一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法，涉及大气波导探测领域，包括以下步骤：步骤一、通过外接的拉曼激光雷达获得探测数据；步骤二、利用步骤一所获探测数据计算出温度廓线；步骤三、利用步骤一所获探测数据计算出水汽分子和氮气分子的拉曼散射回波信号。本发明专利技术通过对拉曼激光雷达的数据进行分析处理，从而构建全波导诊断模型，避免了传统波导诊断模型构建过程繁琐的弊端，基于拉曼激光雷达新技术手段，开展海上全波导的高时空分辨连续探测研究，为后续实现全类型大气波导诊断分析、全类型大气波导数值预报、全类型大气波导传播预测等分析预报应用系统提供技术支持和数据基础。持和数据基础。持和数据基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法


[0001]本专利技术涉及大气波导探测领域，具体为一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法。

技术介绍

[0002]大气波导是对流层大气中的一种异常折射结构，它能够改变电磁波的正常传播特性，使得电磁波在波导层中传播损耗减小，传播距离增大，同时由于电磁波部分能量被陷获到波导层内，从而造成波导层顶部的电磁盲区，因此大气波导能够使电子设备实现超视距探测与截收，同时也会造成电子设备的波导电磁盲区，作为海洋环境中重要的电磁敏感要素，大气波导严重影响海上电子设备性能的发挥，因此如何对海洋大气波导环境进行精确实时的全波导探测的手段和反演方法提出了更高的要求。
[0003]目前表面波导和悬空波导的探测通常采用无线电探空法，具体方法是根据风向选定地点，再释放无线电探空设备，实时收集探空资料计算不同高度的大气折射指数，计算后利用最小二乘方法拟合出大气折射指数随高度变化的廓线，最后确定表面和悬空波导的高度、厚度、强度等特征参数。
[0004]另外，基于拉曼激光雷达新技术手段，开展海上大气波导的高时空分辨连续探测研究。为后续实现大气波导诊断分析、大气波导数值预报、大气波导传播预测等分析预报提供了很好的技术支持和数据基础。其中，大气修正折射指数梯度是判别波导有无的关键，但是，对于蒸发波导高度和波导内大气折射率剖面的确定,受海气交界面微气象条件的影响和制约,通常还是根据海洋近地层相似理论来诊断计算得到或者利用海面水文气象要素的宏观观测来诊断得出。
[0005]基于上述背景，目前监测手段方法单一，难以面对日益变化、复杂的海洋环境形势，至今尚未完成蒸发波导、表面波导、悬空波导的一体化高时空分辨连续探测。

