專利名稱：一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法
一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法。
技術(shù)背景
中高層大氣風(fēng)場(chǎng)參數(shù)是空間物理學(xué)研究的重要參數(shù)之一，結(jié)合空間物理的理論探索，能夠揭示空間的物理現(xiàn)象以及內(nèi)含的相互作用和因果關(guān)系，同時(shí)中高層大氣風(fēng)場(chǎng)參數(shù)在氣象研究、天氣預(yù)報(bào)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和國(guó)防高技術(shù)等方面都具有廣泛的應(yīng)用。
激光多普勒遙感測(cè)量已經(jīng)有幾十年的發(fā)展過程，所采用的多普勒測(cè)量技術(shù)包括相干(外差)技術(shù)和非相干技術(shù)。其中，非相干技術(shù)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求不高、容易實(shí)現(xiàn)和加工， 其應(yīng)用范圍還擴(kuò)展到分子散射的探測(cè)。非相干系統(tǒng)利用大氣粒子產(chǎn)生的多普勒頻移直接得到徑向速度分布，是目前測(cè)量大氣風(fēng)場(chǎng)的最有利的工具，并且非相干系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、 分辨率高和三維風(fēng)場(chǎng)信息等特點(diǎn)。目前國(guó)際普遍采用直接接收(非相干)激光雷達(dá)作為大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的手段。
多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)徑向單波束探測(cè)得到的是水平風(fēng)場(chǎng)在該探測(cè)方向的徑向分量，在適當(dāng)?shù)膾呙璺绞较?，多波束組合即可反演得到三維風(fēng)場(chǎng)。目前，多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)采用具有固定仰角和相同間隔方位角的四個(gè)波束的掃描方式，即采用四波束進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演，原理如圖1所示。
以正東方向?yàn)閄軸正方向，正北方向?yàn)閅軸正方向，天頂?shù)姆较驗(yàn)閆軸正方向建立坐標(biāo)系，激光的發(fā)射仰角為θ，分別探測(cè)四個(gè)徑向的風(fēng)場(chǎng)，從而反演東西南北四個(gè)方向的徑向風(fēng)速，徑向風(fēng)速是指實(shí)際風(fēng)速在激光束指向的這個(gè)方向上的分量值。一般規(guī)定正北方向?yàn)?°，東、南、西按順時(shí)針依次為90°、180°和360°，獲得徑向風(fēng)速VH。
Vn = Vdl -i = N, S,E,ff (1)
式(1)中Vdi為多普勒頻移，λ為激光波長(zhǎng)，根據(jù)幾何關(guān)系可得
VrN =VyCosO+ V2SmO VrE =Vx cos θ+ V2sm θ Vrs=-Vy cos θ+ V2sm θ Vrw =-Fx cos ^+ Fz sin ^⑵
經(jīng)過推導(dǎo)可得大氣風(fēng)場(chǎng)在χ軸、y軸、ζ軸的各自分量為
ν -VV -V V +V +V +Vy _ v rE v rW γ _ ν rN ν rS γ __ rE ^ r rW ^ r rN ^ r rS(3)2 cos 6 r 2cos6>4 sin 6
則水平風(fēng)速大小Vh和方向γ分別為2cos6> 丨
y = arctan (Vx/Vy) + π {1-sign [ (Vy+1 Vy |) ‘ VjjVy ^ 0
在傳統(tǒng)的大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法中，需要通過多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)反演大氣層中四個(gè)
Vh =J(Vx)2HVy)2-Kw)2+ (K,-VJ2T ⑷4方向的徑向風(fēng)速，在反演徑向風(fēng)速的過程中，首先向大氣層某一預(yù)設(shè)方向發(fā)射激光信號(hào)，激光信號(hào)遇到大氣分子產(chǎn)生瑞利后向散射，瑞利后向散射大氣回波信號(hào)被接收，之后根據(jù)該方向的瑞利后向散射大氣回波信號(hào)確定該方向上的多普勒頻移，根據(jù)公式(1)確定大氣層中該方向的徑向風(fēng)速，在獲取大氣層中四個(gè)預(yù)設(shè)方向的徑向風(fēng)速后，根據(jù)公式C3)和(4)計(jì)算水平風(fēng)速大小和方向。
