一种大气环境参数双波长测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种大气环境参数双波长测量方法和系统，包括：S1、利用双波长激光雷达系统在不同海拔高度上内测量相对应的瑞利布里渊散射谱线；S2、对测量得到的瑞利布里渊谱线进行去噪处理，根据噪声特性采取相对应的滤波去噪算法，并去除系统器件展宽，获取较为纯净的大气瑞利布里渊频谱；S3、利用大气瑞利布里渊散射谱的数学模型，对测量得到的瑞利布里渊谱线进行最小二乘拟合，得到不同波长条件下布里渊频移量；S4、将用不同波长下测量的布里渊频移作为输入参数，建立温度压强同步反演模型，并据此计算气体的热物理学参数。

A dual wavelength measuring method and system for atmospheric environmental parameters

The invention discloses a dual wavelength measurement method and system for atmospheric environment parameters, including: S1, the Rayleigh Brillouin scattering line measured at different altitudes by using a dual wavelength laser radar system; S2, de-noising the Rayleigh Brillouin line obtained by the measurement, and taking relative response according to the noise characteristics. Filtering de-noising algorithm and removing the widening of the system device to obtain a more pure atmospheric Rayleigh Brillouin spectrum. S3, using the mathematical model of the Rayleigh Brillouin scattering spectrum, the least-squares fitting of the measured Rayleigh Brillouin line is fitted to get the Brillouin frequency shift at different wavelengths; S4, will use different wavelengths. The Brillouin frequency shift is taken as the input parameter, and the temperature pressure synchronous inversion model is established, and the thermophysical parameters of the gas are calculated accordingly.

【技术实现步骤摘要】
一种大气环境参数双波长测量方法及系统
本专利技术涉及激光雷达
，特别涉及一种大气环境参数双波长测量方法及系统。
技术介绍
现有技术中，为了测量大气环境参数，利用双波长布里渊激光雷达系统发射激光信号，并采集不同波长的激光散射的回波信号，通过提取该回波信号的特征参数得到大气环境中温度及压强等参数，从而实时地获取不同海拔高度下的温度和压强变化。然而，在大气环境下，采集到激光散射的回波信号的特征参数的准确度较差，并且无法做到精确同步测量大气环境参数，而通过提取不同波长条件下的布里渊散射谱线的中心频率，可以做到更为精确反演大气中的压强和温度参量，并且可以做到同步反演。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种大气环境参数双波长测量方法及系统，能够更为精确同步反演大气中的压强和温度参量。本专利技术能够通过对实际测量得到的大气瑞利布里渊谱线进行拟合得到不同波长下的布里渊散射谱线的中心频率，再根据得到的中心频率及波长可以反演得到相应的温度及压强等参量。一种大气环境参数双波长测量方法，包括如下步骤：S1、利用双波长激光雷达系统在不同海拔高度上内测量相对应的瑞利布里渊散射谱线；S2、对测量得到的瑞利布里渊谱线进行去噪处理，根据噪声特性采取相对应的滤波去噪算法，并去除系统器件展宽，获取较为纯净的大气瑞利布里渊频谱；S3、利用大气瑞利布里渊散射谱的数学模型，对测量得到的瑞利布里渊谱线进行最小二乘拟合，得到不同波长条件下布里渊频移量；S4、将用不同波长下测量的布里渊频移作为输入参数，建立温度压强同步反演模型，并据此计算气体的热物理学参数。在本专利技术所述的大气环境参数双波长测量方法中，所述数学模型的表达式为：式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为大气瑞利布里渊散射谱线，ω0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率，ω1为瑞利峰谱线的中心频率，S(ω1)为瑞利峰谱线。在本专利技术所述的大气环境参数双波长测量方法中，利用激光不同波长条件下的布里渊散射谱线的中心频率及波长条件与大气中温度和压强参量之间的联系，构建大气环境双参数同步反演模型：其中vB表示布里渊频移和ГB表示布里渊线宽都是大气温度T和压强P的函数，因而可以利用以上两式建立联立的方程组，将该方程组中的布里渊频移vB和布里渊线宽ГB认定为已知量，把大气温度T和压强P认作未知量，通过求解方程组能够得到温度T和压强P关于布里渊频移vB和布里渊线宽ГB的表达式。在本专利技术所述的大气环境参数双波长测量方法中，气体的热物理学参数包括比热容比、剪切粘滞系数。本专利技术还提供一种大气环境参数双波长测量系统，包括如下组件：测量组件，用于利用双波长激光雷达系统在不同海拔高度上内测量相对应的瑞利布里渊散射谱线；去燥组件，用于对测量得到的瑞利布里渊谱线进行去噪处理，根据噪声特性采取相对应的滤波去噪算法，并去除系统器件展宽，获取较为纯净的大气瑞利布里渊频谱；拟合组件，用于利用大气瑞利布里渊散射谱的数学模型，对测量得到的瑞利布里渊谱线进行最小二乘拟合，得到不同波长条件下布里渊频移量；测量组件，用于将用不同波长下测量的布里渊频移作为输入参数，建立温度压强同步反演模型，并据此计算气体的热物理学参数。在本专利技术所述的大气环境参数双波长测量系统中，所述数学模型的表达式为：式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为大气瑞利布里渊散射谱线，ω0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率，ω1为瑞利峰谱线的中心频率，S(ω1)为瑞利峰谱线。在本专利技术所述的大气环境参数双波长测量系统中，利用激光不同波长条件下的布里渊散射谱线的中心频率及波长条件与大气中温度和压强参量之间的联系，构建大气环境双参数同步反演模型：其中vB表示布里渊频移和ГB表示布里渊线宽都是大气温度T和压强P的函数，因而可以利用以上两式建立联立的方程组，将该方程组中的布里渊频移vB和布里渊线宽ГB认定为已知量，把大气温度T和压强P认作未知量，通过求解方程组能够得到温度T和压强P关于布里渊频移vB和布里渊线宽ГB的表达式。在本专利技术所述的大气环境参数双波长测量系统中，气体的热物理学参数包括比热容比、剪切粘滞系数。实施本专利技术提供的大气环境参数双波长测量方法及系统与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术运用双波长下布里渊散射谱线的中心频率及压强与大气温度压强之间的关系，提出了一种双波长下布里渊频移的温度压强同步反演模型方法达到基于瑞利布里渊频谱遥感大气温度的目的。同时本专利技术还可以进一步地研究气体剪切粘滞系数，内部比热容等气体物理热力学特性，有助于对气体热力学性质的研究。附图说明图1是本专利技术实施例的大气环境参数双波长测量方法流程图。具体实施方式如图1所示，大气环境参数双波长测量方法包括如下步骤：1、采集大气瑞利布里渊散射信号利用基于频谱检测的布里渊激光雷达系统对不同海拔高度下的大气瑞利布里渊散射回波信号进行采集。2、对瑞利布里渊信号进行去噪处理大气瑞利布里渊信号在接收过程中频谱信号会受到系统传递函数、光散射噪声和电路噪声的干扰。因此，要对采集的得到的信号进行去除噪声的处理：根据噪声特性和分布进行滤波去噪；根据传递函数特性去除系统器件展宽，通过信号分析与处理方法从叠加函数中滤除米散射噪声。在进行去噪处理之后，将得到纯净的大气瑞利布里渊频谱。3、计算不同波长下的布里渊散射谱线中心频率所述的大气瑞利布里渊散射谱线的具体数学模型表达式为：式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为大气瑞利布里渊散射谱线，ω0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率，ω1为瑞利峰谱线的中心频率，S(ω1)为瑞利峰谱线；将得到的纯净的大气瑞利布里渊谱线与本专利技术中提出大气瑞利布里渊频谱表征解析数学模型进行最小二乘拟合得到布里渊散射谱线的中心频率。4、获取大气中的参量利用布里渊散射谱线的中心频率及波长条件与大气中的温度、压强等参量之间的联系，可以反演得到相应的大气参量，并可以进一步研究气体的热物理学参数，例如比热容比、剪切粘滞系数等。另一方面，根据已知大气环境得到布里渊散射谱线内部成分，在需要测量未知大气环境参数时，只需根据布里渊散射谱线的中心频率和半高线宽即可计算出待测大气环境参数，不仅可以实时地同测量出大气环境中温度和压强量，实时性好，而且方法简单，操作方便，测量效率高，节省了人力物力。通过对大气瑞利布里渊散射特性的研究，从重叠在一起的大气瑞利布里渊谱线中分辨出布里渊散射谱线的线形有效的实现对大气布里渊频移和布里渊线宽的测量，采用不同波长下测量的布里渊频移或者布里渊线宽作为输入参数，建立大气温度压强同步反演模型，从而能够实现对低空大气进行高精度、低成本探测的要求，为实际大气环境监测的实现提供了必要的理论支持和技术指导，在大气环境监测、预报、应急等方面具有广阔的环境、社会和经济效益前景。可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本专利技术的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本专利技术权利要求的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大气环境参数双波长测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、利用双波长激光雷达系统在不同海拔高度上内测量相对应的瑞利布里渊散射谱线；S2、对测量得到的瑞利布里渊谱线进行去噪处理，根据噪声特性采取相对应的滤波去噪算法，并去除系统器件展宽，获取较为纯净的大气瑞利布里渊频谱；S3、利用大气瑞利布里渊散射谱的数学模型，对测量得到的瑞利布里渊谱线进行最小二乘拟合，得到不同波长条件下布里渊频移量；S4、将用不同波长下测量的布里渊频移作为输入参数，建立温度压强同步反演模型，并据此计算气体的热物理学参数。

