一种温度拉曼激光雷达在线标定方法技术

本发明专利技术涉及激光雷达标定，具体涉及一种温度拉曼激光雷达在线标定方法，确定需要标定的标定常数；将探测获得的回波信号转换为对温度敏感的低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值，并获取对应时刻的地面温度，得到数据序列；从数据序列中寻找一条适宜标定的垂直探测数据序列；计算垂直探测数据序列对应的垂直温度廓线；通过线性拟合得到标定常数；进行误差分析，并基于误差分析结果对标定常数进行更新；本发明专利技术提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的过度依赖探空数据，以及标定精度较低的缺陷。度较低的缺陷。度较低的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种温度拉曼激光雷达在线标定方法


[0001]本专利技术涉及激光雷达标定，具体涉及一种温度拉曼激光雷达在线标定方法。

技术介绍

[0002]对流层以下的大气温度变化与人类的生产和生活密切相关，特别是近年来探讨最多的温室效应及热岛效应，温度还是很多大气模式的重要参量，被广泛应用于大气动力学和气候变化的研究中。同时，大量的研究和实验表明，大气气溶胶浓度等参数主要受到大气温度和相对湿度的影响，因此，地面垂直高度的大气温度廓线的探测对于研究气候环境和人类健康具有重要意义。
[0003]目前，探测大气温度的手段包括微波辐射计、探空气球和温度激光雷达等。微波辐射计作为一种被动遥感设备，通过接收太阳在特定频率的辐射可以反演出大气温度、湿度及液态水含量等数据，具有时间分辨率高、可全天工作等优点。但是，微波辐射计基于被动遥感所得到的信息量有限，反演方法过分依赖以往的探空数据，在实时探空信息量不足的条件下，反演精度会受到较大影响，并且由于探测能力的限制，距离分辨率和反演精度均会随高度的上升而下降。
[0004]探空气球是探测大气温湿度廓线的重要工具，其配备了无线电探空仪，可以高精度直接测量大气中的各种参数，包括气压、高度、温度、相对湿度、风速和风向等，同时可以无线传输数据返回地面气象站。但是，探空气球费用昂贵，需要耗费大量人力物力，并且会受到使用时间和空间的限制，由于受到高空漂移的影响，气球上升时间和运动轨迹对观测精度影响较大，不能满足中小尺度灾害监测以及大城市和城市群垂直精细化探测的需求。
[0005]温度拉曼激光雷达结合传统雷达技术和激光遥感技术，其向大气中发射一束高能激光，通过提取回波信号中对温度敏感的转动拉曼散射信号实现温度廓线探测的目的。相对于探空气球，温度拉曼激光雷达在保持米级距离分辨率的前提下，指向性强，探测路径固定，具备更高的时间分辨率（分钟级），并且可以做到无人值守全天自动观测，温度探测精度能够达到
±
1℃。相对于微波辐射计，温度拉曼激光雷达探测大气温度廓线对历史探空数据不存在依赖性，并且具备恒定的高距离分辨率（米级），观测更精细，更容易捕捉逆温现象。
[0006]在实际的业务应用和设备出厂时，温度拉曼激光雷达都需要将即时的探空数据作为探测真值，对测量结果进行标定。而这一标定方法存在明显的弊端，主要表现为：1）探空数据具有空间限制性探空气球费用昂贵，需要耗费大量人力物力，并且受航空管制，我国仅在部分气象站点建有探空站，无法在任意地方开展标定工作，在没有探空数据的区域，设备的出厂标定和部署后日常标定无法有效开展；2）探空数据与激光雷达数据在时间上不同步，限制标定精度由于受到高空漂移的影响，探空气球的上升时间和运动轨迹难以受控，基本无法保证和激光雷达观测数据同时刻同路径，必然会带来标定误差。