在實(shí)施過程中，要借助于一臺(tái)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)依次探測(cè)大氣層中四個(gè)預(yù)設(shè)方向的徑向風(fēng)速，這導(dǎo)致大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，降低了時(shí)間分辨率，時(shí)間分辨率是指在同一區(qū)域進(jìn)行的相鄰兩次風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)或預(yù)報(bào)結(jié)果的最小時(shí)間間隔。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法，可以縮短大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間，提高時(shí)間分辨率。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案
一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法，包括
確定三個(gè)探測(cè)方向，三個(gè)探測(cè)方向包括第一探測(cè)方向、第二探測(cè)方向和第三探測(cè)方向，所述第一探測(cè)方向的天頂角為、其方位角為Q1，所述第二探測(cè)方向的天頂角為 Φ2、其方位角為θ 2，所述第三探測(cè)方向的天頂角為0°，其中，所述Q1* θ 2相差90°，所述牝和φ2相同、大于0°且小于90° ；
分別反演所述第一探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速Vri、第二探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速Vrt和第三探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速V,3 ；
在預(yù)先構(gòu)建的三維坐標(biāo)系中，根據(jù)所述Vri、Vrt和Vrt計(jì)算大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速Vh、 以及所述大氣風(fēng)場(chǎng)的方向與所述三維坐標(biāo)系中X軸正方向之間的角度γ。
優(yōu)選的，在上述方法中，所述預(yù)先構(gòu)建的三維坐標(biāo)系，以正東方向?yàn)閄軸正方向、 以正北方向?yàn)閅軸正方向、以指向天頂方向?yàn)閆軸正方向，則
Vh =機(jī)2 + V；,
y = arctan(NjNy) + π {1-sign[ (Vy+1 Vy |) .VJ}，其中，^rVr2 cos φχ - F1 cos φ2sin φ2 sin θ2 cos φχ - sin φχ sin θχ cos φ2χ sin φ2 cos θ2 cos φχ - sin φχ cos θχ cos φ2 sin φ2 cos θ2 cos φχ - sin φχ cos θχ cos φ2
(Vr3 cosφι - Vrl)(sinφ2 cosθ2 cosφι - sinφι cosθλ cosφ2) + (Vr2 cosφι - Vrl cosφ2)(sinφι cosθλ) (sinφχ sin θχ)(sin φ2 cosθ2 cos病-sinφχ cosθχ cosφ2)~ (sinφ2 sin θ2 cos病-sin φχ sinθχ cosφ2)(sinφχ cosθχ)
(Vr3 cosφι - Vrl)(sinφ2 cosθ2 cosφι - sinφι cosO1 cosφ2) + (Vr2 cosφι - Vrl cosφ2)(sinφι cosO1)V =-少 (sinφχ sinO1 )(sinφ2 cosO1 cosφχ -sinφχ cosO1 cosφ2)- (sinφ2 sinO1 cosφχ -sinφχ sinO1 cosφ2)(sinφχ cosO1)ο
優(yōu)選的，在上述方法中，反演任意一個(gè)探測(cè)方向的徑向風(fēng)速的過程，包括
向大氣層中一個(gè)探測(cè)方向發(fā)射激光信號(hào)；
接收瑞利后向散射大氣回波信號(hào)；
計(jì)算所述探測(cè)方向的多普勒頻移vd，vd = [R-1 (v0+vd, Ta) -Tl-1 (v0)]，其中，R^1 (v0+vd, Ta)為頻率響應(yīng)函數(shù)R(V(1+Vd，Ta)的反函數(shù)，IV1 (Vtl)為IY (Vtl)的反函數(shù)，
R(v0+vd,Ta) = Tlil (v。+vd，Ta)/TK2 (v。+vd，Ta)，其中，Tiu(VfVdJa)為瑞利后向散射大氣回波信號(hào)經(jīng)過F-P標(biāo)準(zhǔn)具第一信號(hào)通道的透過率，TE2(v0+vd, Ta)為瑞利后向散射大氣回波信號(hào)經(jīng)過F-P標(biāo)準(zhǔn)具第二信號(hào)通道的透過率，
