱信号，能够在没有其他原理大气数据传感器支持的前提下独立、精确地反演大气数据信息。解决了激光大气数据***长期以来难以同时精确输出多种大气数据信息的固有难题，通过本发明提供的激光大气数据***与传统大气数据***组成非相似余度大气数据***能够大幅度地提高飞行大气参数的可靠性，保障飞机的飞行安全性。

Description

一种激光大气数据***及计算方法
技术领域
本发明涉及大气参数测量领域，具体涉及一种激光大气数据***及计算方法。
背景技术
大气数据***作为飞行安全关键***，在民机型号的设计研制及商业运行中，受到了高度重视。为了保障飞行安全和匹配多通道飞行控制***的设计要求，现代民用飞机都具有多套冗余备份的大气数据受感器和传感器。当前主流的民用飞机中，通常需要配置三套独立的大气数据***和一套备用大气数据***。
尽管机载大气数据***采用了多通道的监测与备份的冗余配置，但由于这些通道所采用的原理是一致的，因此仍然不能避免出现如空速管结冰、攻角传感器故障等共模故障导致全机大气数据***失效的情况。多起有重大影响的空难中有相当多都与大气数据***的一些信息失效有关。如2009年法航AF447航班（空客A330）在巡航高度37000英尺进入对流云团。三根空速管同时结冰，导致所有空速指示异常，飞机失速坠毁。2018年印尼狮航JT610航班和2019年埃塞俄比亚航空公司ET302航班（均为波音737 MAX）均在起飞后发生攻角传感器故障，错误的迎角数据激活自动防失速***（机动特性增强***MCAS），与飞行员争夺飞机控制权，飞机失控坠毁。
从空难发生及其原因和产生的重大影响看，导致飞机出现事故的大气数据***的多通道的冗余***方案与所采用的机载设备并未能够很好地达到预期的设计与安全目标，这既与多通道冗余大气数据***的具体实现有关，也与冗余设备工作原理相同、环境适应性相似、存在共性隐患有关。相比于单个通道或者单个部件的故障与失效，多通道冗余设计中由于各个通道原理相同而存在的共性隐患的潜在安全影响更大。因此，面向未来新型民用飞机更加安全、更加高效、更加舒适和经济的设计目标，就机载大气数据***的设计，非常有必要在当前的多通道冗余设计的基础上，进一步增加与当前机载***测量原理不同、信息源独立的大气数据***，从根源上提高大气数据信息的监测范围和准确性，为提高飞机的安全性奠定关键***和关键信息源基础。
用于大气物理研究的地基大气探测激光雷达往往使用532nm绿光作为探测光源，这是由于碘分子吸收光谱仪在532nm附近具有极好的吸收光谱线。但是出于激光人眼安全要求的相关考虑，激光大气数据***不能使用诸如绿光等对人眼伤害较大的光源。
激光大气目前存在诸多技术难题，导致其进入应用缓慢，关键的核心难题在于激光频谱分析的复杂性。激光大气数据***需要从散射光中同时提取速度、温度、密度等大气数据信息，这些信息彼此耦合，导致解算困难。如基于CCD的光电探测***对F-P标准具出射信号进行探测，增加频谱信息容量，但计算程序复杂，校准困难。美国专利公开号US10444367B2公开的相关光学大气数据***需要使用传统大气数据***提供温度/压力信号以进行解算，不能满足民用航空关键传感器***的独立工作要求。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种激光大气数据***及计算方法解决了现有激光大气数据***在激光频谱分析过程中大气数据速度、温度、密度难以兼顾，无法同时精确测量的技术问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种激光大气数据***，其包括紫外激光器、光学窗口、收发天线、接收准直组件、多通道标准具、光电探测组件和数据采集处理组件；其中：
紫外激光器，用于产生探测光和参考光；其中参考光直接输送到接收准直组件；探测光通过收发天线和光学窗口发射到外界，与飞行器外部的大气环境发生散射作用生成携带大气数据信息的散射光，散射光经光学窗口被收发天线收集后输送到接收准直组件；
接收准直组件，用于将散射光和参考光进行准直和滤波后分别输送到多通道标准具；
多通道标准具包含一个参考光通道和至少三个信号光通道；其中参考光通道用于通过准直和滤波后的参考光产生一个参考光频率点光信号；信号光通道用于通过准直和滤波后的散射光产生信号光频率点光信号；
光电探测组件包括数量大于等于多通道标准具通道数的光电探测器，用于将频率点的光信号强度转化为光强电信号，得到一个参考光强度特征点和一组由至少三个信号光强度点组成的信号光强度特征值；
数据采集处理组件，用于对信号光强度特征值进行拟合，得到散射光频谱信号；基于参考光强度特征点对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号；对散射光频谱标定信号进行处理，得到大气数据并输出。
本方案的有益效果是：本***利用具有多个通道的标准具精确测量激光频谱在各个特征频率上的强度信息，高精度地拟合原始频谱信号，能够在没有其他原理大气数据传感器支持的前提下独立、精确地反演大气数据信息。解决了激光大气数据***长期以来难以同时精确输出多种大气数据信息的固有难题，通过本发明提供的激光大气数据***与传统大气数据***组成非相似余度大气数据***能够大幅度地提高飞行大气参数的可靠性，保障飞机的飞行安全性。
进一步地，收发天线为旁轴收发天线，包括并排设置的发射天线和接收天线，光学窗口设置在并排设置的发射天线和接收天线前方；发射天线用于发射探测光；接收天线用于接收散射光。
进一步地，收发天线为同轴收发天线，光学窗口设置在同轴收发天线的前方。
进一步地，收发天线为棱镜扫描式收发天线，包括依次设置的卡塞格林天线、反射镜和扫描棱镜；其中，探测光从紫外激光器发射并通过反射镜将探测光反射至扫描棱镜，通过扫描棱镜将探测光折射至光学窗口；
外部反射回的散射光通过扫描棱镜折射至卡塞格林天线边缘部分，通过卡塞格林天线将散射光反射至反射镜，通过反射镜将散射光反射至卡塞格林天线中心部分并穿过卡塞格林天线。
上述进一步方案的有益效果是：扫描棱镜具有沿收发天线3轴向旋转的功能，在扫描棱镜所处的任何一个状态，探测光均与收发天线轴向形成特定夹角，且环绕收发天线轴向形成锥形扫描，使得收发天线具备扫描功能，便于测量三维矢量速度。
进一步地，收发天线为关断式光开关的收发天线，包括第一分束器、合束器、至少三个关断式光开关、至少三个发射天线和至少三个接收天线；
第一分束器的输入端与紫外激光器的输出端相连，第一分束器的输出端分别与所有关断式光开关的输入端相连，每个关断式光开关的输出端与一个发射天线相连；
合束器的输出端与接收准直组件相连，合束器的输入端分别与每个接收天线相连。
进一步地，相邻两个发射天线之间的夹角均为J；相邻两个接收天线之间的夹角均为J。
进一步地，收发天线为切换式光开关的收发天线，包括第一切换式光开关、第二切换式光开关、至少三个发射天线和至少三个接收天线；
第一切换式光开关的输入端与紫外激光器的输出端相连，第一切换式光开关的输出端分别与每个发射天线相连；
第二切换式光开关的输出端与接收准直组件相连，第二切换式光开关的输入端分别与每个接收天线相连。
进一步地，相邻两个发射天线之间的夹角均为J；相邻两个接收天线之间的夹角均为J。
采用上述进一步方案的有益效果是：本***可以适配多种收发天线，便于布置在不同飞行器的不同位置，适应于各种环境。
进一步地，接收准直组件包括两个接收准直模块，每个接收准直模块均包括一个第一准直镜和一个窄带滤光片；第一准直镜的输入端为接收准直模块的输入端，第一准直镜的输出端与窄带滤光片的输入端相连，窄带滤光片的输出端为接收准直模块的输出端；两个接收准直模块分别用于接收散射光和参考光。
进一步地，第一准直镜包括一个凹透镜和一个凸透镜，凹透镜设置在凸透镜的前端。
采用上述进一步方案的有益效果是：准直镜由多个透镜组成，采用伽利略望远镜构型，光束在准直镜中无会聚点。一般情况下，原入射光束发散角均较大，通过准直镜，原入射光束由多个透镜逐步压缩发散角，控制组合中各透镜玻璃的材料、表面曲率以及透镜间隔调整光束准直度。窄带滤光片将准直后的参考光束分别通过多个中心波长为355nm窄带滤光片，滤除带外其他波段干扰光；窄带滤光片将准直后的信号光束分别通过多个中心波长为355nm窄带滤光片，滤除带外背景噪声（信号光中主要包含来自天空的背景杂散光）。窄带滤光片通过双面镀满足带宽要求的介质膜实现带通功能，多个窄带滤光片组合使用可大大提高中心波长信噪比，使仅包括355nm波长的参考光61与信号光71传输到后续组件。