技术实现思路

[0006]基于此，本专利技术的目的是提供一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法，以填补和完善全波导探测方法及手段，实现对海洋全类型大气波导进行精确实时的全波导探测。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、通过拉曼激光雷达探测大气中的氮气分子和氧气分子的转动拉曼谱线强度，获得高低量子数拉曼散射信号；
[0009]步骤二、根据高低量子数拉曼散射信号进行反演大气温度变化，获得大气温度数据，获得大气温度轮廓线，实现海洋大气温度廓线的拉曼激光雷达实时监测；
[0010]步骤三、通过拉曼激光雷达探测大气中水汽分子的振动拉曼散射和氮气分子的振动拉曼散射强度，获得水汽和氮气的拉曼散射信号；
[0011]步骤四、根据水汽和氮气的拉曼散射信号进行反演大气湿度变化，获得大气湿度
数据，获得大气湿度轮廓线，实现海洋大气湿度廓线的拉曼激光雷达实时监测；
[0012]步骤五、通过风速风向测量传感器探测标定高度的海面风速，获得标定高度的风速风向数据；
[0013]步骤六、综合步骤二、步骤四和步骤五获得的数据，计算获得为求得蒸发波导高度所需的相关数据，从而诊断出蒸发波导数据；
[0014]步骤七、构建海洋大气全波导诊断模型，获得物理量垂直分布数据，实现物理量垂直分布廓线海洋大气全波导的实时监测。
[0015]其中，基于转动拉曼的大气温度廓线探测具体原理如下，拉曼散射是入射光与物质分子相互作用，由于分子转动能级、振动能级和电子能级跃迁，引起散射光频率发生变化，使入射光与散射物质之间发生能量转移的光散射现象。散射光与入射光频率的差异，我们称之为拉曼频移Δν＝ΔE/hc，其大小只与散射分子属性有关，与入射光频率无关
[4]。因此不同的物质居于不同的拉曼频移，同一种物质不同密度拉曼频移也不一样。基于这一原理，我们利用拉曼激光雷达技术进行大气温湿度的探测。
[0016]转动拉曼激光雷达是利用大气中的氮气分子和氧气分子的转动拉曼谱线强度与温度的关系来测量大气温度的。大气转动拉曼谱线强度与大气温度密切相关，高低量子数转动拉曼谱线的强度随温度的升高而分别增强和减弱，我们正是利用高低量子数拉曼散射信号来反演温度的。由于转动拉曼光谱Stokes支存在荧光散射谱干扰，N2的转动拉曼Anti
‑
Stokes谱线强度分布与温度关系，高量子数(远离激光发射波长)的转动拉曼谱线强度随温度升高而增强，低量子数(接近激光发射波长)的转动拉曼谱线强度随温度升高而减弱。设高低量子数转动拉曼散射信号的强度分别为P1(T，z)、P2(T，z)，两者之比与温度有确定的关系：
[0017][0018]从而得出温度廓线：
[0019][0020]式中，n1(J,z)、n2(J,z)是高低量子数转动拉曼后向散射的光子数，A、B是系统参数。
[0021]基于振动拉曼的大气湿度廓线探测具体原理如下，探测低空大气水汽廓线的拉曼激光雷达，通常使用两个通道。一个用于探测大气中水汽分子的振动拉曼散射，另一个用于探测大气中氮气分子的转动拉曼散射。激光雷达接收的水汽分子和氮气分子的拉曼散射回波信号可以分别表示如下：
[0022][0023][0024]式中，P(z,λ
H
)、P(z,λ
N
)分别为水汽和氮气的拉曼散射回波信号强度，是高度z的函数；P0(λ
L
)是在激光波长λ
L
的输出功率；β
H
(z,λ
L
)、β
N
(z,λ
L
)分别是水汽和氮气的后向散射系数；η(λ
H
)、η(λ
N
)分别是水汽和氮气的激光雷达接收光学效率；α(z,λ
H
)代表特定波长出由分
子和气溶胶散射和吸收的总消光系数；O(z)为激光雷达几何重叠因子，表示接收镜视场与发射激光束的重合程度。
[0025]由于水汽分子和氮气分子的后向散射系数可写为：
[0026]β
H
(z,λ)＝N
H
(z)*dσ
H
(π)/dΩ
[0027]β
N
(z,λ)＝N
N
(z)*dσ
N
(π)/dΩ
[0028]其中，N
H
(z)是水汽数密度，N
N
(z)是氮气数密度，dσ
N
(π)/dΩ是差分散射截面。
[0029]将水汽信号和氮气信号相比，得到：
[0030][0031]式中指数项表示大气透过率函数，可用Δτ(λ
H
,λ
N
,z)表示，于是有：
[0032][0033]从而，水汽混合比可写为：
[0034][0035]其中，
[0036]不同高度z的水汽密度为:
[0037][0038]因此，只要确定了激光雷达系统标定常数k
*
和大气透过率修正函数Δτ(λ
H
,λ
N
,z)，就能够对大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.根据权利要求1所述的一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过拉曼激光雷达探测大气中的氮气分子和氧气分子的转动拉曼谱线强度，获得高低量子数拉曼散射信号；步骤二、根据高低量子数拉曼散射信号进行反演大气温度变化，获得大气温度数据；步骤三、通过拉曼激光雷达探测大气中水汽分子的振动拉曼散射和氮气分子的振动拉曼散射强度，获得水汽和氮气的拉曼散射信号；步骤四、根据水汽和氮气的拉曼散射信号进行反演大气湿度变化，获得大气湿度数据；步骤五、通过风速风向测量传感器探测标定高度的海面风速，获得标定高度的风速风向数据；步骤六、综合步骤二、步骤四和步骤五获得的数据，计算获得为求得蒸发波导高度所需的相关数据，从而诊断出蒸发波导数据；步骤七、构建海洋大气全波导诊断模型，获得物理量垂直分布数据，实现物理量垂直分布廓线海洋大气全波导的实时监测。2.根据权利要求1所述的一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法，其特征在于：步骤二中反演过程包括，设高低量子数转动拉曼散射信号的强度分别为P1(T，z)、P2(T，z)，两者之比与温度的关系确定为：将步骤一所获探测数据中高低量子数转动拉曼后向散射的光子数带入公式，从而得出温度廓线：式中，n1(J,z)、n2(J,z)是高低量子数转动拉曼后向散射的光子数，A、B是系统参数。3.根据权利要求1所述的一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法，其特征在于：步骤三中激光雷达接收的水汽分子和氮气分子的拉曼散射回波信号可以分别表示如下：三中激光雷达接收的水汽分子和氮气分子的拉曼散射回波信号可以分别表示如下：式中，P(z,λ
H
)、P(z,λ
N
)分别为水汽和氮气的拉曼散射回波信号强度，是高度z的函数；P0(λ
L
)是在激光波长λ
L
的输出功率；β
H
(z,λ
L
)、β
N
(z,λ
L
)分别是水汽和氮气的后向散射系数；η(λ
H
)、η(λ
N
)分别是水汽和氮气的激光雷达接收光学效率；α(z,λ
H
)代表特定波长出由分子和气溶胶散射和吸收的总消光系数；O(z)为激光雷达几何重叠因子，表示接收镜视场与发射激光束的重合程度。4.根据权利要求1所述的一种基于拉曼激光雷达的全波导探测方法，其特征在于：步骤四中反演过程包括，水汽分子和氮气分子后向散射系数为：β
H
(z,λ)＝N
H
(z)*dσ
H
(π)/dΩ
β
N
(z,λ)＝N
N
(z)*dσ
N
(π)/dΩ其中，N
H
(z)是水汽数密度，N
N
(z)是氮气数密度，dσ
N
(π)/dΩ是差分散射截面；不同高度z的水汽密度为：式中k
*
激光雷达系统标定常数，Δτ(λ
H
...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦林，王鑫，郭云昌，黄小毛，
申请(专利权)人：汉哲森工控科技无锡有限公司，
类型：发明
国别省市：