CN114460602A - 近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***及方法 - Google Patents

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CN114460602A CN202210046598.2A CN202210046598A CN114460602A CN 114460602 A CN114460602 A CN 114460602A CN 202210046598 A CN202210046598 A CN 202210046598A CN 114460602 A CN114460602 A CN 114460602A
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raman
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杨帆
华灯鑫
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Abstract

本发明公开的供近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，包括有激光发射子***、侧向望远镜接收与分光子***、数据采集与反演子***；激光发射子***，能够发出特定波长的激光，并垂直射向大气；侧向望远镜组接收及分光子***，用于接收、分离提取及探测提取相对激光发光谱侧向散射高低量子数通道的纯转动拉曼散射回波信号；数据采集与反演子***，采集相对激光发射光谱具有高低量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号，并实大气温度的数据反演，数据采集与反演子***与侧向望远镜接组收及分光子***连接。还公开一种近地层无盲区温度探测拉曼激光雷达方法。

Description

近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***及方法
技术领域
本发明属于大气温度探测技术领域，具体涉及一种近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，还涉及一种近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达方法。
背景技术
大气温度是重要的气象及大气物理参量，发生在大气中的物理化学、天气预报等各种自然天气现象和大气状态变化以及环境检测，都可通过大气温度参量进行研究。特别是对流层底部和中部的大气温度与人类生活息息相关，大气温度的变化也间接反映了臭氧浓度的变化，导致近年来全球气候变暖的趋势下世界各地极端天气频发。因此，开展大气温度的高时空分辨率实时探测，深入研究大气科学及全球变暖与极端天气的关联性等具有非常重要的意义。
纯转动拉曼激光雷达是利用激光雷达技术测量大气温度廓线的方法，但传统的后向纯转动拉曼散射激光雷达由于几何重叠因子的存在盲区和过渡区，在测量大气温度时无法探测到低层大气温度信息。因此后向纯转动拉曼散射激光雷达对整层大气温度探测，特别是低层大气温度探测的实施有一定的局限性。为了实现无盲区探测，对激光雷达接收***进行重新设计，采用侧向纯转动拉曼散射激光雷达技术实现低层大气温度探测。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，以实现近地层大气温度的探测。
本发明的第二个目的是提供一种近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，供近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，其特征在于，包括有激光发射子***、侧向望远镜接收与分光子***、数据采集与反演子***；
激光发射子***，能够发出特定波长的激光，并垂直射向大气；
侧向望远镜组接收及分光子***，用于接收、分离提取及探测提取相对激光发光谱侧向散射高低量子数通道的纯转动拉曼散射回波信号；
数据采集与反演子***，采集相对激光发射光谱具有高低量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号，并实大气温度的数据反演，数据采集与反演子***与侧向望远镜接组收及分光子***连接。
本发明的特征还在于，
激光发射子***包括有激光器、激光扩束器及45°全反镜；激光器、激光扩束器及45°全反镜放置于同一水平面，由激光器发出的水平激光经过激光扩束器及45°全反镜后垂直射向大气；45°全反镜为可电动调节45°全反镜。
激光器为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器。
侧向望远镜接收及分光子***包括电动可调俯仰支架，电动可调俯仰支架上安装有两个侧向望远镜组，侧向望远镜组包括有两个侧向望远镜，其中一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜a、第一滤光片a、第二滤光片a、第二片透镜a及PMT光电探测器a；另一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜b、第一滤光片b、第二滤光片b、第二片透镜b及PMT光电探测器b；PMT光电探测器a记录相对激光发射光谱侧向散射高量子数通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号，PMT光电探测器b记录相对激光发射光谱侧向散射低量子数通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号。
