基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统及方法

1.本发明涉及激光雷达探测波长监测技术领域，尤其涉及一种基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统及方法，也可以用于全天时中高层大气多普勒探测激光雷达探测波长实时监测。


背景技术：

2.目前中高层大气多普勒探测激光雷达多以钠原子为示踪物，除了可以得到高空钠层的密度廓线及其演化过程，更重要的是可以实现中层顶区域温度及风场的探测。其探测原理是通过对高空钠原子多普勒增宽和多普勒频移的高分辨探测，通过发射三个可以快速切换的特定激光的频率，分别探测各个高度上这三个不同频率处的回波信号强度，在结合钠原子光谱结构的谱线函数，就可以反推出各个高度上的大气风场、温度。
3.发射激光波长的定标和波长长期稳定对风温激光雷达来说至关重要，它会直接影响到回波信号质量以及大气探测风场、温度探测的精度。目前，发射激光波长的锁定一般采用的是饱和吸收稳频技术，将激光波长锁定在钠原子d2线超精细结构峰上，以满足精确大气风场探测的要求。但是在实际运行的激光雷达系统中，经常会存在一些异常化情况，比如由于进入饱和吸收稳频系统的连续激光功率不稳定，就会使得d2线超精细结构精细度不高，导致稳频单元并没有将其锁在超精细结构峰上；或者是由于进入饱和吸收稳频系统的激光波长漂移或突变，会存在稳频单元短时间内无法找到超精细结构峰而脱锁的现象；这些情况会使稳频单元无法重新锁定d2线超精细结构峰，而导致频率偏移。如果此时不能及时纠正发射激光波长，那么探测数据不但会产生较大误差，甚至是采集数据无效。
4.并且根据已有文献结果(krueger，joe she al.,applied optics，p9469-9489，2015；徐丽等，地球物理学报，2010)可知，风温误差正比于频率误差，对于激光频率误差导致的风温结果误差，1mhz产生的误差，将会产生0.2k温度和0.67m/s的风场误差。
5.目前，激光雷达也包括中高层风温激光雷达，波长实时监测多采用波长计实现。利用波长计监测有如下几个点需要注意：首先，波长计实时监测波长的方法是根据多光束干涉法获取激光波长，这个测量结果与入射激光的状态是相关的，使得测试的结果存在不准确的因素；其次，波长计测量波长精度是否能达到原子离子共振峰要求波长的精度？再次，波长计在工作时需要定时校准，这将增加实验工作量；最后，高精度波长计价格昂贵，将大大增加实验成本。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种中高层大气多普勒激光雷达探测波长的实时监测系统和方法，可以实时判定激光雷达探测波长的准确性，提高风场、温度或者速度探测结果的精度。
7.为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
8.本发明提出了一种基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，所述系统包
括：回波信号采集子系统和回波信号分析子系统；其中，
9.所述回波信号采集子系统，用于采集中高层大气多普勒探测激光雷达接收到的不同方向上不同频率的金属成分共振产生的回波信号；
10.所述回波信号分析子系统，用于分别对每个方向上不同频率的回波信号进行处理和分析，并根据分析结果判断激光雷达探测波长是否准确。
11.作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括：数据预处理子系统，用于对采集到的不同方向、不同频率的回波信号进行预处理，所述预处理包括：对回波信号进行分类整理存储、对回波信号进行质量检测以及根据质量检测结果对回波信号进行剔除。
12.作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括：中央控制子系统，用于根据回波信号分析子系统给出的激光雷达发射波长判断信息，向激光雷达发射相应命令，将激光雷达发射波长调整至相应正确探测波长。
13.作为上述技术方案的改进之一，所述回波信号采集子系统，包括至少三个不同方向的数据采集装置；所述三个不同方向包括天顶、天顶偏东或偏西和天顶偏北或偏南；
14.每个方向的数据采集装置，用于采集各自方向上至少三个不同频率的金属成分共振产生的回波信号；所述三个不同频率包括f0、f