进一步地，参考光通道包括第一标准具通道；至少三个信号光通道包括一个第二分束器和至少三个第二标准具通道；第二分束器的输出端分别与每个第二标准具通道相连；第一标准具通道的输出端和所有第二标准具通道的输出端共同作为多通道标准具的输出端。
进一步地，第一标准具通道和第二标准具通道的结构相同，均包括依次设置的发射端、第二准直镜、第一平行板、第二平行板、接收镜和接收端；第一平行板朝向第二平行板的一面和第二平行板朝向第一平行板的一面均设置有高反射膜；
发射端，用于将接收到的信号向第二准直镜发射。
采用上述进一步方案的有益效果是：光束在平行板的两个平行平面内形成多次反射，反射光和透射光形成多光束干涉，导致能够透射过平行板的光强主要由平行板之间的间距和波长决定，即仅有特定波长的光能够出射到接收镜最终射入接收端。通过标准具能够精确提取宽带光源内特定窄带波长范围内的光信号，从而为识别宽带光源的频谱信息提供依据。
进一步地，光电探测器包括聚焦物镜和光电转换器；
聚焦物镜，用于聚焦接收到的信号，并将聚焦后的信号发送至光电转换器；
光电转换器，用于将接收到的光信号转换成光强电信号。
进一步地，数据采集处理组件包括依次相连的拟合计算单元、校准计算单元和大气数据解算单元；
拟合计算单元，用于将光电探测组件发送的信号光强度特征值拟合为散射光频谱信号；
校准计算单元，用于基于参考光强度特征点对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号；
大气数据解算单元，用于对散射光频谱标定信号进行处理，得到大气数据并输出。
提供一种激光大气数据计算方法，其包括以下步骤：
S1、通过紫外激光器产生探测光和参考光；
S2、通过收发天线和光学窗口将探测光发射到外界，并接收与飞行器外部的大气环境发生散射作用生成携带大气数据信息的散射光；
S3、通过接收准直组件将散射光和参考光进行准直和滤波后分别输送到多通道标准具；
S4、通过多通道标准具基于准直和滤波后的参考光产生一个参考光频率点光信号；通过多通道标准具基于准直和滤波后的散射光产生信号光频率点光信号；
S5、光电探测组件将频率点的光信号强度转化为光强电信号，得到一个参考光强度特征点和一组由至少三个信号光强度点组成的信号光强度特征值；
S6、对信号光强度特征值进行拟合，得到散射光频谱信号；
S7、基于参考光强度特征点对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号；
S8、对散射光频谱标定信号进行处理，得到大气数据并输出。
本方法的有益效果是：利用具有多个通道的标准具精确测量激光频谱在各个特征频率上的强度信息，高精度地拟合原始频谱信号，能够在没有其他原理大气数据传感器支持的前提下独立、精确地反演大气数据信息。解决了激光大气数据***长期以来难以同时精确输出多种大气数据信息的固有难题，通过本发明提供的激光大气数据***与传统大气数据***组成非相似余度大气数据***能够大幅度地提高飞行大气参数的可靠性，保障飞机的飞行安全性。
进一步地，步骤S6的拟合方法包括以下子步骤：
S6-1、根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
构建拟合特征矩阵F；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
第1个信号光的信号频率；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为第2个信号光的信号频率；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为第n个信号光的信号频率；
S6-2、根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
构建信号光特征向量I；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为第n个信号光强度特征值；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为
Figure 594143DEST_PATH_IMAGE006
的调节系数；
S6-3、根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
获取特征值向量v；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示矩阵的转置；
S6-4、根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
获取散射光频谱信号
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为频谱信号的曲线方程。
进一步地，步骤S7的具体方法为：
根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为散射谱校准方程，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为参考光特征值，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为
Figure 619606DEST_PATH_IMAGE016
的调节系数。
进一步地，步骤S8的具体方法包括以下子步骤：
S8-1、通过解算中心频率与紫外激光器发射激光中心频率的差值得到多普勒频移，表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为多普勒频移；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为解算中心频率，即由散射光频谱标定信号
Figure 320714DEST_PATH_IMAGE014
计算的中心频率；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为紫外激光器发射激光中心频率；
S8-2、根据多普勒频移计算视线速度V，计算表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为紫外激光器发射激光中心波长；
S8-3、通过解算散射光频谱标定信号
Figure 377575DEST_PATH_IMAGE014
的频谱展宽获取大气静温
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，计算表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为温度调节系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为频谱展宽计算模型；
S8-4、通过解算散射光频谱标定信号
Figure 582160DEST_PATH_IMAGE014
的包络面积
Figure DEST_PATH_IMAGE028
得到大气密度
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，计算表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为包络面积计算模型；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为密度调节系数；
S8-5、根据不同探测方向的视线速度计算三轴矢量空速，计算表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为x轴矢量空速；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为y轴矢量空速；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为z轴矢量空速；