第一滤光片a及第二滤光片a的高量子通道中心波长为：相对激光发射波长具有拉曼信号随温度负变化率最大；具体参数为：带宽为：0.2～0.3nm，抑制率为：OD大于等于6，工作角度：5°～7°；
第一滤光片b、第二滤光片b的低量子通道中心波长为：相对激光发射波长具有拉曼信号随温度正变化率最大；具体参数为：带宽为：0.2～0.3nm，抑制率为：OD大于等于6，工作角度：5°～7°。
本发明所采用的第二种技术方案是，近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达方法，具体按照一下步骤实施：
步骤1、侧向纯转动拉曼散射激光雷达初始化；
步骤2、由俯仰转动平台经侧向望远镜组接收到每个高度层的数据为直流电平信号；通过望远镜在0～90°俯仰角θ下，每旋转任意一个角度所接收到的侧向拉曼散射回波信号，将所有采集到的电平信号进行拟合，可获得侧向拉曼散射回波信号；
步骤3、侧向纯转动拉曼激光雷达探测大气温度标定函数的优化；
步骤4、通过侧向纯转动拉曼散射大气温度探测激光雷达反演算法获取低层大气温度廓线；
步骤5、计算侧向纯转动拉曼大气温度的不确定度；
步骤6、对侧向纯转动拉曼散射激光雷达反演获得地低层大气温度廓线与后向纯转动拉曼散射激光雷达反演获得地的高层大气温度廓线进行拼接，得到整层大气温度廓线实现无盲区探测。
本发明的特征还在于，
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、令y＝lnQ(z,T)和x＝1/T拟合函数可以表示为
Figure BDA0003469166690000041
步骤3.2、添加x＝1/T项，则标定函数为：
Figure BDA0003469166690000042
可得温度TCF1的表达式为：
Figure BDA0003469166690000043
式中：
Figure BDA0003469166690000044
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，Q(T,z)为侧向纯转动拉曼散射信号比值，
Figure BDA0003469166690000045
和
Figure BDA0003469166690000046
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，
Figure BDA0003469166690000047
为大气透过率修正函数，T为温度，a、b、c为待定系数；
步骤3.3、添加y＝lnQ(z,T)项，则标定函数为：
Figure BDA0003469166690000048
可得温度TCF2的表达式为：
Figure BDA0003469166690000049
式中：
Figure BDA00034691666900000410
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，Q(T,z)为侧向纯转动拉曼散射信号比值，
Figure BDA00034691666900000411
和
Figure BDA0003469166690000051
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，
Figure BDA0003469166690000052
为大气透过率修正函数，T为温度，Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，a、b、c为待定系数。
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、由侧向拉曼散射激光雷达的几何结构，可得侧向高低量子通道的纯转动拉曼散射回波信号
Figure BDA0003469166690000053
和
Figure BDA0003469166690000054
公式如下：
Figure BDA0003469166690000055
Figure BDA0003469166690000056
式中，
Figure BDA0003469166690000057
和
Figure BDA0003469166690000058
分别为侧向纯转动拉曼散射高低量子通道的信号功率，E0为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器激光器的功率，z为探测高度，θ为散射角，J为转动量子数，A为望远镜的接收面积，K为***常数，D为侧向望远镜与垂直激光束之间的水平距离，T为温度，N(z)为大气分子数密度，
Figure BDA0003469166690000059
表示低量子通道氮气和氧气分子所占大气体积比，
Figure BDA00034691666900000510
表示高量子通道氮气和氧气分子所占大气体积比，σi(J,T)表示氮气和氧气分子的纯转动拉曼谱线后向散射截面，fL(θ)为低量子通道的纯转动拉曼散射相函数，fH(θ)为高量子通道的纯转动拉曼散射相函数，λ0为激光发射波长，Tz(z,λ0)为去程大气透过率，
Figure BDA00034691666900000511
为低量子通道的斜程大气透过率，
Figure BDA00034691666900000512
为高量子通道的大气透过率，dθ为侧向望远镜的视场角，
Figure BDA00034691666900000513
和
Figure BDA00034691666900000514
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长；