Tl(V0) = a5IJ(a4I J，其中，a5為多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)中第五探測(cè)器的校準(zhǔn)常數(shù)，I。為所述第五探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)，&為所述多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)中第四探測(cè)器的校準(zhǔn)常數(shù)，Ils為所述第四探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)；
根據(jù)所述探測(cè)方向的多普勒頻移，計(jì)算所述探測(cè)方向的徑向風(fēng)速。
優(yōu)選的，在上述方法中，計(jì)算所述測(cè)量方向的多普勒頻移過程中，所述溫度Ta為模式溫度。
優(yōu)選的，在上述方法中，計(jì)算所述測(cè)量方向的多普勒頻移過程中，所述溫度Ta為實(shí)測(cè)溫度；
確定所述實(shí)測(cè)溫度的過程包括
測(cè)量接收到的來自于所述第三探測(cè)方向的瑞利后向散射大氣回波信號(hào)的光子數(shù) N (ζ)；
根據(jù)所述光子數(shù)計(jì)算所述大氣層的大氣密度P (ζ) , Ρ(ζ) = Ν[Ζ^(Ζ2ο)，其中，%N(Z0)Z0為參考高度，P (ζ0)為所述大氣層中參考高度處的密度，N(Ztl)為所述大氣層中參考高度處的光子數(shù)；
根據(jù)所述大氣密度計(jì)算所述大氣層中被探測(cè)高度處的實(shí)際溫度T(Z)，
Γ⑷=叩。+其中，T(Z0)為所述參考高度處P(Z) M(Z0) R ^ p(z)大氣層的溫度，M(Ztl)為所述大氣層中參考高度處的摩爾質(zhì)量，M(Z)為所述大氣層中被探測(cè)高度處的摩爾質(zhì)量，R為氣體常數(shù)，g(z)為重力加速度。
優(yōu)選的，在上述方法中，所述Ct1和Φ2為30°。
由此可見，本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明公開的中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法中，在對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行反演過程中，僅通過多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)三個(gè)測(cè)量方向進(jìn)行多普勒頻移測(cè)試，之后分別計(jì)算各個(gè)方向的徑向風(fēng)速，最終根據(jù)三個(gè)測(cè)試方向的徑向風(fēng)速確定大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速和方向，由于整個(gè)大氣風(fēng)場(chǎng)反演過程中只需要測(cè)量三個(gè)測(cè)量方向的多普勒頻移，與現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量四個(gè)測(cè)量方向的多普勒頻移相比，縮短了測(cè)量時(shí)間，從而提高了時(shí)間分辨率。
另外，本發(fā)明在反演徑向風(fēng)速的過程中，采用被探測(cè)大氣層的實(shí)測(cè)溫度來計(jì)算多普勒頻移，可以進(jìn)一步提高大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為現(xiàn)有的四波束掃描示意圖2為本發(fā)明公開的一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法的流程圖3為本發(fā)明公開的三波束掃描示意圖4為本發(fā)明公開的反演一個(gè)探測(cè)方向的徑向風(fēng)速的方法的流程圖5為現(xiàn)有的多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明公開的一種三維坐標(biāo)系中激光束的分解圖7為本發(fā)明中確定被探測(cè)大氣層實(shí)測(cè)溫度的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