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为角度修正矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为视线速度投影角度修正矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为第n个探测方向的视线速度；
S8-6、基于三轴矢量空速获取真空速TAS、攻角
Figure DEST_PATH_IMAGE040
和侧滑角
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，计算表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
Figure DEST_PATH_IMAGE043
Figure DEST_PATH_IMAGE044
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为反正切函数；
S8-7、基于大气静温获取该温度对应的声速a，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
；
S8-8、基于真空速和声速计算马赫数M，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
；
S8-9、基于马赫数和大气静温计算大气总温
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
；
S8-10、基于大气静温和大气密度计算大气静压
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE051
；
S8-11、基于大气静压计算气压高度
Figure DEST_PATH_IMAGE052
和升降速度
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE055
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为当前时刻的气压高度；
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为上一时刻的气压高度；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为当前时刻和上一时刻的时间差；
S8-12、基于马赫数和大气静压计算大气总压
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE060
；
S8-13、基于大气静压和大气总压计算大气动压
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；
S8-13、根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
基于大气动压计算校准空速CAS。
上述进一步方案的有益效果为：大气数据解算算法占用航电计算资源较少，校准数据/表格占用航电存储资源较少。不需要使用传统大气数据***提供温度/压力信号以进行解算，可以满足民用航空关键传感器***的独立工作要求。
附图说明
图1为本***的结构框图；
图2为旁轴收发天线示意图；
图3为同轴收发天线示意图；
图4为棱镜扫描方式的收发天线示意图；
图5为基于关断式光开关的收发天线示意图；
图6为基于切换式光开关的收发天线示意图；
图7为三个探测方向示意图；
图8为四个探测方向示意图；
图9为本***安装上视投影示意图；
图10为接收准直组件工作示意图；
图11为标准具工作原理示意图；
图12为多通道标准具工作原理示意图；
图13为多通道标准具透过率曲线示意图；
图14为柱状图透过率曲线示意图；
图15为散射信号与气压高度的关系示意图；
图16为0米的静止标准大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图17为3000米的静止标准大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图18为6000米的静止标准大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图19为9000米的静止标准大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图20为12000米的静止标准大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图21为15000米的静止标准大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图22为18000米的静止标准大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图23为图22放大后的示意图；
图24为0.6Ma速度飞行的大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图25为0.7Ma速度飞行的大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图26为0.8Ma速度飞行的大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图27为0.9Ma速度飞行的大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值示意图；
图28为光电探测组件与数据采集处理组件示意图；
图29为本方法的流程示意图。
其中：1、散射光；2、光学窗口；3、收发天线；4、探测光；5、紫外激光器；6、参考光；7、信号光；8、接收准直组件；9、多通道标准具；10、光电探测组件；11、数据采集处理组件；31、旁轴收发天线；32、同轴收发天线；311、发射天线；312、接收天线；33、扫描棱镜；34、卡塞格林天线；35、反射镜；36、第一分束器；37、关断式光开关；38、合束器；39、第一切换式光开关；40、第二切换式光开关；81、第一准直镜；82、窄带滤光片；12、发射端；13、第二准直镜；14、第一平行板；15、高反射膜；16、第二平行板；17、接收镜；18、接收端；91、第一标准具通道；92、第二标准具通道；93、第二分束器；101、聚焦物镜；102、光电转换器；111、拟合计算单元；112、校准计算单元；113、大气数据解算单元。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1：
参阅图1，在以下描述的实施例中，激光大气数据***由紫外激光器5、光学窗口2、收发天线3、接收准直组件8、多通道标准具9、光电探测组件10、数据采集处理组件11组成。紫外激光器5产生探测光4和参考光6，探测光4经收发天线3和光学窗口2发射到外界，参考光6（后续组件中凡是由此光得到的光信号均称为参考光）直接输送到接收准直组件8。探测光4与飞行器外部的大气环境发生散射作用生成携带大气数据信息的散射光1，散射光1经光学窗口2被收发天线3收集后生成信号光7（后续组件中凡是由此光得到的光信号均称为信号光）并输送到接收准直组件8。接收准直组件8对信号光7和参考光6进行准直和滤波后分别输送到多通道标准具9。多通道标准具9内含一个参考光通道和不少于三个信号光通道，每一个通道具有一个特定的频率透过范围，信号光和参考光通过多通道标准具9后产生一个参考光频率点光信号和不少于三个信号光频率点光信号并进入光电探测组件10。光电探测组件10内含有等于多通道标准具9通道数的光电探测器，光电探测器将每一个频率点的光信号强度转化为以电信号描述的光强，得到一个参考光强度特征点和一组由不少于三个信号光强度点组成的信号光强度特征值。数据采集处理组件11接收参考光强度点和信号光强度特征值，对信号光强度特征值进行拟合，得到信号光的散射信号谱，基于参考光强度特征点对信号光的散射信号谱进行校准，得到标准散射谱，对标准散射谱进行处理，得到大气数据并输出。
实施例2：