步骤4.2、分别在高低量子数通道中提取单条谱线，侧向纯转动拉曼散射信号比值Q(T,z)，表示为：
Figure BDA0003469166690000061
式中，
Figure BDA0003469166690000062
和
Figure BDA0003469166690000063
分别为侧向高低量子通道的拉曼散射信号功率，σ(JL,T)和σ(JH,T)为低量子通道和高量子通道的纯转动拉曼谱线后向散射截面，Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，
Figure BDA0003469166690000064
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，T为温度，
Figure BDA0003469166690000065
和
Figure BDA0003469166690000066
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，A和B分别为由理论定义推导出的标定系数；
步骤4.3、可得温度T，表示为：
Figure BDA0003469166690000067
式中：Q(T,z)为侧向纯转动拉曼散射信号比值，
Figure BDA0003469166690000068
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，
Figure BDA0003469166690000069
和
Figure BDA00034691666900000610
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，Δfr(θ)为侧向纯转动拉曼散射高低量子数通道的相函数之比，T为温度，A和B分别为由理论定义推导出的标定系数。
Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，表示为：
Figure BDA00034691666900000611
式中，fL(θ)为低量子通道的纯转动拉曼散射相函数，fH(θ)为高量子通道的纯转动拉曼散射相函数，βL(θ,λL)和βH(θ,λH)分别为低量子通道和高量子通道的侧向散射系数，βL(λL)和βH(λH)分别为低量子通道和高量子通道的后向散射系数；
Figure BDA0003469166690000071
为大气透过率修正函数，表示为：
Figure BDA0003469166690000072
式中，
Figure BDA0003469166690000073
为低量子通道的斜程大气透过率，
Figure BDA0003469166690000074
为高量子通道的大气透过率，θ为散射角，
Figure BDA0003469166690000075
为低量子通道的消光系数，
Figure BDA0003469166690000076
为高量子通道的消光系数，z为探测高度；
步骤5中，侧向纯转动拉曼的温度测量不确定度ΔT可以表示为：
Figure BDA0003469166690000077
式中：
Figure BDA0003469166690000078
为侧向纯转动拉曼拉曼高低量子数信号强度之比，Q1和Q2分别为不同温度对下侧向纯转动拉曼散射高低量子数通道的信号强度之比，
Figure BDA0003469166690000079
和
Figure BDA00034691666900000710
分别为侧向纯转动拉曼散射高低量子通道的信号功率，T1和T2分别为第一次和第二次计算出的温度。
步骤6具体按照以下步骤实施：
方法一、利用相函数对侧向纯转动拉曼散射的高低量子通道回波信号分别进行修正，转化为后向纯转动拉曼散射的高低量子通道回波信号，再对低层和高层数据进行反演，从而得到归一化的大气温度廓线；
或，
方法二、在散射角为178°～180°的范围内进行拼接，此时fL(θ)≈1，fH(θ)≈1。此时侧向纯转动拉曼散射激光雷达方程和后向纯转动拉曼散射激光雷达方程仅相差一个常数，可对两种雷达数据进行拼接得到整层大气温度廓线。
本发明的有益效果是：
本发明***与传统的单基地后向散射激光雷达具有很大的区别，其采用双基地模式的侧向散射激光雷达形式，解决了低层大气温度的精确探测问题。无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***由三大部分组成：激光发射子***，可0～90°俯仰转动的侧向望远镜组接收与分光子***，数据采集与反演子***。其中激光发射子***可发出指定波长的脉冲激光或连续激光射向大气，并与大气颗粒物和大气分子发生散射作用；侧向望远镜组接收与分光子***用于接收高低量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号；数据采集与反演子***用于对大气回波信号的数据采集与数据反演，以获得低层大气温度信息。无盲区侧向拉曼散射激光雷达距离分辨率dz为望远镜在俯仰角θ下的接收视场dθ所对应接收到的激光光束长度。侧向拉曼散射激光雷达的大气温度廓线可通过连续转动望远镜接收子***的俯仰角，并记录每一个角度θ下的高低量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号来实现。由于每个俯仰角对应一个高度信息，因此可形成高低量子通道两个拉曼激光雷达廓线方程，用于计算并获得近地层大气温度廓线。
