一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法及系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110297257A(43)申请公布日2019.10.01(21)申请号201910694592.4(22)申请日2019.07.30(71)申请人南京信息工程大学地址210044江苏省南京市江北新区宁六路219号(72)发明人卜令兵林雪飞(74)专利代理机构南京汇盛专利商标事务所(普通合伙)32238代理人张立荣(51)Int.Cl.G01S17/95(2006.01)G01K13/02(2006.01)G01K11/00(2006.01)权利要求书1页说明书6页附图3页(54)发明名称一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法及系统(57)摘要本发明公开了一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法，该方法通过发射激光，接收大气散射回波信号，经FP干涉仪条纹成像，测量光谱展宽，利用光谱展宽计算不同高度处的大气温度。本发明基于多普勒展宽测量大气温度的方法操作简单，计算量小。可以实现从低空到高空的温度测量，回波信号稳定，测量结果较精确。CN110297257ACN110297257A权利要求书1/1页1.一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法，其特征在于，该方法通过发射激光，接收大气散射回波信号，经FP干涉仪条纹成像，测量光谱展宽，利用光谱展宽计算不同高度处的大气温度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大气温度通过以下公式计算：式中，ΔfD为谱线的半高全宽，M为原子或分子量，f0为激光中心频率，k为玻耳兹曼常数，c为真空中光速，m为分子质量，m＝1.66×10-27M[kg]，T为大气温度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发射激光为单频355nm脉冲激光；所述大气温度的计算公式为：1/2ΔfD＝0.11236(T)GHz。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述FP干涉仪条纹成像所得光谱为瑞利散射光谱的多普勒展宽线性函数与FP干涉仪自身透过率函数的卷积；所述瑞利散射光谱的多普勒展宽线性函数为：所述FP干涉仪自身透过率函数为：式中，A为干涉仪平板间的吸收和散射损失，R为平板反射率，m为干涉级数，mλ＝2nd，n为两平板间折射率，d为平板间距，m＝2ndf/c。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述FP干涉仪自身透过率函数为：6.一种基于多普勒展宽测量大气温度的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统包括发射系统、接收系统及主控系统；所述发射系统包括激光器、扩束镜、45°全反镜；接收系统包括望远镜、小孔板、45°全反镜、滤光片、FP干涉仪、缩束镜、汇聚透镜、光电探测器、信号采集模块；所述激光器发射激光，经扩束镜、45°全反镜垂直进入大气；所述望远镜接收大气后向散射信号后，依次经小孔板上的小孔、45°全反镜、滤光片、FP干涉仪、缩束镜、汇聚透镜后进入光电探测器；所述光电探测器通过信号采集模块与主控系统相连。7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光器采用单纵模种子注入Nd：YAG激光器；所述望远镜采用200mm的卡塞格林望远镜；所述FP干涉仪的自由光谱范围为12GHz；所述光电探测器采用HamamatsuR5900-0-L16型号的16通道的光电倍增管阵列；所述信号采集模块采用16通道的Gage高速数据采集卡。2CN110297257A说明书1/6页一种基于多普勒展宽测量大气温度的方法及系统技术领域[0001]本发明属于大气科学领域，特别是涉及激光雷达探测技术领域，利用大气散射对激光光谱的加宽来探测大气温度廓线。背景技术[0002]气温是大气最基本的要素，它的时空分布和变化对于大气的压力、风、湿度以及天气、气候具有重要影响。温度作为重要的气象要素之一，是目前天气诊断分析、天气预报和大气监测的重要参数。大气温度廓线不仅可以用来初始化和评估数值预报模型，还可以用来判断大气的稳定性、预报短时强对流天气等。同时，气温的高低和升降变化，直接影响太阳辐射和地气系统辐射的相互作用，进而影响地气系统的辐射能量收支平衡。因此，获取大气温度参数信息具有重要的科学和现实意义。[0003]无线电探空仪原位测量大气温度廓线仍然是目前其它探测方法的参考基准，其探测结果具有一定的准确性和代表性，可以满足大量的气象需求。但是，原位测量方法间分辨率和空间分辨率较低；单次观测成本较高；由于风的作用，温度廓线并不是处在同一纬度。这些都使得原位测量无法满足中小尺度天气系统监测。大气遥感技术逐渐发展，平流层至中间层的温度一般利用火箭和卫星遥感探测，但是火箭探空价格昂贵，卫星遥感探测垂直距离分辨率低。发明内容[0004]本发明的目的是为了为克服常规的气温原位测量的时空分辨率低和卫星遥感探测的垂直距离分辨率低，无法连续较精确地监测大气温度变化情况的不足，本发明