本实施例是在实施例1的基础上的进一步扩展，参阅图2，激光大气数据***中的收发天线3可采用旁轴收发天线31的实施方式。对于大气环境中的单个探测点，旁轴收发天线31由发射天线311和接收天线312组成，发射天线311具备激光发射功能，接收天线312具备散射光收集功能。发射天线311向大气发射探测光4，探测光4通过光学窗口2后与大气环境发生散射作用生成携带大气数据信息的散射光1，返回的散射光1通过光学窗口2后被接收天线312收集。
实施例3：
本实施例是在实施例1的基础上的进一步扩展，参阅图3，激光大气数据***中的收发天线3可采用同轴收发天线32的实施方式。同轴收发天线32同时具备激光发射和散射光接收功能。对于大气环境中的单个探测点，同轴收发天线32向大气发射探测光4，探测光4通过光学窗口2后与大气环境发生散射作用生成携带大气数据信息的散射光1，返回的散射光1通过光学窗口2后被同轴收发天线32收集。
激光大气数据***输出的飞行大气参数中，速度是由空速、攻角、侧滑角定义的三维速度矢量。为了测量三维矢量速度，收发天线3需要具有扫描功能。激光大气数据***中的收发天线3可采用棱镜扫描的实施方式或关断式光开关37的实施方式或切换式光开关的实施方式。
实施例4：
本实施例是在实施例1的基础上的进一步扩展，参阅图4，是以棱镜扫描方式实施的一个具有扫描功能的收发天线3的实施例。收发天线3由卡塞格林天线34、反射镜35和扫描棱镜33组成。从收发天线3侧面进入的探测光经反射镜反射35后，沿收发天线3轴向进入扫描棱镜33，在扫描棱镜33中被折射，沿与收发天线3轴向形成特定夹角的方向进入光学窗口2，向飞行器外部发射。散射光1沿原路返回光学窗口2后进入扫描棱镜33，在扫描棱镜33中被折射，沿收发天线3轴向进入卡塞格林天线34，卡塞格林天线34将散射光1汇聚，作为信号光输出。扫描棱镜33具有沿收发天线3轴向旋转的功能，在扫描棱镜33所处的任何一个状态，探测光4均与收发天线3轴向形成特定夹角，且环绕收发天线3轴向形成锥形扫描。由于散射光1与探测光4运动路径相同，因此本实施例是一种同轴收发天线。
实施例5：
本实施例是在实施例1的基础上的进一步扩展，参阅图5，是基于关断式光开关37实施的一个具有扫描功能的收发天线3的实施例。收发天线3由第一分束器36、合束器38、3个关断式光开关37、3个发射天线311、3个接收天线312组成。1号发射天线与1号接收天线组成一组旁轴收发天线，2号发射天线与2号接收天线组成一组旁轴收发天线，3号发射天线与3号接收天线组成一组旁轴收发天线。1号发射天线、2号发射天线、3号发射天线以正交形式指向不同的方向，从而具有扫描功能。探测光4进入第一分束器36后被平均分为3份，分别送入1号关断式光开关、2号关断式光开关、3号关断式光开关。在每一时刻，三个关断式光开关中有两个处于关闭状态，有一个处于导通状态。当1号关断式光开关导通时，探测光4经1号关断式光开关进入1号发射天线，再进入光学窗口2，向飞行器外部发射。散射光1被1号接收天线接收汇聚后进入合束器38，与此同时，2号接收天线、3号接收天线接收来自天空的背景杂散光并进入合束器38。散射光1与杂散光合并后作为信号光7输出。当2号关断式光开关导通时，探测光4经2号关断式光开关进入2号发射天线，再进入光学窗口2，向飞行器外部发射。散射光1被2号接收天线接收汇聚后进入合束器38，与此同时，1号接收天线、3号接收天线接收来自天空的背景杂散光并进入合束器38。散射光1与杂散光合并后作为信号光7输出。当3号关断式光开关导通时，探测光4经3号关断式光开关进入3号发射天线，再进入光学窗口2，向飞行器外部发射。散射光1被3号接收天线接收汇聚后进入合束器38，与此同时，1号接收天线、2号接收天线接收来自天空的背景杂散光并进入合束器38。散射光1与杂散光合并后作为信号光7输出。
实施例6：
本实施例是在实施例1的基础上的进一步扩展，参阅图6，是基于切换式光开关实施的一个具有扫描功能的收发天线3的实施例。收发天线3由第一切换式光开关39、第二切换式光开关40、1号发射天线、2号发射天线、3号发射天线、1号接收天线、2号接收天线、3号接收天线组成。1号发射天线与1号接收天线组成一组旁轴收发天线，2号发射天线与2号接收天线组成一组旁轴收发天线，3号发射天线与3号接收天线组成一组旁轴收发天线。1号发射天线、2号发射天线、3号发射天线以正交形式指向不同的方向，从而具有扫描功能。第一切换式光开关39、第二切换式光开关40具备三种工作状态，在每一时刻，1号切换式光开关、2号切换式光开关的工作状态完全相同。在第一个工作状态，第一切换式光开关39导通探测光4与1号发射天线之间的光传播路径，第二切换式光开关40导通1号接收天线与后续组件之间的光传播路径，探测光4经第一切换式光开关39进入1号发射天线，再进入光学窗口2，向飞行器外部发射。散射光1被1号接收天线接收后进入第二切换式光开关40，作为信号光7输出。2号接收天线、3号接收天线接收的来自天空的背景杂散光被第二切换式光开关40屏蔽。在第二个工作状态，第一切换式光开关39导通探测光4与2号发射天线之间的光传播路径，第二切换式光开关40导通2号接收天线与后续组件之间的光传播路径，探测光4经第一切换式光开关39进入2号发射天线，再进入光学窗口2，向飞行器外部发射。散射光1被2号接收天线接收后进入第二切换式光开关40，作为信号光7输出。1号接收天线、3号接收天线接收的来自天空的背景杂散光被第二切换式光开关40屏蔽。在第三个工作状态，第一切换式光开关39导通探测光4与3号发射天线之间的光传播路径，第二切换式光开关40导通3号接收天线与后续组件之间的光传播路径，探测光4经第一切换式光开关39进入3号发射天线，再进入光学窗口2，向飞行器外部发射。散射光1被3号接收天线接收后进入第二切换式光开关40，作为信号光7输出。1号接收天线、2号接收天线接收的来自天空的背景杂散光被第二切换式光开关40屏蔽。
需要注意的是，上述基于棱镜扫描方式的具有扫描功能的收发天线（实施例4至实施例6）通过设置棱镜旋转角度，可形成任意多个探测方向。在实践中，一般设置不少于三个探测方向。典型探测方向为三个探测方向或四个探测方向，也可以是大于4的任意数量。
需要注意的是，上述基于关断式光开关和切换式光开关的具有扫描功能的收发天线的实施例中是以三组发射天线、接收天线形成三个探测方向的形式实施的，这是由于在三维空间的运动速度需要通过至少三个正交方向的速度投影才能够解算。在具体的工程实践中，除了三个探测方向的实施例外，还存在多个方向的实施例。增加的方向可以通过增加分束器、合束器、切换式光开关的通道数实现。在四个方向的实施例中，任意三个探测方向形成一组正交方向，第四个探测方向则形成余度方向，这对提高***可靠性、增强数据稳定性具有诸多好处。相邻探测方向的夹角可以相等。
参阅图7，是具有三个探测方向的激光大气数据***在飞机上安装的一个实施例，激光大气数据***安装在飞机侧面，发射光4向飞机侧面发射，形成三个探测方向。三个探测方向与飞机纵轴垂面的投影成120°均布。
参阅图8，是具有四个探测方向的激光大气数据***在飞机上安装的一个实施例，激光大气数据***安装在飞机侧面，发射光4向飞机侧面发射，形成四个探测方向。四个探测方向与飞机纵轴垂面的投影成90°均布。
参阅图9，是激光大气数据***在飞机上安装的一个实施例的上视投影，激光大气数据***通过光学聚焦方式或者飞行时间选通方式，控制***仅接收发射光4在距离飞机特定位置与大气环境发生相互作用产生的散射光。在本实施例中，通过光学聚焦方式或者飞行时间选通方式将特定位置与飞机的距离设计为80米。由于光学聚焦***景深（瑞利长度）或飞行时间选通范围（距离门）受光学和电子***性能极限影响，不能做到非常小，因此激光大气数据***实际的探测区域不是特定位置的一个点，而是特定位置前后十米到数十米的激光波束。覆盖所有波束探测区域的球体为探测球。较小的探测球半径能够减小大气湍流不确定性影响，使得所有激光尽可能测量同样的大气环境。探测球所在高度应当与飞机重心所在高度一致，以减小大气密度分布不均匀影响，使得激光大气数据***所测量的气压高度与飞机一致。
实施例7：