本發(fā)明公開了一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法，可以縮短大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間，提高時(shí)間分辨率。其基本原理為在對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行反演過程中，僅通過多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)三個(gè)測(cè)量方向進(jìn)行多普勒頻移測(cè)試，之后分別計(jì)算各個(gè)方向的徑向風(fēng)速，最終根據(jù)三個(gè)測(cè)試方向的徑向風(fēng)速確定大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速和方向，由于整個(gè)大氣風(fēng)場(chǎng)反演過程中只需要測(cè)量三個(gè)測(cè)量方向的多普勒頻移，與現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量四個(gè)測(cè)量方向的多普勒頻移相比，縮短了測(cè)量時(shí)間，從而提高了時(shí)間分辨率。
參見圖2，圖2為本發(fā)明公開的一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法的流程圖。包括
步驟Sl 確定三個(gè)探測(cè)方向。
三個(gè)探測(cè)方向包括第一探測(cè)方向、第二探測(cè)方向和第三探測(cè)方向。其中，第一探測(cè)方向的天頂角為、其方位角為Q1，第二探測(cè)方向的天頂角為Φ2、其方位角為θ2，第三探測(cè)方向的天頂角小3為0°。并且，Q1* θ 2相差90°，(^和Φ2相同、大于0°且小于 90°。即第三探測(cè)方向?yàn)榇怪毕蛏?，第一探測(cè)方向和第二探測(cè)方向?yàn)樾毕蛏希⑶业谝惶綔y(cè)方向在水平面上的投影與第二探測(cè)方向在水平面上的投影正交。該三波束的示意圖請(qǐng)參見圖3。
步驟S2 分別反演三個(gè)探測(cè)方向的徑向風(fēng)速。
利用多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)三個(gè)探測(cè)方向進(jìn)行徑向風(fēng)速反演的過程基本一致。其中，反演一個(gè)探測(cè)方向的徑向風(fēng)速的過程如圖4所示，包括
步驟S21 向大氣層中一個(gè)探測(cè)方向發(fā)射激光信號(hào)。
步驟S22 接收瑞利后向散射大氣回波信號(hào)。
當(dāng)激光信號(hào)遇到大氣分子后會(huì)產(chǎn)生瑞利后向散射，多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)可以接收該瑞利后向散射大氣回波信號(hào)。
步驟S23 計(jì)算該探測(cè)方向的多普勒頻移vd。
vd = [R-1 (v0+vd, Ta) -Tl-1 (v0)]，其中，vQ為多普勒頻移，vQ為激光發(fā)射頻率， R-1 (v0+vd, Ta)為頻率響應(yīng)函數(shù)R(V(1+Vd，Ta)的反函數(shù)，IV1 (Vtl)為Tl(V0)的反函數(shù)。
頻率響應(yīng)函數(shù)R(v。+vd，Ta) = Tei (v0+vd, Ta)/TE2(v0+vd, Ta)，其中，Tei (v0+vd, Ta)為瑞利后向散射大氣回波信號(hào)經(jīng)過F-P標(biāo)準(zhǔn)具第一信號(hào)通道的透過率，TE2(v0+vd, Ta)為瑞利后向散射大氣回波信號(hào)經(jīng)過F-P標(biāo)準(zhǔn)具第二信號(hào)通道的透過率。F-P標(biāo)準(zhǔn)具兩個(gè)信號(hào)通道的透過率可以表示為
Tri (v0 +vdJJ = HXv0 +vd) fL(v0 +vd) fRay(v0 +vd,Ta)
其中，fL(v0+vd)為激光發(fā)射譜線，h, (v0+vd)為F-P標(biāo)準(zhǔn)具透過率函數(shù)，fEay(v0+vd, Τ)為瑞利后向散射增寬譜線，Ta為溫度，i = 1，2為兩個(gè)信號(hào)通道，《 ，，表示卷積。
TL(v0) = Mw^a4IJ，其中，a5為多普勒測(cè)風(fēng)激光接收機(jī)中第五探測(cè)器的校準(zhǔn)常數(shù)，ILe為該第五探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)，a4為多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的接收機(jī)中第四探測(cè)器的校準(zhǔn)常數(shù)，Ils為該第四探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)。多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括第一感測(cè)器101、第二探測(cè)器102、第三探測(cè)器103、第四探測(cè)器104和第五探測(cè)器105，其中，第五探測(cè)器105用于檢測(cè)參考光的光強(qiáng)Ile，第四探測(cè)器104用于檢測(cè)參考光透過F-P標(biāo)準(zhǔn)具后的光強(qiáng)U。