本发明方法采用收发分置的双基地侧向拉曼散射激光雷达探测方法，设计近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，以实现近地层段大气温度的精确探测。在激光发射单元采用脉冲激光器的条件下，可同时设计并搭建后向拉曼散射激光雷达的大气温度探测***。无盲区侧向拉曼散射激光雷达***与后向拉曼散射激光雷达***的综合使用，可实现从近地表到高层大气温度的精细探测，为气候和环境研究提供新型的激光遥感新技术和新方法。
附图说明
图1为本发明供近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***的结构示意图；
图2为本发明接收的侧向纯转动拉曼散射激光雷达大气回波信号光谱分布图；
图3为本发明方法中侧向散射激光雷达视场角与距离分辨率计算模型示意图；
图4为后向和侧向整层大气温度激光雷达探测***结构示意图；
图5为本发明方法的流程图。
图中，1.激光器，2.激光扩束器，3.45°全反镜，4.后向望远镜，5.侧向望远镜组，6.第一片透镜a，7.第一滤光片a，8.第二滤光片a，9.第二片透镜a，10.PMT光电探测器a、11.电动可调俯仰支架，12.第一数据采集***，13.三棱镜，14.后向纯转动拉曼散射大气温度探测激光雷达分光***，15.第二数据采集***、16.第一片透镜b、17.第一滤光片b、18.第二滤光片b、19.第二片透镜b、20.PMT光电探测器b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，如图1-2所示，包括有激光发射子***、侧向望远镜接收与分光子***、数据采集与反演子***；
激光发射子***，能够发出特定波长的激光，并垂直射向大气；
侧向望远镜组接收及分光子***，用于接收、分离提取及探测提取相对激光发光谱侧向散射高低量子数通道的纯转动拉曼散射回波信号；
数据采集与反演子***即第一数据采集***12，采集相对激光发射光谱具有高低量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号，并实大气温度的数据反演，数据采集与反演子***与侧向望远镜接组收及分光子***连接。
激光发射子***包括有激光器1、激光扩束器2及45°全反镜3；激光器1、激光扩束器2及45°全反镜3放置于同一水平面，由激光器1发出的水平激光经过激光扩束器2及45°全反镜3后垂直射向大气；45°全反镜3为可电动调节45°全反镜。
激光器1为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器。
侧向望远镜接收及分光子***包括电动可调俯仰支架11，电动可调俯仰支架11上安装有两个侧向望远镜组5，侧向望远镜组5包括有两个侧向望远镜，其中一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜a6、第一滤光片a7、第二滤光片a8、第二片透镜a9及PMT光电探测器a10；另一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜b16、第一滤光片b17、第二滤光片b18、第二片透镜b19及PMT光电探测器b20；PMT光电探测器a10记录相对激光发射光谱侧向散射高量子数通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号，PMT光电探测器b20记录相对激光发射光谱侧向散射低量子数通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号。
第一滤光片a7及第二滤光片a8的高量子通道中心波长为：相对激光发射波长具有拉曼信号随温度负变化率最大；具体参数为：带宽为：0.2～0.3nm，抑制率为：OD大于等于6，工作角度：5°～7°；
第一滤光片b17、第二滤光片b18的低量子通道-中心波长为：相对激光发射波长具有拉曼信号随温度正变化率最大；具体参数为：带宽为：0.2～0.3nm，抑制率为：OD大于等于6，工作角度：5°～7°。
如图4所示，为本发明***与后向拉曼散射激光雷达***结合使用的实例，后向拉曼散射激光雷达***由后向望远镜4、三棱镜13、后向纯转动拉曼散射大气温度探测激光雷达分光***14、第二数据采集***15组成，可与侧向纯转动拉曼散射激光雷达结合实现从近地表到高层大气温度的精细探测。
侧向望远镜接收与分光子***和激光发射子***分置两处，且侧向望远镜组5出光口与45°全反镜3距离为D，其可由两个单独的侧向望远镜组成，侧向望远镜组视场朝向与激光束垂直并指向激光束，保持视场一致；一个侧向望远镜接收的侧向散射光经第一片透镜a6准直后由第一滤光片a7和第二滤光片a8分离提出侧向纯转动拉曼高量子通道信号，经第二片透镜a9进行汇聚由PMT光电探测器a10接收；另一个侧向望远镜接收的侧向散射光经第一片透镜b16准直后由第一滤光片b17和第二滤光片b18分离提取侧向纯转动拉曼低量子通道信号，经第二片透镜b19进行汇聚由PMT光电探测器b20接收；
其中一个侧向望远镜接收与分光子***分离提取高量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号，另外一个侧向望远镜接收和分光子***分离提取低量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号；
数据采集与反演子***，分别采集高低量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号，用于反演大气温度；
两个PMT光电探测器分别探测相对激光发射光谱具有高低量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号；
侧向激光雷达数据的廓线是通过侧向望远镜接组收与分光子***的俯仰角转动实现的；