本实施例是在实施例1-6任一实施例的基础上的进一步扩展，参阅图10，接收准直组件8由两个接收准直模块，每个接收准直模块均包括一个第一准直镜81和一个窄带滤光片82。一个第一准直镜81将入射参考光6进行扩束准直后输出准平行细光束；另一个第一准直镜81将入射信号光7进行扩束准直后输出准平行细光束。第一准直镜81可以由多个透镜组成，采用伽利略望远镜构型，光束在准直透镜组合中无会聚点。一般情况下，原入射光束发散角均较大，通过第一准直镜81，原入射光束由多个透镜逐步压缩发散角，控制第一准直镜81中各透镜玻璃的材料、表面曲率以及透镜间隔调整光束准直度。将准直后的参考光6分别通过多个中心波长为355nm窄带滤光片，滤除带外其他波段干扰光；将准直后的信号光7分别通过多个中心波长为355nm窄带滤光片，滤除带外背景噪声（信号光中主要包含来自天空的背景杂散光）。窄带滤光片82通过双面镀满足带宽要求的介质膜实现带通功能，多个窄带滤光片82组合使用可大大提高中心波长信噪比，使仅包括355nm波长的参考光与信号光传输到后续组件。
实施例8：
本实施例是在实施例1-7任一实施例的基础上的进一步扩展，参阅图11，简要介绍本发明的标准具的工作原理。标准具是一种利用多光束干涉原理实现特定波长选通的光学滤波器。一个标准具通道包括发射端12，第二准直镜13、第一平行板14、第二平行板16、接收镜17和接收端18；第一平行板14朝向第二平行板16的一面和第二平行板16朝向第一平行板14的一面均设置有高反射膜15；第二准直镜13将发射端发射的信号光7调节为平行光并入射到第一平行板14。光束在平行板的两个平行平面内形成多次反射，反射光和透射光形成多光束干涉，导致能够透射过平行板的光强主要由平行板之间的间距和波长决定，即仅有特定波长的光能够出射到接收镜17最终射入接收端18。通过标准具能够精确提取宽带光源内特定窄带波长范围内的光信号，从而为识别宽带光源的频谱信息提供依据。
参阅图12，多通道标准具9包含一个参考光通道和至少三个信号光通道；参考光通道包括第一标准具通道91；至少三个信号光通道包括一个第二分束器93和至少三个第二标准具通道92；第二分束器93的输出端分别与每个第二标准具通道92相连。参考光6直接进入第一标准具通道91；信号光7被第二分束器93均分为至少3部分后，分别进入至少三个第二标准具通道92。每一个第二标准具通道92通过设计平行板之间的间距，使得其能够透射过指定波长的光信号。在本实施例中，设计紫外激光器5发射激光中心波长为355.000000nm，对应激光频率为844485.797GHz；第一标准具通道91透射波长为354.999580nm，对应激光频率为844486.797GHz；1号第二标准具通道透射波长为354.998949nm，对应激光频率为844488.297GHz；2号第二标准具通道透射波长为354.998529nm，对应激光频率为844489.297GHz；3号第二标准具通道透射波长为355.001051nm，对应激光频率为844483.297GHz。根据四个标准具通道对应激光频率与紫外激光器5发射激光频率之间的关系，可得从第一标准具通道91出射的光信号61中心波长与发射激光中心波长差异为1G，记该光信号为参考光（1G）；从1号第二标准具通道出射的光信号中心波长与发射激光中心波长差异为2.5G，记该光信号为信号光（2.5G）；从2号第二标准具通道出射的光信号中心波长与发射激光中心波长差异为3.5G，记该光信号为信号光（3.5G）；从3号第二标准具通道出射的光信号中心波长与发射激光中心波长差异为-2.5G，记该光信号为信号光（-2.5G）。
参阅图13，是多通道标准具9输出以紫外激光器5发射激光中心频率为原点的透过率曲线，即参考光（1G）提取参考光在紫外激光器5发射激光中心频率+1G的光强信号，信号光（2.5G）提取信号光在紫外激光器5发射激光中心频率+2.5G的光强信号，信号光（3.5G）提取信号光在紫外激光器5发射激光中心频率+3.5G的光强信号，信号光（-2.5G）提取信号光在紫外激光器5发射激光中心频率-2.5G的光强信号。每一个透过率曲线是一个尖锐的高斯曲线信号，透过率曲线的半高全宽约为1G。
参阅图14，为便于理解本发明专利，将高斯曲线简化为柱状图，得到多通道标准具9输出以紫外激光器5发射激光中心频率为原点的透过率峰值。该简化会改变透过率曲线的性能，但是不影响本专利的实施。
参阅图15，激光大气数据***所接收的发射光大气环境发生散射作用所产生的散射光主要包含激光与气溶胶发生作用产生的散射信号和激光与氮氧分子发生作用产生的散射信号。激光与气溶胶发生作用产生的散射信号强度较高但是谱宽较窄。激光与氮氧分子发生作用产生的散射信号强度较低但是谱宽较宽。本实施例的激光大气数据***被设计为探测激光与氮氧分子发生作用产生的散射信号，该散射信号的谱型是一个服从正态分布的高斯曲线。散射信号谱的中心频率与紫外激光器5发射激光中心频率的差异指示了由于在激光波束方向上飞机与大气环境的相对速度所产生的多普勒频移，根据该参数能够解算视线速度。散射信号谱的半高全宽指示了由于大气分子振动（热运动）所产生的多普勒频移，根据该参数能够解算大气温度。散射信号总强度即散射信号谱的高度（面积）指示了探测区域内有多少分子与激光发生作用，根据该参数能够解算大气密度，进一步解算气压高度。
首先考虑静止标准大气的情形，典型高度下静止标准大气的归一化散射信号谱如图所示。静止标准大气的大气温度、大气密度随气压高度升高而降低，因而随气压高度升高，散射信号谱的高度降低，展宽收窄。
参阅图16、图17、图18、图19、图20、图21、图22和图23，是信号光的3个通道即信号光（2.5G）、信号光（3.5G）、信号光（-2.5G）对不同高度的静止标准大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值。由图中可见，各通道的透过率峰值从海平面到气压高度18000m具有较大幅度的变化，根据高斯曲线特性可知，基于曲线上不少于3个特征值可以高精度拟合出原始曲线，因此使用本实施例可以实现对散射信号谱的高精度反演。
进一步考虑飞行状态下的大气环境。激光大气数据***被设计为向飞机侧面发射，因而激光大气数据***每一个激光波束方向上测量得到的视线速度是飞机真空速的函数。例如当激光波束与飞机中轴即飞行方向成70度夹角时，飞机以0~0.9马赫（Ma）飞行相当于激光波束方向上测量得到的视线速度约为0~0.3Ma，即约0~100米/秒。对于355nm激光，相当于约0~560MHz的多普勒频移。
参阅图24、图25、图26和图27，是信号光的3个通道即信号光（2.5G）、信号光（3.5G）、信号光（-2.5G）对飞机典型巡航高度（9000米）以不同速度飞行的大气散射信号谱在各个特征频率上的透过率峰值。由图中可见，随飞行速度增加，散射信号谱中心频率逐渐右移，体现为正频率通道即信号光（2.5G）、信号光（3.5G）透过率峰值逐渐增大，负频率通道即信号光（-2.5G）透过率峰值逐渐减小。根据高斯曲线特性可知，基于曲线上不少于3个特征值可以高精度拟合出原始曲线，因此使用本实施例可以实现对散射信号谱的高精度反演。
参阅图28，光电探测组件10包括一组聚焦物镜101和光电转换器102，对每一路光信号，聚焦物镜101将标准具输出光束会聚在光电转换器102光敏面上，再由光电转换器102将光信号转换为电信号。光电转换器102为高增益微弱光探测器件，可以采用但不限于光电倍增管（PMT）。通过光电探测组件10，多通道标准具输出的参考光（1G）通道的光强信号、信号光（2.5G）通道的光强信号、信号光（3.5G）通道的光强信号、信号光（-2.5G）通道的光强信号转化为电信号，形成参考光合信号光的特征值，并将参考光特征值和信号光特征值发送给数据采集处理组件11。数据采集处理组件11包括依次相连的拟合计算单元111、校准计算单元112和大气数据解算单元113；
拟合计算单元111，用于将光电探测组件10发送的信号光强度特征值拟合为散射光频谱信号；
校准计算单元112，用于基于参考光强度特征点对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号；
大气数据解算单元113，用于对散射光频谱标定信号进行处理，得到大气数据并输出。
在具体实施过程中，如图29所示，该激光大气数据***的计算方法包括以下步骤：
S1、通过紫外激光器产生探测光和参考光；
S2、通过收发天线和光学窗口将探测光发射到外界，并接收与飞行器外部的大气环境发生散射作用生成携带大气数据信息的散射光；
S3、通过接收准直组件将散射光和参考光进行准直和滤波后分别输送到多通道标准具；
S4、通过多通道标准具基于准直和滤波后的参考光产生一个参考光频率点光信号；通过多通道标准具基于准直和滤波后的散射光产生信号光频率点光信号；