+
＝f0+δf、f-＝f
0-δf，其中f0为峰值工作频率，δf为激光雷达设定的频移量。
15.作为上述技术方案的改进之一，所述回波信号分析子系统的处理过程具体包括：
16.获取每个方向的至少三个频率的各个频率回波光子信号计数值na；
17.对na进行非线性校正，获得每个方向至少三个频率的回波光子信号计数值nb；
18.对nb进行高度和时间积分，得到回波信号nc；
19.对nc进行扣除背景噪声，获得扣除背景噪声后的回波信号ne；
20.对ne进行参考高度瑞利信号归一化，得到每个方向至少三个频率的各个频率归一化回波信号，其中，f0的归一化回波信号n
f0
，f-的归一化回波信号n
f-，f
+
的归一化回波信号n
f+
；
21.比较n
f0
、n
f-和n
f+
，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确。
22.作为上述技术方案的改进之一，所述背景噪声为170-190km的回波信号平均。
23.作为上述技术方案的改进之一，所述比较n
f0
、n
f-和n
f+
，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确，具体包括：
24.如果n
f0
最大，且n
f-和n
f+
在示踪金属成分探测的高度范围内重合，则判定激光雷达探测波长正确无误；
25.如果n
f0
不是最大，或n
f-和n
f+
未在示踪金属成分探测的高度范围内重合，则判定激光雷达探测波长偏移。
26.作为上述技术方案的改进之一，所述比较n
f0
、n
f-和n
f+
，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确，具体包括：
27.如果光子数比值n
f+
/n
f-等于示踪金属成分探测的高度设定的温度的三频相对谱线强度比值，则判定激光雷达探测波长正确无误；
28.如果光子数比值n
f+
/n
f-不等于示踪金属成分探测的高度设定的温度的三频相对谱线强度比值，则判定激光雷达探测波长偏移。
29.作为上述技术方案的改进之一，所述回波信号分析子系统包括：白天回波信号分
析装置和/或夜间回波信号分析装置，分别用于对白天和/或夜间采集的每个方向上不同频率的回波信号进行分析，并根据分析结果判断中激光雷达探测波长是否准确；其中，所述白天回波信号分析装置还用于对非线性校正完后的回波光子信号进一步进行透射率的修正处理。
30.本发明还提出了一种基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的方法，基于上述之一所述系统实现，所述方法包括：
31.采集中高层大气多普勒探测激光雷达接收到的不同方向上不同频率的金属成分共振产生的回波信号；
32.利用回波信号分析子系统分别对每个方向上不同频率的回波信号进行处理和分析，并根据分析结果判断激光雷达探测波长是否准确。
33.本发明与现有技术相比优点在于：
34.1、本发明提出利用中高层大气多普勒激光雷达的回波信号来判断探测波长的准确性，避免了由于锁频系统失锁导致的探测波长不准导致探测结果不准确；
35.2、相较于已有的的波长计探测方法，参照背景技术中所述的可能产生的不准确因素以及成本问题，本方法利用原子的共振产生的后向回波信号判断监测，准确性在原子量级，判断结果真实可信，并且节约了成本；
36.3、本发明可以实时直观的判断中高层大气多普勒激光雷达探测波长的准确性，提高了风温探测结果的精度。
附图说明
37.图1是中高层大气多普勒激光雷达探测波长监测系统；
38.图2是全天时钠层风温激光雷达探测波长监测系统；
39.图3是当激光雷达是在夜间工作时，夜间三频回波信号分析装置的结果；
40.图4是调整后的夜间归一化三频回波信号；
41.图5是当激光雷达在白天工作时，白天三频回波信号分析装置的结果。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
43.实施例1
44.1、如图1所示，为一种用于中高层大气风温探测激光雷达探测波长实时监测系统，也可以用于全天时中高层大气风温探测激光雷达探测波长实时监测以及任意发射三频激光测量大气风温探测激光雷达系统；图1所示的激光雷达并不一定全部具备白天夜间探测功能，所以是ⅵ和ⅶ两者是选择关系，选择其中一个来运行；
