一種用于測量大氣風速和溫度的方法
【專利摘要】本發明提供了一種測量大氣風場和溫度的方法，所述的方法通過選取一碘分子吸收光譜線上的三個頻率點位置，發射相應頻率的激光，在這三個頻率中，其中至少有一個頻率的激光大氣散射信號對碘分子吸收光譜儀的透過率變化受風速影響比較大，其中至少有一頻率的激光大氣散射信號對碘分子吸收光譜儀的透過率變化受溫度影響比較大，并根據多普勒頻移和展寬引起的大氣散射信號在三個頻率處強度的變化同時計算得到大氣風速和溫度，避免了由大氣溫度不確定性所帶來的大氣風速反演誤差，從而提高了測量大氣風速的精度。
【專利說明】
一種用于測量大氣風速和溫度的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及大氣探測技術領域，具體涉及一種用于測量大氣風速和溫度的方法。
【背景技術】
[0002] 碘分子具有豐富的吸收譜線，可以作為頻率標準用來穩定激光頻率，以及測量激 光大氣散射信號的光譜頻率和寬度變化。在基于碘分子吸收光譜儀的532nm的多普勒激光 雷達中，碘分子的1109(或者1110,或者1111)號吸收光譜線可以用來穩定532nm激光器激光 頻率，并測量大氣散射光信號的頻率變化，根據多普勒頻移效應得到風速。碘分子吸收光譜 線具有兩個吸收強度隨頻率迅速變化的邊緣，可以利用其中一個或者兩個邊緣進行測量。
[0003] 在現有技術中，測量風速的方法為:利用532nm多普勒激光雷達將發射的激光頻率 穩定在碘分子吸收光譜線一個邊緣的中間位置，然后測量激光大氣散射信號通過碘分子吸 收光譜儀的透過率變化，得到多普勒頻移量，進而獲得風速。為了提高風速的測量精度， 532nm多普勒激光雷達將發射的激光頻率穩定在碘分子吸收光譜線兩個邊緣的中間位置， 由于兩個邊緣的光譜吸收強度變化隨頻率變化的方向不同，增加了測量的靈敏度。
[0004] 研究表明，在利用大氣散射信號的多普勒頻移進行大氣風速測量時，需要考慮大 氣溫度引起的大氣散射信號多普勒展寬影響。以上這些基于碘分子吸收光譜儀的532nm的 多普勒激光雷達在工作時，若利用大氣瑞利散射信號的多普勒頻移進行大氣風速測量，必 須考慮大氣瑞利散射信號的光譜寬度，即大氣的溫度。目前，基于碘分子吸收光譜儀的 532nm多普勒激光雷達在工作時，都是利用其它手段獲得大氣溫度后（例如大氣模式、激光 雷達拉曼測溫方法、激光雷達瑞利信號積分法等），再進行大氣風速的反演。而大氣溫度的 不準確性會影響大氣風速的測量精度，若再使用其它測量手段獲得大氣溫度，會影響激光 雷達的使用靈活性。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于，為了解決上述現有的測量大氣風場和溫度方法存在測量精度 低的技術問題，提供一種測量大氣風速和溫度的方法，利用該方法能夠同時測量大氣風速 和溫度，解決目前多普勒激光雷達在測量大氣風速時需要的大氣溫度的問題，并能夠提高 測量大氣風速的精度。
[0006] 為了實現上述目的，本發明提供的一種測量大氣風場和溫度的方法，包括：
[0007] 步驟1)依次向大氣發射532nm處碘分子吸收光譜線上的三個不同頻率的激光；
[0008] 步驟2)依次接收三個不同頻率激光的大氣瑞利散射信號；
[0009] 步驟3)測量得到透過碘分子吸收光譜儀的三個不同頻率的大氣瑞利散射信號所 對應的光強^…，"、^…，"、^…，"，定義激光雷達風速測量比和激光雷達溫度測量比分 別為：
[0012]則有測量得到的大氣的風速值和溫度值分別為：
[0015] 其中，Sw和St分別表示風速測量靈敏度和溫度測量靈敏度。
[0016] 所述的風速測量靈敏度為風速變化lm/s所引起的風速測量比的變化量，其表示 為：