步驟S24 根據(jù)該探測(cè)方向的多普勒頻移計(jì)算徑向風(fēng)速。
某個(gè)探測(cè)方向的徑向風(fēng)速由該探測(cè)方向的多普勒頻移確定，徑向風(fēng)速與多普勒頻移的關(guān)系為廠 =Vift^i = 1，2，3，其中，i表示三個(gè)探測(cè)方向，λ為激光波長(zhǎng)。即某個(gè)探測(cè)方向的徑向風(fēng)速為該探測(cè)方向的多普勒頻移與激光波長(zhǎng)的乘積的1/2。
對(duì)每個(gè)探測(cè)方向分別執(zhí)行步驟S21至S24的步驟后，就可以確定三個(gè)探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速。
步驟S3 在預(yù)先構(gòu)建的三維坐標(biāo)系中，根據(jù)三個(gè)探測(cè)方向的徑向風(fēng)速計(jì)算大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速、以及大氣風(fēng)場(chǎng)的方向與三維坐標(biāo)系中X軸正方向之間的角度。
確定三個(gè)探測(cè)方向的徑向風(fēng)速后，將其以向量的形式分別在預(yù)先建立的三維坐標(biāo)系中進(jìn)行表示，其中，向量的大小表示徑向風(fēng)速的大小、向量的方向表示探測(cè)方向。之后，基于三角函數(shù)公式計(jì)算大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速、以及大氣風(fēng)場(chǎng)的方向與該三維坐標(biāo)系中X軸正半軸之間的角度。實(shí)施中，還可以進(jìn)一步根據(jù)X軸正半軸所代表的實(shí)際方向和角度Y確定大氣風(fēng)場(chǎng)的方向。
圖6為本發(fā)明公開的一種三維坐標(biāo)系中激光束的示意圖，該三維坐標(biāo)系中，以正東方向?yàn)閄軸正方向、以正北方向?yàn)閅軸正方向、以指向天頂方向?yàn)閆軸正方向。
第一探測(cè)方向巧的單位矢量為g = sin病cos《J+sin病sin《-) + cos病·系。式中，θ 為第一探測(cè)方向Α的方位角，Ct1為第一探測(cè)方向巧的天頂角J為χ方向的單位矢量， 為 y方向的單位矢量，石為ζ方向的單位矢量。
以此類推，
第二探測(cè)方向r2的單位矢量為g = sin武cos^J+sin武sin代_) + cos武4。其中，θ 2為第二探測(cè)方向r2的方位角，Φ2為第二探測(cè)方向r2的天頂角。
第三探測(cè)方向r3的單位矢量為= Sin疼cos .7+sin疼sin +cost系。其中θ 3為第三探測(cè)方向r3的方位角，Φ 3為第三探測(cè)方向r3的天頂角。由于第三探測(cè)方向r3為垂直向上，因此，92和φ3均為0°。
假定水平風(fēng)矢量為歹=Vx -1+ Vy-J+ V2-k ,則三個(gè)徑向風(fēng)速為6/8頁(yè)Vrl = Vx sin 於 Cos^1 + Vy sin 病 SinOl +Vz cos ^
\ Vr2 = Vx sin φ2 cos02 + Vy sin ^2 sin ^2 + Vz cos 於2Vr3 = Vx smφ3 cos03 +Vy sin sin ^3 + Vz cos
可求得r/Vr2 cos φλ - F1 cos φ2sin φ2 sin θ2 cos φλ - sin φλ sin θλ cos φ2

Vx =——x sin φ2 cos O1 cos φλ - sin φλ cos Ox cos φ2 sin φ2 cos O1 cos φλ - sin φλ cos Ox cos φ2(F3 cosφλ - F1 )(sinφ2 cosO1 cosφλ - sinφλ cosOx cosφ2) + (F2 cosφλ - F1 cosφ2)(sinφλ cosOx) (sinφλ sin θλ)(sin φ2 cosO1 cosφλ - sinφλ cosOx cosφ2) - (sinφ2 sin θ2 cosφλ - sin φλ sinθλ cosφ2)(sinφλ cosOx)
(Vr3 cosφλ - Vrl)(sinφ2 cosO1 cosφλ - sinφλ cosθχ cosφ2) + (Vr2 cosφλ - Vrl cosφ2)(sinφλ cosO1)V —-少 (sinφχ sinOx)(sinφ2 cosO1 cosφχ -sinφχ cosθχ cosφ2)~ (sinφ2 sinO1 cosφχ -sinφχ sinOx cosφ2)(sinφχ cosθχ)
大氣層風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速大小、以及風(fēng)場(chǎng)方向與三維坐標(biāo)系中X軸正半軸之間的夾角分別為
Vh=^V1x +V1y
