CN117930281B - 一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法 - Google Patents
一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法，通过对回波信号进行距离、聚焦函数和***常数的校准，实现大气气溶胶回波信号强度的绝对定标，利用多普勒激光雷达近红外波长大气消光衰减小的特点，反演更准确的后向散射系数，根据建立的测风激光雷达气溶胶后向散射系数与大气能见度的理论模型或经验模型转换关系，实现大气能见度的反演；扩展了相干激光雷达的大气气象参数探测能力，相比于传统气溶胶激光雷达，具有人眼安全、***稳定、信噪比高等优势。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法。
背景技术
大气能见度是气象观测的要素之一，不仅被用于日常气象部门的天气分析，更广泛用于高速公路、港口、航空航海等交通运输部门和军事等领域。大气能见度主要取决于悬浮在大气中各种微粒气溶胶引起的大气消光，测量能见度的主要方法包括透射法和散射法。目前在气象观测站和机场等部门使用最多的是前向散射能见度仪，它只能提供单点的能见度测量，不适用于分层的气溶胶分布条件，例如海雾、公路团雾等。
基于气溶胶弹性后向散射的激光雷达通过遥感的方式实现大气消光的测量，已被证明是一种测量能见度的强大方法，具有高时空分辨等优点，且可以探测斜程能见度。当前的能见度激光雷达一般采用空间光直接多模探测的工作方式，脉冲能量、***功耗和体积都较大，白天容易受到太阳背景辐射噪声干扰。同时，其常用的可见光波长对人眼安全构成较大威胁。
多普勒测风激光雷达是弹性后向散射激光雷达***中应用最广泛的一种，通过分析气溶胶、云、硬目标等回波信号的多普勒频移，可以实现其运动速度的探测，目前已被广泛用于航空安全保障、风力发电、大气污染监测预报等领域。测风激光雷达回波强度包含了大气衰减的信息，但是由于相干探测效率易受到激光光束焦距和湍流等因素的影响，过去其回波信号强度信息往往被忽略，基于相干测风激光雷达分析大气能见度的研究几乎处于空白。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种提出通过对测风激光雷达回波进行准确标定，进而利用大气后向散射强度反演大气能见度的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：提供一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法，包括以下步骤：
步骤1，对相干激光雷达的原始拍频电流信号进行快速傅立叶变换，并进行脉冲累
积，获得不同距离门的累积功率谱数据，其中表示频率，表示距离门；
步骤2，对累积功率谱数据进行去除噪声、***频率响应归一化处理后，得到信号
频谱，并提取回波信号强度，即其载噪比；
步骤3，对回波信号载噪比进行距离、聚焦函数和***常数的校
准，得到衰减后向散射系数，具体为：
；
步骤4，对衰减后向散射系数进行大气消光衰减项的订正，得到后向散射系
数，具体为：
；
其中，，为大气消光系数，是激光雷达比；
步骤5，利用能见度与后向散射系数之间的关系得到能见度。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤3中，聚焦函数与出射光束的光斑大小和等相面曲率半径有关，在无截断高斯光束条件下，聚焦函数可以表示为：
；
其中为出射高斯光束在望远镜处的辐照度半径，为激光波长，为出射
光束的等相面曲率半径，为与湍流相关的横向相干长度；***常数利用已知光学散射特
征的大气目标信号进行校准。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤5中，所述能见度与后向散射系数之间的关系为：
；
其中表示激光波长，，埃波长指数为：
；
其中，激光雷达比通过匹配原位能见度传感器的结果进行校准。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤5中，能见度与后向散射系数之间的关系具体为：