侧向激光雷达距离分辨率是不等距的，由收发***的间距D侧向望远镜的视场角共同所决定；
侧向激光雷达距离分辨率dz为侧向望远镜在俯仰角θ下的接收视场dθ所对应接收到的激光光束长度；
当光源为脉冲激光时，可同时利用其作为激励光源构建后向纯转动拉曼散射激光雷达，并与近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***构建从低层到高层大气温度无盲区精确探测的综合激光遥感***；
本发明还提供一种近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达方法，如图3、图5所示，具体按照一下步骤实施：
步骤1、侧向纯转动拉曼散射激光雷达初始化；
步骤2、由俯仰转动平台11经侧向望远镜组5接收到每个高度层的数据为直流电平信号；通过望远镜在0～90°俯仰角θ下，每旋转任意一个角度所接收到的侧向拉曼散射回波信号，将所有采集到的电平信号进行拟合，可获得侧向拉曼散射回波信号；
步骤3、侧向纯转动拉曼激光雷达探测大气温度标定函数的优化；
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、令y＝lnQ(z,T)和x＝1/T拟合函数可以表示为
Figure BDA0003469166690000121
步骤3.2、添加x＝1/T项，则标定函数为：
Figure BDA0003469166690000122
可得温度TCF1的表达式为：
Figure BDA0003469166690000123
式中：
Figure BDA0003469166690000124
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，Q(T,z)为侧向纯转动拉曼散射信号比值，
Figure BDA0003469166690000125
和
Figure BDA0003469166690000126
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，
Figure BDA0003469166690000131
为大气透过率修正函数，T为温度，a、b、c为待定系数；
步骤3.3、添加y＝lnQ(z,T)项，则标定函数为：
Figure BDA0003469166690000132
可得温度TCF2的表达式为：
Figure BDA0003469166690000133
式中：
Figure BDA0003469166690000134
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，Q(T,z)为侧向纯转动拉曼散射信号比值，
Figure BDA0003469166690000135
和
Figure BDA0003469166690000136
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，
Figure BDA0003469166690000137
为大气透过率修正函数，T为温度，Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，a、b、c为待定系数。
步骤4、通过侧向纯转动拉曼散射大气温度探测激光雷达反演算法获取低层大气温度廓线；
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、由侧向拉曼散射激光雷达的几何结构，可得侧向高低量子通道的纯转动拉曼散射回波信号
Figure BDA0003469166690000138
和
Figure BDA0003469166690000139
公式如下：
Figure BDA00034691666900001310
Figure BDA00034691666900001311
式中，
Figure BDA00034691666900001312
和
Figure BDA00034691666900001313
分别为侧向纯转动拉曼散射高低量子通道的信号功率，E0为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器激光器的功率，z为探测高度，θ为散射角，J为转动量子数，A为望远镜的接收面积，K为***常数，D为侧向望远镜与垂直激光束之间的水平距离，T为温度，N(z)为大气分子数密度，
Figure BDA0003469166690000141
表示低量子通道氮气和氧气分子所占大气体积比，
Figure BDA0003469166690000142
表示高量子通道氮气和氧气分子所占大气体积比，σi(J,T)表示氮气和氧气分子的纯转动拉曼谱线后向散射截面，fL(θ)为低量子通道的纯转动拉曼散射相函数，fH(θ)为高量子通道的纯转动拉曼散射相函数，λ0为激光发射波长，Tz(z,λ0)为去程大气透过率，
Figure BDA0003469166690000143
为低量子通道的斜程大气透过率，
Figure BDA0003469166690000144
为高量子通道的大气透过率，dθ为侧向望远镜的视场角，
Figure BDA0003469166690000145
和
Figure BDA0003469166690000146
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长；
步骤4.2、分别在高低量子数通道中提取单条谱线，侧向纯转动拉曼散射信号比值Q(T,z)，表示为：
Figure BDA0003469166690000147
式中，
Figure BDA0003469166690000148
和
Figure BDA0003469166690000149