y = arctan (NjN1) + Ji {1-sign [ (Vy+1 Vy |) · Vj} Vy ^ 0
當(dāng)然，三維坐標(biāo)系可以采用多種形式，而并不限于上述公開的形式。優(yōu)選的，以指向天頂?shù)姆较驗(yàn)閆軸的正半軸，以正南、正北、正東和正西四個(gè)方向中相鄰的兩個(gè)方向作為 X軸的正半軸和Y軸的正半軸，此時(shí)，可以降低確定\和Vy的計(jì)算量。
本發(fā)明上述公開的中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法中，在對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行反演過程中， 僅通過多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)三個(gè)測(cè)量方向進(jìn)行多普勒頻移測(cè)試，之后分別計(jì)算各個(gè)方向的徑向風(fēng)速，最終根據(jù)三個(gè)測(cè)試方向的徑向風(fēng)速確定大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速和方向，由于整個(gè)大氣風(fēng)場(chǎng)反演過程中只需要測(cè)量三個(gè)測(cè)量方向的多普勒頻移，與現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量四個(gè)測(cè)量方向的多普勒頻移相比，縮短了測(cè)量時(shí)間，從而提高了時(shí)間分辨率。
實(shí)施中，在計(jì)算某個(gè)探測(cè)方向的多普勒頻移的過程中，溫度Ta可以采用模式溫度， 該模式溫度由本領(lǐng)域技術(shù)人員慣用的標(biāo)準(zhǔn)溫度，但是大氣層的溫度受到很多因素的影響， 因此模式溫度與被探測(cè)大氣層的實(shí)際溫度可能存在一定差異。為了進(jìn)一步提高大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本發(fā)明中優(yōu)選被探測(cè)大氣層的實(shí)測(cè)溫度作為計(jì)算多普勒頻移的參量。
參見圖7，圖7為本發(fā)明中確定被探測(cè)大氣層實(shí)測(cè)溫度的方法的流程圖。包括
步驟SlOl 測(cè)量接收到的來自于第三探測(cè)方向的瑞利后向散射大氣回波信號(hào)的光子數(shù)N(Z)。
在多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收到來自于第三探測(cè)方法的瑞利后向散射大氣回波信號(hào)之后，通過光子計(jì)數(shù)探測(cè)器測(cè)量該回波信號(hào)的光子數(shù)，記為N(Z)。
步驟S102 根據(jù)該光子數(shù)計(jì)算所述大氣層的大氣密度P (ζ)。
激光雷達(dá)方程為
N(z) = ^4^exp[-2[a(zyz](5)ζO
在式(5)中，C。為系統(tǒng)常數(shù)，P (ζ)為大氣密度，σ (ζ)為大氣消光系數(shù)，N(ζ)為9
在中高空，大氣的消光系數(shù)很小，則式(5)可以簡(jiǎn)化為TV⑷= ^4^,取某高度~Z為參考高度，可得
CrlP(Zn)N(Z0) =(6)Z
聯(lián)立式(5)和式(6)可求得大氣密度廓線
徹=(V)N(Z0)Z0
在式(7)中，ζ為要探測(cè)的高度，Z0為設(shè)定的參考高度，P (Z0)為大氣層中參考高度處的密度，N(Ztl)為從參考高度處接收的光子數(shù)，N(Z)為從要探測(cè)高度處接收的光子數(shù)。
步驟S103 根據(jù)大氣密度計(jì)算大氣層中被探測(cè)高度處的實(shí)際溫度T(Z)。
理想氣體方程為
pV = mRT/M = nRT (8)
在式(8)中，ρ為狀態(tài)參量壓強(qiáng)，V為體積，m為質(zhì)量，M為摩爾質(zhì)量，R為氣體常量， T為絕對(duì)溫度，η為物質(zhì)的量。
ccP(z) ^ \ pgdz(9)ζ
式(9)表示高度ζ處的氣壓等于從該高度到大氣上界的單位面積氣柱所受的重力。
將式(7)代入式⑶和式(9)，可以求得大氣溫度廓線T(Z)
T(Z) = T(Z0)pi^ M(z)(10)P(Z) M(Z0) R ^ p(z)v )
其中，T(Ztl)為參考高度處大氣層的溫度，M(Z0)為大氣層中參考高度處的摩爾質(zhì)量，M(Z)為大氣層中被探測(cè)高度處的摩爾質(zhì)量，R為氣體常數(shù)，g(z)為重力加速度。
執(zhí)行上述步驟SlOl至S103后，可以確定大氣層被探測(cè)高度處的實(shí)測(cè)溫度，將該實(shí)測(cè)溫度用于計(jì)算多普勒頻移的過程，可以提高多普勒頻移的精度，最終提高大氣風(fēng)場(chǎng)反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