技术实现思路

[0007]针对现有技术所存在的上述缺点，本专利技术提供了一种温度拉曼激光雷达在线标定方法，能够有效克服现有技术所存在的过度依赖探空数据，以及标定精度较低的缺陷。
[0008]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种温度拉曼激光雷达在线标定方法，包括以下步骤：S1、确定需要标定的标定常数；S2、将探测获得的回波信号转换为对温度敏感的低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值，并获取对应时刻的地面温度，得到数据序列；S3、从数据序列中寻找一条适宜标定的垂直探测数据序列；S4、计算垂直探测数据序列对应的垂直温度廓线；S5、通过线性拟合得到标定常数；S6、进行误差分析，并基于误差分析结果对标定常数进行更新。
[0009]优选地，S1中确定需要标定的标定常数，包括：在温度拉曼激光雷达中，低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值Q(z,T)和温度T(z)之间的关系采用下式表示：，上式进一步转化为，令a=A/B，b=－1/B，则有：，其中，z为距离地面的高度，单位为km，T(z)为高度z处的绝对温度，单位为K，a、b为需要标定的标定常数。
[0010]优选地，S2中将探测获得的回波信号转换为对温度敏感的低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值，并获取对应时刻的地面温度，得到数据序列，包括：将探测获得的回波信号转换为对温度敏感的低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值Q(z,T)，并获取对应时刻t的地面温度T0，得到数据序列[t,Q(z,T),T0]。
[0011]优选地，所述将探测获得的回波信号转换为对温度敏感的低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值Q(z,T)，包括：以355nm波长为原始激发激光的温度拉曼激光雷达为例，采用下式进行转换：Q(z,T)=P
353
(z)/P
354
(z)其中，P
353
(z)、P
354
(z)分别为去除背景后的353nm通道、354nm通道在高度z处的回波信号电压或电流值。
[0012]优选地，S3中从数据序列中寻找一条适宜标定的垂直探测数据序列，包括：在高信噪比环境下探测得到的数据序列[t,Q(z,T),T0]中，寻找一条高度z在0.1~3km范围内，lnQ(z,T)随高度z呈线性变化的垂直探测数据序列[t
b
,Q
b
(z,T),T0
b
]。
[0013]优选地，所述适宜标定的垂直探测数据序列的获取方法，包括：以高度z为横坐标，lnQ(z,T)为纵坐标，采用下式计算相关系数R：
，其中，X
i
为高度z，X
i
的取值范围为0.1~3km，以雷达的实际距离分辨率步进，为高度z的平均值，Y
i
为lnQ(z,T)的真实观测值，为lnQ(z,T)的平均值；若数据序列[t,Q(z,T),T0]的相关系数R大于0.99，则认为lnQ(z,T)随高度z呈线性变化，并将相应的数据序列作为垂直探测数据序列[t
b
,Q
b
(z,T),T0
b
]。
[0014]优选地，S4中计算垂直探测数据序列对应的垂直温度廓线，包括：假设海拔每升高1km温度下降=4℃，在垂直探测数据序列[t
b
,Q
b
(z,T),T0
b
]中，以对应的地面温度T0
b
为基准，采用下式计算垂直温度廓线T
b
(z)：，其中，T0
b
为地面温度，单位为K。
[0015]优选地，S5中通过线性拟合得到标定常数，包括：根据公式，以lnQ
b
(z,T)为横坐标，1/T
b
(z)为纵坐标，利用最小二乘法进行线性拟合，可以获得下式中的标定常数a、b：。
[0016]优选地，S6中进行误差分析，并基于误差分析结果对标定常数进行更新，包括：S61、在地面温度变化值大于5K的条件下，获取S2中记录的高度z为0.1km处的多个比值Q(0.1,T)，计算得到对应lnQ(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种温度拉曼激光雷达在线标定方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、确定需要标定的标定常数；S2、将探测获得的回波信号转换为对温度敏感的低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值，并获取对应时刻的地面温度，得到数据序列；S3、从数据序列中寻找一条适宜标定的垂直探测数据序列；S4、计算垂直探测数据序列对应的垂直温度廓线；S5、通过线性拟合得到标定常数；S6、进行误差分析，并基于误差分析结果对标定常数进行更新。2.根据权利要求1所述的温度拉曼激光雷达在线标定方法，其特征在于：S1中确定需要标定的标定常数，包括：在温度拉曼激光雷达中，低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值Q(z,T)和温度T(z)之间的关系采用下式表示：，上式进一步转化为，令a=A/B，b=－1/B，则有：，其中，z为距离地面的高度，单位为km，T(z)为高度z处的绝对温度，单位为K，a、b为需要标定的标定常数。3.根据权利要求2所述的温度拉曼激光雷达在线标定方法，其特征在于：S2中将探测获得的回波信号转换为对温度敏感的低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值，并获取对应时刻的地面温度，得到数据序列，包括：将探测获得的回波信号转换为对温度敏感的低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值Q(z,T)，并获取对应时刻t的地面温度T0，得到数据序列[t,Q(z,T),T0]。4.根据权利要求3所述的温度拉曼激光雷达在线标定方法，其特征在于：所述将探测获得的回波信号转换为对温度敏感的低量子通道信号强度与高量子通道信号强度的比值Q(z,T)，包括：以355nm波长为原始激发激光的温度拉曼激光雷达为例，采用下式进行转换：Q(z,T)=P
353
(z)/P
354
(z)其中，P
353
(z)、P
354
(z)分别为去除背景后的353nm通道、354nm通道在高度z处的回波信号电压或电流值。5.根据权利要求3所述的温度拉曼激光雷达在线标定方法，其特征在于：S3中从数据序列中寻找一条适宜标定的垂直探测数据序列，包括：在高信噪比环境下探测得到的数据序列[t,Q(z,T),T0]中，寻找一条高度z在0.1~3km范围内，lnQ(z,T)随高度z呈线性变化的垂直探测数据序列[t
b
,Q
b
(z,T),T0
b
]。6.根据权利要求5所述的温度拉曼激光雷达在线标定方法，其特征在于：所述适宜标定的垂直探测数据序列的获取方法，包括：以高度z为横坐标，lnQ(z,T)为纵坐标，采用下式计算相关系数R：
，其中，X
i
为高度z，X
i<...

【专利技术属性】
技术研发人员：施奇兵，王明，王耀东，
申请(专利权)人：合肥中科光博量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：