S5、光电探测组件将频率点的光信号强度转化为光强电信号，得到一个参考光强度特征点和一组由至少三个信号光强度点组成的信号光强度特征值；
S6、对信号光强度特征值进行拟合，得到散射光频谱信号；
S7、基于参考光强度特征点对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号；
S8、对散射光频谱标定信号进行处理，得到大气数据并输出。
步骤S6的拟合方法包括以下子步骤：
S6-1、根据公式：
Figure 58752DEST_PATH_IMAGE001
构建拟合特征矩阵F；其中
Figure 856944DEST_PATH_IMAGE002
第1个信号光的信号频率；
Figure 587002DEST_PATH_IMAGE003
为第2个信号光的信号频率；
Figure 521460DEST_PATH_IMAGE004
为第n个信号光的信号频率；
S6-2、根据公式：
Figure 842720DEST_PATH_IMAGE005
构建信号光特征向量I；其中
Figure 128208DEST_PATH_IMAGE006
为第n个信号光强度特征值；
Figure 396378DEST_PATH_IMAGE007
为
Figure 450922DEST_PATH_IMAGE006
的调节系数；
S6-3、根据公式：
Figure 146345DEST_PATH_IMAGE008
获取特征值向量v；其中
Figure 919129DEST_PATH_IMAGE009
表示矩阵的转置；
S6-4、根据公式：
Figure 725411DEST_PATH_IMAGE010
获取散射光频谱信号
Figure 696778DEST_PATH_IMAGE011
；其中
Figure 568963DEST_PATH_IMAGE012
为频谱信号的曲线方程；根据具体拟合方法，该方程可为一元二次方程、高斯方程或其他形式方程。
步骤S7的具体方法为：根据公式：
Figure 563464DEST_PATH_IMAGE013
对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号
Figure 173436DEST_PATH_IMAGE014
；其中
Figure 202572DEST_PATH_IMAGE015
为散射谱校准方程，
Figure 505378DEST_PATH_IMAGE016
为参考光特征值，
Figure 783912DEST_PATH_IMAGE017
为
Figure 197576DEST_PATH_IMAGE016
的调节系数。
步骤S8的具体方法包括以下子步骤：
S8-1、通过解算中心频率与紫外激光器发射激光中心频率的差值得到多普勒频移，表达式为：
Figure 815639DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 289346DEST_PATH_IMAGE019
为多普勒频移；
Figure 55177DEST_PATH_IMAGE020
为解算中心频率，即由散射光频谱标定信号
Figure 6952DEST_PATH_IMAGE014
计算的中心频率；
Figure 10680DEST_PATH_IMAGE021
为紫外激光器发射激光中心频率；
S8-2、根据多普勒频移计算视线速度V，计算表达式为：
Figure 389709DEST_PATH_IMAGE022
其中
Figure 846098DEST_PATH_IMAGE023
为紫外激光器发射激光中心波长；
S8-3、通过解算散射光频谱标定信号
Figure 398302DEST_PATH_IMAGE014
的频谱展宽获取大气静温
Figure 990957DEST_PATH_IMAGE024
，计算表达式为：
Figure 806467DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure 750152DEST_PATH_IMAGE026
为温度调节系数；
Figure 43730DEST_PATH_IMAGE027
为频谱展宽计算模型；频谱展宽的计算可使用半高宽法、积分法或其他方法；
S8-4、通过解算散射光频谱标定信号
Figure 553209DEST_PATH_IMAGE014
的包络面积
Figure 274040DEST_PATH_IMAGE028
得到大气密度
Figure 705021DEST_PATH_IMAGE029
，计算表达式为：
Figure 802290DEST_PATH_IMAGE030
其中
Figure 369538DEST_PATH_IMAGE031
为包络面积计算模型；包络面积的计算可以通过对曲线方程积分或其他方式得到；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为密度调节系数；
S8-5、根据不同探测方向的视线速度计算三轴矢量空速，计算表达式为：
Figure 589167DEST_PATH_IMAGE033
其中
Figure 507444DEST_PATH_IMAGE034
为x轴矢量空速；
Figure 136966DEST_PATH_IMAGE035
为y轴矢量空速；
Figure 558720DEST_PATH_IMAGE036
为z轴矢量空速；
Figure 683670DEST_PATH_IMAGE037
为角度修正矩阵；
Figure 823665DEST_PATH_IMAGE038
为视线速度投影角度修正矩阵；
Figure 528316DEST_PATH_IMAGE039
为第n个探测方向的视线速度；
S8-6、基于三轴矢量空速获取真空速TAS、攻角
Figure 804576DEST_PATH_IMAGE040
和侧滑角
Figure 303691DEST_PATH_IMAGE041
，计算表达式为：
Figure 727719DEST_PATH_IMAGE042
Figure 970481DEST_PATH_IMAGE043
Figure 101248DEST_PATH_IMAGE044
其中
Figure 771264DEST_PATH_IMAGE045
为反正切函数；
S8-7、基于大气静温获取该温度对应的声速a，计算公式为：
Figure 885850DEST_PATH_IMAGE046
；
S8-8、基于真空速和声速计算马赫数M，计算公式为：
Figure 463462DEST_PATH_IMAGE047
；
S8-9、基于马赫数和大气静温计算大气总温
Figure 979894DEST_PATH_IMAGE048
，计算公式为：
Figure 555232DEST_PATH_IMAGE049
；
S8-10、基于大气静温和大气密度计算大气静压
Figure 953852DEST_PATH_IMAGE050
，计算公式为：
Figure 538418DEST_PATH_IMAGE051
；
S8-11、基于大气静压计算气压高度
Figure 909356DEST_PATH_IMAGE052
和升降速度
Figure 655595DEST_PATH_IMAGE053
，计算公式为：
Figure 479195DEST_PATH_IMAGE054
Figure 867451DEST_PATH_IMAGE055
其中
Figure 889633DEST_PATH_IMAGE056
为当前时刻的气压高度；
Figure 72353DEST_PATH_IMAGE057
为上一时刻的气压高度；
Figure 383249DEST_PATH_IMAGE058
为当前时刻和上一时刻的时间差；
S8-12、基于马赫数和大气静压计算大气总压
Figure 309616DEST_PATH_IMAGE059
，计算公式为：
Figure 186305DEST_PATH_IMAGE060
；
S8-13、基于大气静压和大气总压计算大气动压
Figure 811365DEST_PATH_IMAGE061
，计算公式为：
Figure 609557DEST_PATH_IMAGE062
；
S8-13、根据公式：