分别为侧向高低量子通道的拉曼散射信号功率，σ(JL,T)和σ(JH,T)为低量子通道和高量子通道的纯转动拉曼谱线后向散射截面，Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，
Figure BDA00034691666900001410
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，T为温度，
Figure BDA00034691666900001411
和
Figure BDA00034691666900001412
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，A和B分别为由理论定义推导出的标定系数；
步骤4.3、可得温度T，表示为：
Figure BDA00034691666900001413
式中：Q(T,z)为侧向纯转动拉曼散射信号比值，
Figure BDA00034691666900001414
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，
Figure BDA0003469166690000151
和
Figure BDA0003469166690000152
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，Δfr(θ)为侧向纯转动拉曼散射高低量子数通道的相函数之比，T为温度，A和B分别为由理论定义推导出的标定系数。
Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，表示为：
Figure BDA0003469166690000153
式中，fL(θ)为低量子通道的纯转动拉曼散射相函数，fH(θ)为高量子通道的纯转动拉曼散射相函数，βL(θ,λL)和βH(θ,λH)分别为低量子通道和高量子通道的侧向散射系数，βL(λL)和βH(λH)分别为低量子通道和高量子通道的后向散射系数；
Figure BDA0003469166690000154
为大气透过率修正函数，表示为：
Figure BDA0003469166690000155
式中，
Figure BDA0003469166690000156
为低量子通道的斜程大气透过率，
Figure BDA0003469166690000157
为高量子通道的大气透过率，θ为散射角，
Figure BDA0003469166690000158
为低量子通道的消光系数，
Figure BDA0003469166690000159
为高量子通道的消光系数，z为探测高度；
步骤5、计算侧向纯转动拉曼大气温度的不确定度；
步骤5中，侧向纯转动拉曼的温度测量不确定度ΔT可以表示为：
Figure BDA00034691666900001510
式中：
Figure BDA00034691666900001511
为侧向纯转动拉曼拉曼高低量子数信号强度之比，Q1和Q2分别为不同温度对下侧向纯转动拉曼散射高低量子数通道的信号强度之比，
Figure BDA0003469166690000161
和
Figure BDA0003469166690000162
分别为侧向纯转动拉曼散射高低量子通道的信号功率，T1和T2分别为第一次和第二次计算出的温度。
步骤6、对侧向纯转动拉曼散射激光雷达反演获得地低层大气温度廓线与后向纯转动拉曼散射激光雷达反演获得地的高层大气温度廓线进行拼接，得到整层大气温度廓线实现无盲区探测。
步骤6具体按照以下步骤实施：
方法一、利用相函数对侧向纯转动拉曼散射的高低量子通道回波信号分别进行修正，转化为后向纯转动拉曼散射的高低量子通道回波信号，再对低层和高层数据进行反演，从而得到归一化的大气温度廓线；
或，
方法二、在散射角为178°～180°的范围内进行拼接，此时fL(θ)≈1，fH(θ)≈1。此时侧向纯转动拉曼散射激光雷达方程和后向纯转动拉曼散射激光雷达方程仅相差一个常数，可对两种雷达数据进行拼接得到整层大气温度廓线。

Claims (10)

1.供近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，其特征在于，包括有激光发射子***、侧向望远镜接收与分光子***、数据采集与反演子***；
激光发射子***，能够发出特定波长的激光，并垂直射向大气；
侧向望远镜组接收及分光子***，用于接收、分离提取及探测提取相对激光发光谱侧向散射高低量子数通道的纯转动拉曼散射回波信号；
数据采集与反演子***，采集相对激光发射光谱具有高低量子通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号，并实大气温度的数据反演，数据采集与反演子***与侧向望远镜接组收及分光子***连接。
2.根据权利要求1所述的供近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，其特征在于，激光发射子***包括有激光器(1)、激光扩束器(2)及45°全反镜(3)；激光器(1)、激光扩束器(2)及45°全反镜(3)放置于同一水平面，由激光器(1)发出的水平激光经过激光扩束器(2)及45°全反镜(3)后垂直射向大气；45°全反镜(3)为可电动调节45°全反镜。
3.根据权利要求2所述的供近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，其特征在于，激光器(1)为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器。