45.2、包括：ⅰ：中高层大气风温探测激光雷达；ⅱ：天顶方向探测数据采集装置；ⅲ：东向(西向)探测数据采集装置；ⅳ：北向(南向)探测数据采集装置；
ⅴ
：数据预处理装置；ⅵ：夜间三频回波信号分析装置；ⅶ：白天三频回波信号分析装置；
ⅷ
：中央控制系统；
46.3、ⅰ中高层大气风温探测激光雷达接收到的三方向三频率回波信号分别由ⅱ天顶方向探测数据采集装置、ⅲ东向(西向)探测数据采集装置、ⅳ北向(南向)探测数据采集装置采集；
47.4、
ⅴ
数据预处理装置：对采集到的不同方向、不同频率的激光雷达的回波信号进行数据的分类整理存储，并且对数据进行质量检测以及坏数据剔除；
48.5、如果激光雷达是在夜间工作，启动ⅵ夜间三频回波信号分析装置，数据预处理系统处理好的数据就会传输到ⅵ夜间三频回波信号分析装置，进行信号情况分析判断；
49.6、如果激光雷达是在白天工作，启动ⅶ白天三频回波信号分析装置，数据预处理系统处理好的数据就会传输到ⅶ白天三频回波信号分析装置，进行信号情况分析判断；
50.7、夜间三频回波信号分析装置对探测波长的判别方法：
51.经过数据预处理装置的天顶方向的回波信号进入夜间三频回波信号分析装置，三个频率分别为f0、f
+
＝f0+δf、f-＝f
0-δf，其中δf为激光雷达设定的频移量。
52.假设经过
ⅴ
数据预处理装置的天顶方向三频回波光子信号计数值na，在夜间三频回波信号分析装置中，将对此数据进行主要硬件(如光电管等)的非线性校正获得的天顶方向任一频率回波光子信号计数值nb；
53.对此回波信号nb进行高度和时间积分，得到示踪原子离子的回波信号nc；
54.然后扣除噪声，选取170-190km处的回波信号平均作为高空背景噪声，扣除背景噪声后的示踪原子离子的回波信号ne；
55.之后对ne进行参考高度瑞利信号归一化，将会得到示踪原子离子天顶方向任一频率的归一化回波信号nf，f0的归一化回波信号n
f0
，f-的归一化回波信号n
f-，f
+
的归一化回波信号n
f+
；
56.比较归一化后的夜间三频回波信号值，如果n
f0
最大，且n
f-和n
f+
在示踪原子离子探测的高度范围内基本重合，或者也可以根据光子数比值小于示踪原子离子探测的高度设定的温度的三频相对谱线强度比值，则可以判定激光雷达探测波长正确无误；反之，则激光雷达探测波长偏移，需要修正；
57.8、白天三频回波信号分析装置对探测波长的判别方法：
58.经过数据预处理装置的天顶方向的回波信号进入白天三频回波信号分析装置，三个频率分别为f0、f
+
＝f0+δf、f-＝f
0-δf，其中δf为激光雷达设定的频移量。
59.假设经过
ⅴ
数据预处理装置的天顶方向三频回波光子信号计数值na，在白天三频回波信号分析装置中，将对此数据进行除主要硬件的非线性校正之外，还需要加入系统中滤光器透射率的修正处理，获得的天顶方向任一频率回波光子信号计数值n
b’；
60.对此回波信号n
b’进行高度和时间积分，得到示踪原子离子的回波信号n
c’；
61.然后扣除噪声，选取170-190km处的回波信号平均作为高空背景噪声，扣除背景噪声后的示踪原子离子的回波信号n
e’；
62.之后对n
e’进行参考高度瑞利信号归一化，将会得到示踪原子离子天顶方向任一频率的归一化回波信号nf，f0的归一化回波信号n
f0
，f-的归一化回波信号n
f-，f
+
的归一化回波信号n
f+
；
63.比较归一化后的夜间三频回波信号值，如果n
f0
最大，且n
f-和n
f+
在示踪原子离子探测的高度范围内基本重合，或者也可以根据光子数比值小于示踪原子离子探测的高度设定的温度的三频相对谱线强度比值，则可以判定激光雷达探测波长正确无误；反之，则激光雷达探测波长偏移，需要修正；
64.9、
ⅷ
：中央控制系统，根据ⅵ夜间三频回波信号分析装置或者ⅶ白天三频回波信
号分析装置给出的激光雷达发射波长判断信息后，将命令通过
ⅷ
中央控制系统发送给激光雷达相应的设备波长调整装置，将波长调整至正确探测波长。
65.如图2所示，为本发明实施例的一种全天时钠层风温激光雷达探测波长监测系统结构框图。图2中的系统是白天夜间探测功能都具备，所以ⅵ、ⅶ两个都相连。
66.1、全天时钠层风温激光雷达探测波长实时监测系统，包括：ⅰ：全天时钠层风温激光雷达；ⅱ：天顶方向探测数据采集装置；ⅲ：东向探测数据采集装置；ⅳ：北向探测数据采集装置；
ⅴ