Figure 74036DEST_PATH_IMAGE063
基于大气动压计算校准空速CAS，当
Figure DEST_PATH_IMAGE065
大于50km/h时有效。
综上所述，本发明利用具有多个通道的标准具精确测量激光频谱在各个特征频率上的强度信息，高精度地拟合原始频谱信号，能够在没有其他原理大气数据传感器支持的前提下独立、精确地反演大气数据信息。解决了激光大气数据***长期以来难以同时精确输出多种大气数据信息的固有难题，通过本发明提供的激光大气数据***与传统大气数据***组成非相似余度大气数据***能够大幅度地提高飞行大气参数的可靠性，保障飞机的飞行安全性。

Claims (16)

1.一种激光大气数据***，其特征在于，包括紫外激光器、光学窗口、收发天线、接收准直组件、多通道标准具、光电探测组件和数据采集处理组件；其中：
紫外激光器，用于产生探测光和参考光；其中参考光直接输送到接收准直组件；探测光通过收发天线和光学窗口发射到外界，与飞行器外部的大气环境发生散射作用生成携带大气数据信息的散射光，散射光经光学窗口被收发天线收集后输送到接收准直组件；
接收准直组件，用于将散射光和参考光进行准直和滤波后分别输送到多通道标准具；
多通道标准具包含一个参考光通道和至少三个信号光通道；其中参考光通道用于通过准直和滤波后的参考光产生一个参考光频率点光信号；信号光通道用于通过准直和滤波后的散射光产生信号光频率点光信号；
光电探测组件包括数量大于等于多通道标准具通道数的光电探测器，用于将频率点的光信号强度转化为光强电信号，得到一个参考光强度特征点和一组由至少三个信号光强度点组成的信号光强度特征值；
数据采集处理组件，用于对信号光强度特征值进行拟合，得到散射光频谱信号；基于参考光强度特征点对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号；对散射光频谱标定信号进行处理，得到大气数据并输出；
其中数据采集处理组件对信号光强度特征值进行拟合的方法包括以下子步骤：
S6-1、根据公式：
Figure 473720DEST_PATH_IMAGE001
构建拟合特征矩阵F；其中
Figure 722299DEST_PATH_IMAGE002
第1个信号光的信号频率；
Figure 586350DEST_PATH_IMAGE003
为第2个信号光的信号频率；
Figure 587673DEST_PATH_IMAGE004
为第n个信号光的信号频率；
S6-2、根据公式：
Figure 613397DEST_PATH_IMAGE005
构建信号光特征向量I；其中
Figure 83693DEST_PATH_IMAGE006
为第n个信号光强度特征值；
Figure 971009DEST_PATH_IMAGE007
为
Figure 577571DEST_PATH_IMAGE006
的调节系数；
S6-3、根据公式：
Figure 23464DEST_PATH_IMAGE008
获取特征值向量v；其中
Figure 981056DEST_PATH_IMAGE009
表示矩阵的转置；
S6-4、根据公式：
Figure 686711DEST_PATH_IMAGE010
获取散射光频谱信号
Figure 147779DEST_PATH_IMAGE011
；其中
Figure 780886DEST_PATH_IMAGE012
为频谱信号的曲线方程；
其中基于参考光强度特征点对散射光频谱信号进行修正的公式为：
Figure 943883DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 907422DEST_PATH_IMAGE014
为散射光频谱标定信号，
Figure 754155DEST_PATH_IMAGE015
为散射谱校准方程，
Figure 27005DEST_PATH_IMAGE016
为参考光特征值，
Figure 208456DEST_PATH_IMAGE017
为
Figure 490533DEST_PATH_IMAGE018
的调节系数。
2.根据权利要求1所述的激光大气数据***，其特征在于，收发天线为旁轴收发天线，包括并排设置的发射天线和接收天线，光学窗口设置在并排设置的发射天线和接收天线前方；发射天线用于发射探测光；接收天线用于接收散射光。
3.根据权利要求1所述的激光大气数据***，其特征在于，收发天线为同轴收发天线，光学窗口设置在同轴收发天线的前方。
4.根据权利要求1所述的激光大气数据***，其特征在于，收发天线为棱镜扫描式收发天线，包括依次设置的卡塞格林天线、反射镜和扫描棱镜；其中，探测光从紫外激光器发射并通过反射镜将探测光反射至扫描棱镜，通过扫描棱镜将探测光折射至光学窗口；
外部反射回的散射光通过扫描棱镜折射至卡塞格林天线边缘部分，通过卡塞格林天线将散射光反射至反射镜，通过反射镜将散射光反射至卡塞格林天线中心部分并穿过卡塞格林天线。
5.根据权利要求1所述的激光大气数据***，其特征在于，收发天线为关断式光开关的收发天线，包括第一分束器、合束器、至少三个关断式光开关、至少三个发射天线和至少三个接收天线；
第一分束器的输入端与紫外激光器的输出端相连，第一分束器的输出端分别与所有关断式光开关的输入端相连，每个关断式光开关的输出端与一个发射天线相连；
合束器的输出端与接收准直组件相连，合束器的输入端分别与每个接收天线相连。
6.根据权利要求5所述的激光大气数据***，其特征在于，相邻两个发射天线之间的夹角均为J；相邻两个接收天线之间的夹角均为J。
7.根据权利要求1所述的激光大气数据***，其特征在于，收发天线为切换式光开关的收发天线，包括第一切换式光开关、第二切换式光开关、至少三个发射天线和至少三个接收天线；
第一切换式光开关的输入端与紫外激光器的输出端相连，第一切换式光开关的输出端分别与每个发射天线相连；
第二切换式光开关的输出端与接收准直组件相连，第二切换式光开关的输入端分别与每个接收天线相连。
8.根据权利要求7所述的激光大气数据***，其特征在于，相邻两个发射天线之间的夹角均为J；相邻两个接收天线之间的夹角均为J。
9.根据权利要求1所述的激光大气数据***，其特征在于，接收准直组件包括两个接收准直模块，每个接收准直模块均包括一个第一准直镜和一个窄带滤光片；第一准直镜的输入端为接收准直模块的输入端，第一准直镜的输出端与窄带滤光片的输入端相连，窄带滤光片的输出端为接收准直模块的输出端；两个接收准直模块分别用于接收散射光和参考光。
10.根据权利要求9所述的激光大气数据***，其特征在于，第一准直镜包括一个凹透镜和一个凸透镜，凹透镜设置在凸透镜的前端。
11.根据权利要求1所述的激光大气数据***，其特征在于，参考光通道包括第一标准具通道；至少三个信号光通道包括一个第二分束器和至少三个第二标准具通道；第二分束器的输出端分别与每个第二标准具通道相连；第一标准具通道的输出端和所有第二标准具通道的输出端共同作为多通道标准具的输出端。
12.根据权利要求11所述的激光大气数据***，其特征在于，第一标准具通道和第二标准具通道的结构相同，均包括依次设置的发射端、第二准直镜、第一平行板、第二平行板、接收镜和接收端；第一平行板朝向第二平行板的一面和第二平行板朝向第一平行板的一面均设置有高反射膜；
发射端，用于将接收到的信号向第二准直镜发射。
13.根据权利要求1所述的激光大气数据***，其特征在于，光电探测器包括聚焦物镜和光电转换器；
聚焦物镜，用于聚焦接收到的信号，并将聚焦后的信号发送至光电转换器；
光电转换器，用于将接收到的光信号转换成光强电信号。
14.根据权利要求1所述的激光大气数据***，其特征在于，数据采集处理组件包括依次相连的拟合计算单元、校准计算单元和大气数据解算单元；
拟合计算单元，用于将光电探测组件发送的信号光强度特征值拟合为散射光频谱信号；
校准计算单元，用于基于参考光强度特征点对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号；
大气数据解算单元，用于对散射光频谱标定信号进行处理，得到大气数据并输出。
15.一种基于权利要求1-14任一所述的激光大气数据***的激光大气数据计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过紫外激光器产生探测光和参考光；