實(shí)施中，當(dāng)?shù)谝惶綔y(cè)方向的天頂角Φ1和第二探測(cè)方向的天頂角Φ2很小時(shí)，會(huì)增大多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中望遠(yuǎn)鏡的安裝難度，當(dāng)?shù)谝惶綔y(cè)方向的天頂角小工和第二探測(cè)方向的天頂角Φ2很大時(shí)，對(duì)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中激光器的能量要求較高。因此，本發(fā)明中可以設(shè)置牝和Φ2位于30° 60°之間，一方面降低了望遠(yuǎn)鏡的安裝難度，另一方面也降低了對(duì)激光器能量的要求。
優(yōu)選的，將Ct1和Φ2設(shè)置為30°。
另外，可以調(diào)整第一探測(cè)方向和第二探測(cè)方向，使得第一探測(cè)方向和第二探測(cè)方10向在水平面的投影為正南、正北、正東和正西中相鄰的兩個(gè)，此時(shí)，Vx和Vy的計(jì)算公式被簡(jiǎn)化，從而為了降低計(jì)算大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速和方向的運(yùn)算量。
例如，在圖3中，在三維坐標(biāo)系以正南方向?yàn)閄軸正方向、以正東方向?yàn)閅軸正方向、以指向天頂?shù)姆较驗(yàn)閆軸正方向，同時(shí)，第一探測(cè)方向的方位角Q1Sf、天頂角牝?yàn)?30°，第二探測(cè)方向的方位角92為90°、天頂角，第三探測(cè)方向的方位角93為 0°、天頂角(^為0°。Vx=IVrlSvr3
求得，K-Ks
本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。
對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法，其特征在于，包括確定三個(gè)探測(cè)方向，所述三個(gè)探測(cè)方向包括第一探測(cè)方向、第二探測(cè)方向和第三探測(cè)方向，所述第一探測(cè)方向的天頂角為、其方位角為Q1，所述第二探測(cè)方向的天頂角為 Φ2、其方位角為θ 2，所述第三探測(cè)方向的天頂角為0°，其中，所述Q1* θ 2相差90°，所述牝和φ2相同、大于0°且小于90° ；分別反演所述第一探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速Vri、第二探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速Vrt和第三探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速Vrt;在預(yù)先構(gòu)建的三維坐標(biāo)系中，根據(jù)所述Vri、Vrt和Vrt計(jì)算大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速Vh、以及所述大氣風(fēng)場(chǎng)的方向與所述三維坐標(biāo)系中X軸正方向之間的角度Y。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)先構(gòu)建的三維坐標(biāo)系，以正東方向?yàn)閄軸正方向、以正北方向?yàn)閅軸正方向、以指向天頂方向?yàn)閆軸正方向，則K=^jK2+ K,Y = arctan (Vx/Vy)+ JI {1-sign [ (Vy+1 Vy |) .VJ}，其中，F(xiàn)2 cos φχ - F1 cos φ2sin φ2 sin θ2 cos φχ - sin φχ sin θχ cos φ2Vx =---1 sin φ2 cos θ2 cos φλ - sin φλ cos O1 cos φ2 sin φ2 cos θ2 cos φλ - sin φλ cos O1 cos φ2(Vr3 cosφι - Vrl)(sinφ2 cosθ2 cosφι - sinφι cosO1 cosφ2) + (Vr2 cosφι - Vrl cosφ2)(sinφι cosO1) (sin φι sin O1 )(sin φ2 cosθ2 cos病—sinφι cosO1 cosφ2)- (sinφ2 sin θ2 cos病—sin φι sinO1 cos φ2)(sinφι cosO1)(Vr3 cosφι - Vrl)(sinφ2 cosθ2 cosφι - sinφι cosO1 cosφ2) + (Vr2 cosφι - Vrl cosφ2)(sinφι cosO1)V =-少 (sinφχ sinO1 )(sinφ2 cosO1 cosφχ -sinφχ cosO1 cosφ2)- (sinφ2 sinO1 cosφχ -sinφχ sinO1 cosφ2)(sinφχ cosO1)ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，反演任意一個(gè)探測(cè)方向的徑向風(fēng)速的過程，包括向大氣層中一個(gè)探測(cè)方向發(fā)射激光信號(hào)； 接收瑞利后向散射大氣回波信號(hào)；計(jì)算所述探測(cè)方向的多普勒頻移vd，vd = [R-1 (v0+vd, Ta) -Tl-1 (v0)]，其中，IT1 (v0+vd, Ta) 為頻率響應(yīng)函數(shù)R(V(1+Vd，Ta)的反函數(shù)，IV1 (Vtl) % Tl(V0)的反函數(shù)，R(v0+vd,Ta) = Tlil (v。