通过激光雷达与原位能见度传感器的历史数据，基于非线性回归、机器学习方法建立不同环境下测风激光雷达气溶胶后向散射系数与大气能见度的转换关系。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1、近红外波段大气消光影响小，通过对测风激光雷达回波信号进行聚焦函数、***常数和大气消光衰减的校准求解米散射激光雷达方程，无需借助参考点，避免参考点假设引入的误差，可以更准确地反演气溶胶后向散射系数，进一步利用气溶胶后向散射系数得到大气能见度，具有精度高，方法稳定的优点；
2、在相干测风激光雷达的工作波长，人眼安全阈值高，水平扫描更灵活；雷达***全光纤结构简单稳定易于小型化，相比传统的气溶胶雷达***更有优势，更适合商业性的大范围推广；通过本发明提出的能见度反演方法拓展了现有常规相干测风激光雷达的大气气象参数探测能力和数据产品范围。
附图说明
图1是本发明提供的相干测风激光雷达水平探测大气回波载噪比曲线图；
图2是对图1中回波曲线进行所述距离修正、聚焦函数修正、***常数修正和大气衰减订正后得到的后向散射系数曲线图；
图3是合肥地区秋季测风激光雷达气溶胶后向散射系数与大气能见度关系的散点概率分布图；
图4是本发明具体方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图4所示为一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法，包括以下步骤：
步骤1，对相干激光雷达的原始拍频电流信号进行快速傅立叶变换，并进行脉冲累
积，获得不同距离门的累积功率谱数据，其中表示频率，表示距离门；
步骤2，对累积功率谱数据进行去除噪声、***频率响应归一化处理后，得到信号
频谱，并提取回波信号强度，即其载噪比；
步骤3，对回波信号载噪比进行距离、聚焦函数和***常数的校
准，得到衰减后向散射系数，具体为：
；
步骤4，对衰减后向散射系数进行大气消光衰减项的订正，得到后向散射系
数，具体为：
；
其中，，为大气消光系数，是激光雷达比；
步骤5，利用能见度与后向散射系数之间的关系得到能见度。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤2中，从功率谱中提取峰值所
对应的频率，在给定带宽范围内计算载噪比：
；
其中为预设的信号积分带宽，依赖于信号谱宽。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤3中，聚焦函数与出射光束的光斑大小和等相面曲率半径有关，在无截断高斯光束条件下，聚焦函数可以表示为：
；
其中为出射高斯光束在望远镜处的辐照度半径，为激光波长，为出射
光束的等相面曲率半径，为与湍流相关的横向相干长度；***常数利用已知光学散射特
征的大气目标信号进行校准。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤5中，所述能见度与后向散射系数之间的关系为：
；；
其中表示激光波长，，埃波长指数为：
；
其中，激光雷达比通过匹配原位能见度传感器的结果进行校准。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤5中，能见度与后向散射系数之间的关系具体为：
通过激光雷达与原位能见度传感器的历史数据，基于非线性回归、机器学习方法建立不同环境下测风激光雷达气溶胶后向散射系数与大气能见度的转换关系。
实施例1
相干激光雷达通过本振激光与大气回波信号光进行混频后探测得到外差电流信
号，具有信号带宽窄、对宽谱背景光不敏感的优点。对相干激光雷达的原始拍频电流信号进
行快速傅立叶变换计算，并进行脉冲累积，获得不同距离门的累积功率谱数据，其
中分别表示频率和距离门；
原始功率谱中包含了大气回波信号和***噪声的叠加，通过对原始功率谱数据进
行去除噪声、***频率响应归一化等处理后，得到信号频谱。针对每一个距离门，
从功率谱中提取峰值所对应的频率，在给定带宽范围内计算载噪比：
；
其中为预设的信号积分带宽，依赖于信号的谱宽。该方法通过宽带积分计算宽
带载噪比，避免了湍流等的展宽效应对基于峰值的窄带载噪比计算方法的影响，其精度更
高、更具合理性。如图1给出了相干测风激光雷达水平探测大气回波载噪比曲线示例。
相干激光雷达回波信号宽带载噪比的理论公式可以表示为：
；
其中为出射激光的单脉冲能量，为目标散射体与望远镜的距离，为大气消
光系数，包含大气分子消光和气溶胶消光，为气溶胶后向散射系数，为望远镜有效接收