[0018]所述的溫度測量靈敏度為溫度變化1K引起的溫度測量比的變化量，其表示為：
[0020] 作為上述技術方案的進一步改進，所述的三個激光的頻率分別位于:碘分子吸收 光譜線的中心頻率附近、距中心頻率以前1GHz處、距中心頻率以后1GHz處。
[0021] 本發明的一種測量大氣風速和溫度的方法優點在于：
[0022] 本發明的方法通過選取一碘分子吸收光譜線上的三個頻率點位置，發射相應頻率 的激光，在這三個頻率中，其中至少有一個頻率的激光大氣散射信號對碘分子吸收光譜儀 的透過率變化受風速影響比較大，其中至少有一頻率的激光大氣散射信號對碘分子吸收光 譜儀的透過率變化受溫度影響比較大，并根據多普勒頻移和展寬引起的大氣散射信號在三 個頻率處強度的變化同時計算得到大氣風速和溫度，避免了由大氣溫度不確定性所帶來的 大氣風速反演誤差，從而提高了測量大氣風速的精度。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明中的一種測量大氣風速和溫度的方法流程圖。
[0024] 圖2是碘分子吸收光譜線與不同溫度下的大氣瑞利散射信號透過率曲線的關系視 圖。
[0025] 圖3是碘分子吸收光譜線與不同風速下的大氣瑞利散射信號透過率曲線的關系視 圖。
[0026] 圖4是不同大氣風速和溫度下的大氣瑞利散射信號的風速測量比值和溫度測量比 值。
[0027] 附圖標記
[0028] 1、碘分子吸收光譜線 2、相對激光頻率-1.0GHz位置
[0029] 3、相對激光頻率0GHz位置 4、相對激光頻率1.0GHz位置
[0030] 5、碘分子吸收光譜儀對300K溫度，Om/s風速大氣狀態下的532nm大氣瑞利散射光 譜的透過曲線
[0031] 6、碘分子吸收光譜儀對250K溫度，Om/s大氣風速狀態下的532nm大氣瑞利散射光 譜的透過曲線
[0032] 7、碘分子吸收光譜儀對200K溫度，Om/s大氣風速狀態下的532nm大氣瑞利散射光 譜的透過曲線
[0033] 8、碘分子吸收光譜儀對250K溫度，-100m/s大氣風速狀態下的532nm大氣瑞利散射 光譜的透過曲線
[0034] 9、碘分子吸收光譜儀對250K溫度，100m/s大氣風速狀態下的532nm大氣瑞利散射 光譜的透過曲線
[0035] 10、在180K溫度狀態下，風速從-100m/s到100m/s變化時的風速測量比值與溫度測 量比值的關系曲線
[0036] 11、在280K溫度狀態下，風速從-100m/s到100m/s變化時的風速測量比值與溫度測 量比值的關系曲線
[0037] 12、在-100m/s風速狀態下，溫度從180K到280K變化時的風速測量比值與溫度測量 比值的關系曲線
[0038] 13.在100m/s風速狀態下，溫度從180K到280K變化時的風速測量比值與溫度測量 比值的關系曲線
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖和實施例對本發明所述的一種測量大氣風速和溫度的方法進行詳 細說明。
[0040] 由于碘分子具有豐富的光譜結構，當入射光子能量與碘分子的躍迀能級相近時， 將會與碘分子相互作用而被吸收。而光通過碘分子吸收光譜儀，根據光信號頻率的不同，碘 分子會對光信號有不同程度的吸收。基于上述原理，為了更好地解決基于碘分子吸收光譜 儀的多普勒激光雷達測量大氣風速精度受大氣溫度影響的問題，使該激光雷達能夠同時測 量大氣風速和溫度，本發明提供一種同時檢測大氣風速和溫度的方法。如圖1所示，本發明 的方法具體內容包括：