+vd，Ta)/TK2 (v。+vd，Ta),其中，Tiu(Vc^VdJa)為瑞利后向散射大氣回波信號(hào)經(jīng)過F-P標(biāo)準(zhǔn)具第一信號(hào)通道的透過率，TE2(v0+vd, Ta)為瑞利后向散射大氣回波信號(hào)經(jīng)過F-P標(biāo)準(zhǔn)具第二信號(hào)通道的透過率，TL(v0) =Al^ZOi4IJ,其中， 為多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)中第五探測(cè)器的校準(zhǔn)常數(shù)，ILe為所述第五探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)，a4為所述多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)接收機(jī)中第四探測(cè)器的校準(zhǔn)常數(shù)，Ils為所述第四探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)；根據(jù)所述探測(cè)方向的多普勒頻移，計(jì)算所述探測(cè)方向的徑向風(fēng)速。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，計(jì)算所述測(cè)量方向的多普勒頻移過程中， 所述溫度Ta為模式溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，計(jì)算所述測(cè)量方向的多普勒頻移過程中， 所述溫度Ta為實(shí)測(cè)溫度；確定所述實(shí)測(cè)溫度的過程包括測(cè)量接收到的來自于所述第三探測(cè)方向的瑞利后向散射大氣回波信號(hào)的光子數(shù)根據(jù)所述光子數(shù)計(jì)算所述大氣層的大氣密度P (ζ)，P(z) = N(')Z fZ2o)，其中，Z0為參N(Z0)Z0考高度，P (z0)為所述大氣層中參考高度處的密度，N(Ztl)為所述大氣層中參考高度處的光子數(shù)；根據(jù)所述大氣密度計(jì)算所述大氣層中被探測(cè)高度處的實(shí)際溫度T(Z)， Γ㈡=作。)孕# +華「。^ii/z,其中，T(Z0)為所述參考高度處大氣M(Z0) R ^ ρ(ζ)層的溫度，M(Ztl)為所述大氣層中參考高度處的摩爾質(zhì)量，M(Z)為所述大氣層中被探測(cè)高度處的摩爾質(zhì)量，R為氣體常數(shù)，g(z)為重力加速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述Ct1和Φ2為30°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法，包括確定三個(gè)探測(cè)方向，所述三個(gè)探測(cè)方向包括第一探測(cè)方向、第二探測(cè)方向和第三探測(cè)方向，所述第一探測(cè)方向的天頂角為φ1、其方位角為θ1，所述第二探測(cè)方向的天頂角為φ2、其方位角為θ2，所述第三探測(cè)方向的天頂角為0°，所述θ1和θ2相差90°，所述φ1和φ2相同、大于0°且小于90°；分別反演所述第一探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速Vr1、第二探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速Vr2和第三探測(cè)方向上的徑向風(fēng)速Vr3；在預(yù)先構(gòu)建的三維坐標(biāo)系中，根據(jù)所述Vr1、Vr2和Vr3計(jì)算大氣風(fēng)場(chǎng)的水平風(fēng)速Vh、以及所述大氣風(fēng)場(chǎng)的方向與所述三維坐標(biāo)系中X軸正方向之間的角度γ。本發(fā)明公開的中高層大氣風(fēng)場(chǎng)反演方法，縮短了測(cè)量時(shí)間，從而提高了時(shí)間分辨率。
文檔編號(hào)G01S17/95GK102508222SQ201110369049
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者夏海云, 孫東松, 王國(guó)成, 竇賢康, 胡冬冬, 薛向輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)