：数据预处理系统；ⅵ：夜间三频回波信号分析系统；ⅶ：白天三频回波信号分析系统；
ⅷ
：中央控制系统；
67.2、全天时钠层风温激光雷达接收到的三方向三频率回波信号分别由ⅱ天顶方向探测数据采集装置、ⅲ东向探测数据采集装置、ⅳ北向探测数据采集装置采集；
68.3、采集到的不同方向激光雷达的回波信号进入数据预处理装置，进行数据的分类整理存储；
69.4、例如当激光雷达是在夜间工作时，分析ⅵ夜间三频回波信号分析装置的结果如图3所示，得出n
f0
大于n
f-和n
f+
，且此时n
f-和n
f+
不重合且光子数比值小于钠原子探测的高度温度的三频相对谱线强度比值，可判断此时激光雷达探测波长偏移；
70.5、根据ⅵ夜间三频回波信号分析装置给出的激光雷达发射波长判断信息，将命令通过
ⅷ
中央控制系统发送给激光雷达相应的设备波长调整装置，将波长调整至正确探测波长。调整后的夜间归一化三频回波信号如图4所示。
71.6、例如当激光雷达是在白天工作，分析ⅶ白天三频回波信号分析装置的结果如图5所示，得出n
f0
大于n
f-和n
f+
，且n
f-和n
f+
不重合，此时激光雷达探测波长偏移；
72.综上所述，本发明提出一种利用回波信号实时鉴定中高层大气多普勒探测激光雷达发射激光频率的系统及方法，可以更加直观和准确的判断发射激光频率是否在金属原子或者离子共振峰上。满足精确测量风场、速度、温度对数据精度的需求。
73.实施例2
74.本发明的一种基于回波信号实时监测中高层多普勒激光雷达的方法，基于本发明的系统实现，所述方法包括：
75.利用回波信号采集子系统采集中高层大气多普勒探测激光雷达接收到的不同方向上不同频率的回波信号；
76.利用回波信号分析子系统分别对每个方向上不同频率的回波信号进行处理和分析，并根据分析结果判断激光雷达探测波长是否准确；
77.其中，所述回波信号分析子系统中，对每个方向上三个频率的回波信号进行处理和分析，并根据分析结果判断激光雷达探测波长是否准确，具体包括：
78.获取每个方向的三个频率的回波光子信号计数值na；
79.对na进行非线性校正，获得每个方向三个频率的回波光子信号计数值nb；
80.对nb进行高度和时间积分，得到示踪原子离子的回波信号nc；
81.对nc进行扣除背景噪声，获得扣除背景噪声后的示踪原子离子的回波信号ne；
82.对ne进行参考高度瑞利信号归一化，得到示踪原子离子天顶方向任一频率的归一化回波信号，其中，f0的归一化回波信号n
f0
，f-的归一化回波信号n
f-，f
+
的归一化回波信号n
f+
；
83.比较n
f0
、n
f-和n
f+
，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确。
84.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，其特征在于，所述系统包括：回波信号采集子系统和回波信号分析子系统；其中，所述回波信号采集子系统，用于采集中高层大气多普勒探测激光雷达接收到的不同方向上不同频率的金属成分共振产生的回波信号；所述回波信号分析子系统，用于分别对每个方向上不同频率的回波信号进行处理和分析，并根据分析结果判断激光雷达探测波长是否准确。2.根据权利要求1所述的基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，其特征在于，所述系统还包括：数据预处理子系统，用于对采集到的不同方向、不同频率的回波信号进行预处理，所述预处理包括：对回波信号进行分类整理存储、对回波信号进行质量检测以及根据质量检测结果对回波信号进行剔除。3.根据权利要求1所述的基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，其特征在于，所述系统还包括：中央控制子系统，用于根据回波信号分析子系统给出的激光雷达发射波长判断信息，向激光雷达发射相应命令，将激光雷达发射波长调整至相应正确探测波长。4.根据权利要求1所述的基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，其特征在于，所述回波信号采集子系统，包括至少三个不同方向的数据采集装置；所述三个不同方向包括天顶、天顶偏东或偏西和天顶偏北或偏南；每个方向的数据采集装置，用于采集各自方向上至少三个不同频率的金属成分共振产生的回波信号；所述三个不同频率包括f0、f