[0041] 步驟1)利用基于碘分子吸收光譜儀的多普勒激光雷達依次發射三個不同頻率 (uni)的激光，這三個激光頻率VQ、 VP、VM分別位于碘分子吸收光譜線的三個不同位置 (一般情況為碘分子吸收光譜線的中心、右翼、左翼）。在這三個頻率中，其中至少有一個頻 率的激光大氣瑞利散射信號對碘分子吸收光譜儀的透過率變化受風速影響比較大;其中至 少有一頻率的激光大氣瑞利散射信號對碘分子吸收光譜儀的透過率變化受溫度影響比較 大。從圖2所示的透過率曲線5、6、7可知，當激光的頻率位于碘分子吸收光譜線的相對激光 頻率〇GHz位置3(中心頻率附近)時，碘分子吸收光譜儀對不同溫度下的大氣瑞利散射信號 透過率變化最大;從圖3所示的透過率曲線6、8、9可知，當激光的頻率位于碘分子吸收光譜 線的相對激光頻率-1.0GHz位置2和相對激光頻率1.0GHz位置4時，碘分子吸收光譜儀對不 同風速下的大氣瑞利散射信號透過率變化最大。
[0042] 如圖4所示，在不同溫度、風速狀態下的大氣瑞利散射光信號經過碘分子吸收光譜 儀的透過率也不同，如關系曲線1〇、11、12、13的位置所示。大氣瑞利散射光譜經過碘分子吸 收光譜儀的透過率曲線如5、6、7、8、9所示。此時選定位置2、3、4分別作為53211111多普勒激光 雷達發射激光頻率vm、v Q、VP的位置。
[0043] 步驟2)在這三個激光頻率工作狀態下，依次接收三個不同頻率激光的大氣瑞利散 射信號；
[0044] 步驟3)測量得到經過碘分子吸收光譜儀的三個不同頻率的大氣瑞利散射信號所 對應的光強可以表示為:心(￥，1')、化(￥，1')、詠(￥，1')。它們與大氣的風速￥和溫度1'有關。 [00 45] 定義激光雷達風速測量比值(Wind Ratio)和激光雷達溫度測量比（Temperature Ratio)值分別為：
[0048]則有測量得到的大氣的風速值和溫度值分別為：
[0051 ]其中，Sw和St分別表示風速測量靈敏度和溫度測量靈敏度。
[0052]所述的風速測量靈敏度為風速變化lm/s所引起的風速測量比的變化量，其表示 為：
[0054]所述的溫度測量靈敏度為溫度變化1K引起的溫度測量比的變化量，其表示為：
[0056]最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種測量大氣風場和溫度的方法，其特征在于，包括： 步驟1)依次向大氣發射532nm處艦分子吸收光譜線上的Ξ個不同頻率的激光； 步驟2)依次接收Ξ個不同頻率激光的大氣瑞利散射信號； 步驟3)測量得到透過艦分子吸收光譜儀的Ξ個不同頻率的大氣瑞利散射信號所對應 的光強抓(￥，1')、佩(￥，1')、化(￥，1')，定義激光雷達風速測量比和激光雷達溫度測量比分別 為：則有測量得到的大氣的風速值和溫度值分別為：其中，Sw和St分別表示風速測量靈敏度和溫度測量靈敏度； 所述的風速測量靈敏度為風速變化Im/s所引起的風速測量比的變化量，其表示為：所述的溫度測量靈敏度為溫度變化化引起的溫度測量比的變化量，其表示為：2. 根據權利要求1所述的測量大氣風場和溫度的方法，其特征在于，所述的Ξ個激光的 頻率分別位于:艦分子吸收光譜線底部中屯、頻率附近、距中屯、頻率W前IGHz處、距中屯、頻率 W后IGHz處。
【文檔編號】G01S17/95GK106093965SQ201610676753
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月16日 公開號201610676753.3, CN 106093965 A, CN 106093965A, CN 201610676753, CN-A-106093965, CN106093965 A, CN106093965A, CN201610676753, CN201610676753.3
【發明人】閆召愛, 胡雄, 郭文杰
【申請人】中國科學院國家空間科學中心