4.根据权利要求2所述的供近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，其特征在于，侧向望远镜接收及分光子***包括电动可调俯仰支架(11)，电动可调俯仰支架(11)上安装有两个侧向望远镜组(5)，侧向望远镜组(5)包括有两个侧向望远镜，其中一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜a(6)、第一滤光片a(7)、第二滤光片a(8)、第二片透镜a(9)及PMT光电探测器a(10)；另一个侧向望远镜的出光口后依次安装有第一片透镜b(16)、第一滤光片b(17)、第二滤光片b(18)、第二片透镜b(19)及PMT光电探测器b(20)；PMT光电探测器a(10)记录相对激光发射光谱侧向散射高量子数通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号，PMT光电探测器b(20)记录相对激光发射光谱侧向散射低量子数通道的侧向纯转动拉曼散射回波信号。
5.根据权利要求4所述的供近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达***，其特征在于，第一滤光片a(7)及第二滤光片a(8)的高量子通道中心波长为：相对激光发射波长具有拉曼信号随温度负变化率最大；具体参数为：带宽为：0.2～0.3nm，抑制率为：OD大于等于6，工作角度：5°～7°；
第一滤光片b(17)、第二滤光片b(18)的低量子通道中心波长为：相对激光发射波长具有拉曼信号随温度正变化率最大；具体参数为：带宽为：0.2～0.3nm，抑制率为：OD大于等于6，工作角度：5°～7°。
6.近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达方法，其特征在于，具体按照一下步骤实施：
步骤1、侧向纯转动拉曼散射激光雷达初始化；
步骤2、由俯仰转动平台(11)经侧向望远镜组(5)接收到每个高度层的数据为直流电平信号；通过望远镜在0～90°俯仰角θ下，每旋转任意一个角度所接收到的侧向拉曼散射回波信号，将所有采集到的电平信号进行拟合，可获得侧向拉曼散射回波信号；
步骤3、侧向纯转动拉曼激光雷达探测大气温度标定函数的优化；
步骤4、通过侧向纯转动拉曼散射大气温度探测激光雷达反演算法获取低层大气温度廓线；
步骤5、计算侧向纯转动拉曼大气温度的不确定度；
步骤6、对侧向纯转动拉曼散射激光雷达反演获得地低层大气温度廓线与后向纯转动拉曼散射激光雷达反演获得地的高层大气温度廓线进行拼接，得到整层大气温度廓线实现无盲区探测。
7.根据权利要求6所述的近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达方法，其特征在于，步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、令y＝lnQ(z,T)和x＝1/T拟合函数可以表示为
Figure FDA0003469166680000031
步骤3.2、添加x＝1/T项，则标定函数为：
Figure FDA0003469166680000032
可得温度TCF1的表达式为：
Figure FDA0003469166680000033
式中：
Figure FDA0003469166680000034
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，Q(T,z)为侧向纯转动拉曼散射信号比值，
Figure FDA0003469166680000035
和
Figure FDA0003469166680000036
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，
Figure FDA0003469166680000037
为大气透过率修正函数，T为温度，a、b、c为待定系数；
步骤3.3、添加y＝lnQ(z,T)项，则标定函数为：
Figure FDA0003469166680000038
可得温度TCF2的表达式为：
Figure FDA0003469166680000039
式中：
Figure FDA00034691666800000310
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，Q(T,z)为侧向纯转动拉曼散射信号比值，
Figure FDA00034691666800000311
和
Figure FDA00034691666800000312
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，
Figure FDA0003469166680000041
为大气透过率修正函数，T为温度，Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，a、b、c为待定系数。
8.根据权利要求6所述的近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达方法，其特征在于，步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、由侧向拉曼散射激光雷达的几何结构，可得侧向高低量子通道的纯转动拉曼散射回波信号
Figure FDA0003469166680000042
和
Figure FDA0003469166680000043
公式如下：
Figure FDA0003469166680000044
Figure FDA0003469166680000045
式中，
Figure FDA0003469166680000046