【技术特征摘要】
1.一种大气环境参数双波长测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、利用双波长激光雷达系统在不同海拔高度上内测量相对应的瑞利布里渊散射谱线；S2、对测量得到的瑞利布里渊谱线进行去噪处理，根据噪声特性采取相对应的滤波去噪算法，并去除系统器件展宽，获取较为纯净的大气瑞利布里渊频谱；S3、利用大气瑞利布里渊散射谱的数学模型，对测量得到的瑞利布里渊谱线进行最小二乘拟合，得到不同波长条件下布里渊频移量；S4、将用不同波长下测量的布里渊频移作为输入参数，建立温度压强同步反演模型，并据此计算气体的热物理学参数。2.如权利要求1所述的大气环境参数双波长测量方法，其特征在于，所述数学模型的表达式为：式中，表示反斯托克斯峰谱线，为反斯托克斯峰的中心频率，为正斯托克斯峰谱线，为正斯托克斯峰的中心频率，S(ω0)为大气瑞利布里渊散射谱线，ω0为大气瑞利布里渊散射谱线的中心频率，ω1为瑞利峰谱线的中心频率，S(ω1)为瑞利峰谱线。3.如权利要求1所述的大气环境参数双波长测量方法，其特征在于，利用激光不同波长条件下的布里渊散射谱线的中心频率及波长条件与大气中温度和压强参量之间的联系，构建大气环境双参数同步反演模型：4.如权利要求1所述的大气环境参数双波长测量方法，其特征在于，气体的热物理学参数包括比热容比、剪切粘滞系数。5.一种大气环境参数双波长测量系统，其特征在于，包括如下组件：测量组件，用于利用双波长激光雷达系统在不同海拔高度上内测量相对应的瑞利布里渊散射谱线；去燥组件...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁琨，周波，
申请(专利权)人：华中科技大学鄂州工业技术研究院，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42