S2、通过收发天线和光学窗口将探测光发射到外界，并接收与飞行器外部的大气环境发生散射作用生成携带大气数据信息的散射光；
S3、通过接收准直组件将散射光和参考光进行准直和滤波后分别输送到多通道标准具；
S4、通过多通道标准具基于准直和滤波后的参考光产生一个参考光频率点光信号；通过多通道标准具基于准直和滤波后的散射光产生信号光频率点光信号；
S5、光电探测组件将频率点的光信号强度转化为光强电信号，得到一个参考光强度特征点和一组由至少三个信号光强度点组成的信号光强度特征值；
S6、对信号光强度特征值进行拟合，得到散射光频谱信号；
S7、基于参考光强度特征点，根据公式：
Figure 673996DEST_PATH_IMAGE019
对散射光频谱信号进行修正，得到散射光频谱标定信号
Figure 383326DEST_PATH_IMAGE020
；其中
Figure 786495DEST_PATH_IMAGE015
为散射谱校准方程，
Figure 872262DEST_PATH_IMAGE018
为参考光特征值，
Figure 162430DEST_PATH_IMAGE017
为
Figure 58972DEST_PATH_IMAGE018
的调节系数；
S8、对散射光频谱标定信号进行处理，得到大气数据并输出；
步骤S6的拟合方法包括以下子步骤：
S6-1、根据公式：
Figure 434590DEST_PATH_IMAGE001
构建拟合特征矩阵F；其中
Figure 307737DEST_PATH_IMAGE002
第1个信号光的信号频率；
Figure 983569DEST_PATH_IMAGE003
为第2个信号光的信号频率；
Figure 34702DEST_PATH_IMAGE004
为第n个信号光的信号频率；
S6-2、根据公式：
Figure 916857DEST_PATH_IMAGE005
构建信号光特征向量I；其中
Figure 78848DEST_PATH_IMAGE006
为第n个信号光强度特征值；
Figure 858454DEST_PATH_IMAGE007
为
Figure 346067DEST_PATH_IMAGE006
的调节系数；
S6-3、根据公式：
Figure 961856DEST_PATH_IMAGE008
获取特征值向量v；其中
Figure 412691DEST_PATH_IMAGE009
表示矩阵的转置；
S6-4、根据公式：
Figure 797536DEST_PATH_IMAGE010
获取散射光频谱信号
Figure 705318DEST_PATH_IMAGE011
；其中
Figure 808404DEST_PATH_IMAGE012
为频谱信号的曲线方程。
16.根据权利要求15所述的激光大气数据计算方法，其特征在于，步骤S8的具体方法包括以下子步骤：
S8-1、通过解算中心频率与紫外激光器发射激光中心频率的差值得到多普勒频移，表达式为：
Figure 60000DEST_PATH_IMAGE021
其中
Figure 299351DEST_PATH_IMAGE022
为多普勒频移；
Figure 128767DEST_PATH_IMAGE023
为解算中心频率，即由散射光频谱标定信号
Figure 968416DEST_PATH_IMAGE024
计算的中心频率；
Figure 10321DEST_PATH_IMAGE025
为紫外激光器发射激光中心频率；
S8-2、根据多普勒频移计算视线速度V，计算表达式为：
Figure 120491DEST_PATH_IMAGE026
其中
Figure 120808DEST_PATH_IMAGE027
为紫外激光器发射激光中心波长；
S8-3、通过解算散射光频谱标定信号
Figure 932906DEST_PATH_IMAGE020
的频谱展宽获取大气静温
Figure 293349DEST_PATH_IMAGE028
，计算表达式为：
Figure 507293DEST_PATH_IMAGE029
其中
Figure 420455DEST_PATH_IMAGE030
为温度调节系数；
Figure 719849DEST_PATH_IMAGE031
为频谱展宽计算模型；
S8-4、通过解算散射光频谱标定信号
Figure 369136DEST_PATH_IMAGE020
的包络面积
Figure 686854DEST_PATH_IMAGE032
得到大气密度
Figure 28973DEST_PATH_IMAGE033
，计算表达式为：
Figure 566396DEST_PATH_IMAGE034
其中
Figure 19374DEST_PATH_IMAGE035
为包络面积计算模型；
Figure 207910DEST_PATH_IMAGE036
为密度调节系数；
S8-5、根据不同探测方向的视线速度计算三轴矢量空速，计算表达式为：
Figure 970199DEST_PATH_IMAGE037
其中
Figure 244185DEST_PATH_IMAGE038
为x轴矢量空速；
Figure 500854DEST_PATH_IMAGE039
为y轴矢量空速；
Figure 291699DEST_PATH_IMAGE040
为z轴矢量空速；
Figure 975622DEST_PATH_IMAGE041
为角度修正矩阵；
Figure 455013DEST_PATH_IMAGE042
为视线速度投影角度修正矩阵；
Figure 515373DEST_PATH_IMAGE043
为第n个探测方向的视线速度；
S8-6、基于三轴矢量空速获取真空速TAS、攻角
Figure 412922DEST_PATH_IMAGE044
和侧滑角
Figure 18478DEST_PATH_IMAGE045
，计算表达式为：
Figure 1478DEST_PATH_IMAGE046
Figure 849217DEST_PATH_IMAGE047
Figure 601272DEST_PATH_IMAGE048
其中
Figure 892576DEST_PATH_IMAGE049
为反正切函数；
S8-7、基于大气静温获取该温度对应的声速a，计算公式为：
Figure 116534DEST_PATH_IMAGE050
；
S8-8、基于真空速和声速计算马赫数M，计算公式为：
Figure 987538DEST_PATH_IMAGE051
；
S8-9、基于马赫数和大气静温计算大气总温
Figure 108947DEST_PATH_IMAGE052
，计算公式为：
Figure 836731DEST_PATH_IMAGE053
；
S8-10、基于大气静温和大气密度计算大气静压
Figure 794323DEST_PATH_IMAGE054
，计算公式为：
Figure 750909DEST_PATH_IMAGE055
；
S8-11、基于大气静压计算气压高度
Figure 477556DEST_PATH_IMAGE056
和升降速度
Figure 845084DEST_PATH_IMAGE057
，计算公式为：
Figure 273660DEST_PATH_IMAGE058
Figure 17625DEST_PATH_IMAGE059
其中
Figure 81002DEST_PATH_IMAGE060
为当前时刻的气压高度；
Figure 885010DEST_PATH_IMAGE061
为上一时刻的气压高度；
Figure 551615DEST_PATH_IMAGE062
为当前时刻和上一时刻的时间差；
S8-12、基于马赫数和大气静压计算大气总压
Figure 82959DEST_PATH_IMAGE063
，计算公式为：
Figure 784199DEST_PATH_IMAGE064
；
S8-13、基于大气静压和大气总压计算大气动压
Figure 978682DEST_PATH_IMAGE065
，计算公式为：
Figure 398162DEST_PATH_IMAGE066
；
S8-14、根据公式：
Figure 467618DEST_PATH_IMAGE067
基于大气动压计算校准空速CAS。
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