和
Figure FDA0003469166680000047
分别为侧向纯转动拉曼散射高低量子通道的信号功率，E0为高能量脉冲激光器或高功率连续激光器激光器的功率，z为探测高度，θ为散射角，J为转动量子数，A为望远镜的接收面积，K为***常数，D为侧向望远镜与垂直激光束之间的水平距离，T为温度，N(z)为大气分子数密度，
Figure FDA0003469166680000048
表示低量子通道氮气和氧气分子所占大气体积比，
Figure FDA0003469166680000049
表示高量子通道氮气和氧气分子所占大气体积比，σi(J,T)表示氮气和氧气分子的纯转动拉曼谱线后向散射截面，fL(θ)为低量子通道的纯转动拉曼散射相函数，fH(θ)为高量子通道的纯转动拉曼散射相函数，λ0为激光发射波长，Tz(z,λ0)为去程大气透过率，
Figure FDA00034691666800000410
为低量子通道的斜程大气透过率，
Figure FDA00034691666800000411
为高量子通道的大气透过率，dθ为侧向望远镜的视场角，
Figure FDA00034691666800000412
和
Figure FDA00034691666800000413
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长；
步骤4.2、分别在高低量子数通道中提取单条谱线，侧向纯转动拉曼散射信号比值Q(T,z)，表示为：
Figure FDA0003469166680000051
式中，
Figure FDA0003469166680000052
和
Figure FDA0003469166680000053
分别为侧向高低量子通道的拉曼散射信号功率，σ(JL,T)和σ(JH,T)为低量子通道和高量子通道的纯转动拉曼谱线后向散射截面，Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，
Figure FDA0003469166680000054
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，T为温度，
Figure FDA0003469166680000055
和
Figure FDA0003469166680000056
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，A和B分别为由理论定义推导出的标定系数；
步骤4.3、可得温度T，表示为：
Figure FDA0003469166680000057
式中：Q(T,z)为侧向纯转动拉曼散射信号比值，
Figure FDA0003469166680000058
为大气透过率修正函数，z为探测高度，θ为散射角，
Figure FDA0003469166680000059
和
Figure FDA00034691666800000510
分别为低量子通道和高量子通道的散射波长，Δfr(θ)为侧向纯转动拉曼散射高低量子数通道的相函数之比，T为温度，A和B分别为由理论定义推导出的标定系数。
Δfr(θ)为侧向高低量子数通道的纯转动拉曼散射相函数之比，表示为：
Figure FDA00034691666800000511
式中，fL(θ)为低量子通道的纯转动拉曼散射相函数，fH(θ)为高量子通道的纯转动拉曼散射相函数，βL(θ,λL)和βH(θ,λH)分别为低量子通道和高量子通道的侧向散射系数，βL(λL)和βH(λH)分别为低量子通道和高量子通道的后向散射系数；
Figure FDA0003469166680000061
为大气透过率修正函数，表示为：
Figure FDA0003469166680000062
式中，
Figure FDA0003469166680000063
为低量子通道的斜程大气透过率，
Figure FDA0003469166680000064
为高量子通道的大气透过率，θ为散射角，
Figure FDA0003469166680000065
为低量子通道的消光系数，
Figure FDA0003469166680000066
为高量子通道的消光系数，z为探测高度。
9.根据权利要求6所述的近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达方法，其特征在于，步骤5中，侧向纯转动拉曼的温度测量不确定度ΔT可以表示为：
Figure FDA0003469166680000067
式中：
Figure FDA0003469166680000068
为侧向纯转动拉曼拉曼高低量子数信号强度之比，Q1和Q2分别为不同温度对下侧向纯转动拉曼散射高低量子数通道的信号强度之比，
Figure FDA0003469166680000069
和
Figure FDA00034691666800000610
分别为侧向纯转动拉曼散射高低量子通道的信号功率，T1和T2分别为第一次和第二次计算出的温度。
10.根据权利要求6所述的近地层无盲区大气温度探测拉曼激光雷达方法，其特征在于，步骤6具体按照以下步骤实施：
方法一、利用相函数对侧向纯转动拉曼散射的高低量子通道回波信号分别进行修正，转化为后向纯转动拉曼散射的高低量子通道回波信号，再对低层和高层数据进行反演，从而得到归一化的大气温度廓线；
或，
方法二、在散射角为178°～180°的范围内进行拼接，此时fL(θ)≈1，fH(θ)≈1。此时侧向纯转动拉曼散射激光雷达方程和后向纯转动拉曼散射激光雷达方程仅相差一个常数，可对两种雷达数据进行拼接得到整层大气温度廓线。
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