面积，为空气中的光速，为相干外差效率（或聚焦函数），为***光学效率，为光
子能量，为探测器带宽。在相干激光雷达工作的近红外波长，大气分子的散射和消光一
般远远小于气溶胶，因此在激光雷达方程里可以忽略大气分子项的影响。
定义衰减后向散射系数：
；
其中为与***参数相关的***常数因子。可以看到对进行距离、聚焦函数和***常数的校准之后便可以得到衰减后向散射系数。其中聚焦函数与出射光
束的光斑大小和等相面曲率半径有关。与基于多模探测的气溶胶激光雷达不同，相干测风
激光雷达本质是单模探测，其回波信号强度受到聚焦函数的调制影响，必须予以修正。在无
截断高斯光束条件下，聚焦函数可以表示为
；
其中为出射高斯光束在望远镜处的辐照度半径，为激光波长，为出射
光束的等相面曲率半径，为与湍流相关的横向相干长度。***常数可以利用已知光学散
射特征的大气目标信号进行校准，例如足够厚的非降水层积云。
进一步，对衰减后向散射系数进行大气衰减项的订正，得到后向散射系数；
；
如图2是对图1中回波载噪比曲线进行所述距离修正、聚焦函数修正、***常数修正和大气衰减订正后得到的后向散射系数曲线。
最后，利用能见度与后向散射系数之间的转换关系计算能见度。转换关系包
括：
1）理论模型：
；
其中表示激光波长，正常人眼的敏感亮度一般为，为了将激光探
测波长的大气信息转换到大气能见度的定义波长，需要借助埃波长指数：
；
激光雷达比与气溶胶尺寸谱分布、负折射率等微物理参数有关，范围一般在20~
80之间，可以通过匹配原位能见度传感器的结果进行实时校准。
2）经验模型：
通过激光雷达后向散射系数与原位能见度传感器的历史数据，基于非线性回归、机器学习等方法建立不同环境下测风激光雷达气溶胶后向散射系数与大气能见度的直接转换关系。如图3是合肥地区秋季激光雷达气溶胶后向散射系数与大气能见度关系的散点概率分布图，图中黑色实线为非线性回归经验模型。基于该经验模型便可以实现向散射系数到大气能见度的转换，而无需额外点式仪器校准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，对相干激光雷达的原始拍频电流信号进行快速傅立叶变换，并进行脉冲累积，获得不同距离门的累积功率谱数据，其中/>表示频率，/>表示距离门；
步骤2，对累积功率谱数据进行去除噪声、***频率响应归一化处理后，得到信号频谱，并提取回波信号强度，即其载噪比/>；
步骤3，对回波信号载噪比进行距离/>、聚焦函数/>和***常数/>的校准，得到衰减后向散射系数/>，具体为：
；
步骤4，对衰减后向散射系数进行大气消光衰减项的订正，得到后向散射系数/>，具体为：
；
其中，，/>为大气消光系数，/>是激光雷达比；
步骤5，利用能见度与后向散射系数/>之间的关系得到能见度。
2.根据权利要求1所述的一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法，其特征在于：所述步骤2中，从功率谱中提取峰值所对应的频率/>，在给定带宽范围/>内计算载噪比/>：
；
其中为预设的信号积分带宽，该数据取决于信号谱宽。
3.根据权利要求1所述的一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法，其特征在于：所述步骤3中，聚焦函数与出射光束的光斑大小和等相面曲率半径有关，在无截断高斯光束条件下，聚焦函数可以表示为：
；
其中为出射高斯光束在望远镜处的/>辐照度半径，/>为激光波长，/>为出射光束的等相面曲率半径，/>为与湍流相关的横向相干长度；***常数/>利用已知光学散射特征的大气目标信号进行校准。
4.根据权利要求1所述的一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法，其特征在于：所述步骤5中，所述能见度与后向散射系数之间的关系为：
；
其中表示激光波长，/>，埃波长指数/>为：
；
其中，激光雷达比通过匹配原位能见度传感器的结果进行校准。
5.根据权利要求1所述的一种基于相干多普勒激光雷达后向散射的能见度反演方法，其特征在于：所述步骤5中，能见度与后向散射系数之间的关系具体为：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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