+
＝f0+δf、f-＝f
0-δf，其中f0为峰值工作频率，δf为激光雷达设定的频移量。5.根据权利要求4所述的基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，其特征在于，所述回波信号分析子系统的处理过程具体包括：获取每个方向的至少三个频率的各个频率回波光子信号计数值n
a
；对n
a
进行非线性校正，获得每个方向至少三个频率的回波光子信号计数值n
b
；对n
b
进行高度和时间积分，得到回波信号n
c
；对n
c
进行扣除背景噪声，获得扣除背景噪声后的回波信号n
e
；对n
e
进行参考高度瑞利信号归一化，得到每个方向至少三个频率的各个频率归一化回波信号，其中，f0的归一化回波信号n
f0
，f-的归一化回波信号n
f-，f
+
的归一化回波信号n
f+
；比较n
f0
、n
f-和n
f+
，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确。6.根据权利要求5所述的基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，其特征在于，所述背景噪声为170-190km的回波信号平均。7.根据权利要求5所述的基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，其特征在于，所述比较n
f0
、n
f-和n
f+
，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确，具体包括：如果n
f0
最大，且n
f-和n
f+
在示踪金属成分探测的高度范围内重合，则判定激光雷达探测波长正确无误；如果n
f0
不是最大，或n
f-和n
f+
未在示踪金属成分探测的高度范围内重合，则判定激光雷达探测波长偏移。8.根据权利要求5所述的基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，其特征在于，所述比较n
f0
、n
f-和n
f+
，并根据比较结果判断激光雷达探测波长是否准确，具体包括：如果光子数比值n
f+
/n
f-等于示踪金属成分探测的高度设定的温度的三频相对谱线强度
比值，则判定激光雷达探测波长正确无误；如果光子数比值n
f+
/n
f-不等于示踪金属成分探测的高度设定的温度的三频相对谱线强度比值，则判定激光雷达探测波长偏移。9.根据权利要求5所述的基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统，其特征在于，所述回波信号分析子系统包括：白天回波信号分析装置和/或夜间回波信号分析装置，分别用于对白天和/或夜间采集的每个方向上不同频率的回波信号进行分析，并根据分析结果判断中激光雷达探测波长是否准确；其中，所述白天回波信号分析装置还用于对非线性校正完后的回波光子信号进一步进行透射率的修正处理。10.一种基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的方法，基于权利要求1-9之一所述系统实现，所述方法包括：采集中高层大气多普勒探测激光雷达接收到的不同方向上不同频率的金属成分共振产生的回波信号；利用回波信号分析子系统分别对每个方向上不同频率的回波信号进行处理和分析，并根据分析结果判断激光雷达探测波长是否准确。

技术总结
本发明涉及激光雷达探测波长监测技术领域，特别涉及一种基于回波信号实时监测激光雷达探测波长的系统及方法。本发明系统包括：回波信号采集子系统和回波信号分析子系统；其中，回波信号采集子系统，用于采集中高层大气多普勒探测激光雷达接收到的不同方向上不同频率的金属成分共振产生的回波信号；回波信号分析子系统，用于分别对每个方向上不同频率的回波信号进行处理和分析，并根据分析结果判断激光雷达探测波长是否准确。本发明利用中高层大气多普勒激光雷达的回波信号来判断探测波长的准确性，避免了由于锁频系统失锁导致的探测波长不准导致探测结果不准确。测波长不准导致探测结果不准确。测波长不准导致探测结果不准确。


技术研发人员：杜丽芳 杨国韬 郑浩然 夏媛 吴方 王泽龙
受保护的技术使用者：中国科学院国家空间科学中心
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/19